CN109149110B

CN109149110B - 一种卫星动态跟踪方法及天线设备

Info

Publication number: CN109149110B
Application number: CN201811009523.7A
Authority: CN
Inventors: 邬富存; 贾建国; 章文才
Original assignee: Jiexin Zhejiang Communication Technology Co ltd
Current assignee: Jiexin Zhejiang Communication Technology Co ltd
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: CN109149110A

Abstract

本发明提供一种卫星动态跟踪方法及天线设备，卫星动态跟踪方法包括：天线上电初始化；对所述天线进行二次调节，促使所述天线精准锁定卫星；实时监控所述天线和所述卫星的位置情况，进行动态跟踪算法的计算，从而实现所述天线动态跟踪所述卫星；当所述天线丢失所述卫星的锁定角度时，进行信号重捕获算法的计算；通过设计控制算法，在短时间内重新调整所述天线，达到稳定天线波束的目的；在所述天线动态跟踪所述卫星过程中，将所述天线运动产生的机械能通过机械换能器进行能量转化。本发明在天线动态跟踪卫星时，通过机械换能器能够将天线运动产生的机械能进行转化，大大加强了能源的利用。

Description

一种卫星动态跟踪方法及天线设备

技术领域

本发明涉及卫星追踪技术和天线设备领域，特别涉及一种卫星动态追踪方法及天线设备。

背景技术

航海作业中，为了给船舶进行定位和导航，通常是利用船载卫星电视天线通过跟踪控制技术实现自动搜寻、锁定、跟踪目标卫星，从而实现所需要的功能。由于海上环境复杂，一般使用智能型天线，实时调整天线的接收角度，使天线始终对准卫星方向，从而保证卫星信号的不间断传输。

通用型卫星天线，MCU通过陀螺返回值和信号放大电路采集的电压值来判断驱动芯片所需脉冲速率来驱动步进电机快速跟踪，采用加速度传感器与电机驱动器的联合控制，将加速度传感器上读出的值转换成天线的运动速度，根据此速度来控制电机驱动器的脉冲输出速率使得天线的转动和电机的转动达到静态平衡实现卫星天线的实时跟踪的目的。

动态跟踪过程中，通用型卫星天线会产生振动，然而在动态跟踪时无法对振动产生的机械能进行转化，造成浪费。此外，当目标卫星丢失时，天线重新调整接收角度的过程中，往往需要较大的转角，耗能较多。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种卫星动态追踪方法及天线设备，以解决现有天线对卫星进行动态跟踪时无法转化机械能的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种卫星动态跟踪方法，其特征在于，包括：

天线上电初始化；

对所述天线进行二次调节，促使所述天线精准锁定卫星；

实时监控所述天线和所述卫星的位置情况，进行动态跟踪算法的计算，从而实现所述天线动态跟踪所述卫星；

当所述天线丢失所述卫星的锁定角度时，进行信号重捕获算法的计算；通过设计控制算法，在短时间内重新调整所述天线，达到稳定天线波束的目的；

在所述天线动态跟踪所述卫星过程中，将所述天线运动产生的机械能通过机械换能器进行能量转化，所述机械换能器包括：

衬底，所述衬底的正面设有第一开槽，所述衬底的背面设有第二开槽；

第一键合层，所述第一键合层位于所述第一开槽上；

第一金属层，所述第一金属层位于所述第一键合层上；所述第一金属层形成叉指电极；

压电层，所述压电层位于所述第一金属层上，所述压电层的一面与所述第一开槽平齐；

所述第二开槽包括第二凸起端，所述第二凸起端为质量块；除所述质量块以外的所述衬底、所述第一键合层、所述第一金属层和所述压电层构成悬臂梁。

进一步地，天线上电初始化，包括：

计算所述卫星在天线地理坐标系的坐标值，并得出所述地理坐标系指向所述卫星需要转动的俯仰角、方位角和极化跟踪指令角；

计算所述天线波束指向卫星需要转动的俯仰指令角、方位指令角和极化指令角；并根据得到的所述俯仰指令角、所述方位指令角和所述极化指令角计算得到安装在天线上的惯导系统的初始航向角；

根据得到的所述惯导系统的初始航向角重新计算天线寻星指令角，通过所述寻星指令角控制天线对准卫星。

进一步地，对所述天线进行二次调节，包括：

获得定位模块返回的地理位置信息后进行对星角度算法的计算；根据所述对星角度算法的计算结果实现天线角度的二次调节。

进一步地，当所述天线丢失所述卫星的锁定角度时，进行信号重捕获算法的计算；设计控制算法，在短时间内重新调整所述天线，达到稳定天线波束的目的，包括：

所述天线丢失包括剧烈扰动丢失、遮挡丢失和掉电丢失三种情况中的一种或者多种。

进一步地，在所述天线动态跟踪所述卫星过程中，通过机械换能器将所述天线运动产生的机械能进行能量转化，包括：

所述机械换能器通过压电材料将天线转动过程中的机械能转化为电能。

相对于现有技术，本发明所述的卫星动态追踪方法具有以下优势：

本发明在天线上电初始化后对天线进行二次调节实现锁定卫星，以及在天线丢失锁定角度后会重新对卫星进行捕捉，并在天线动态跟踪卫星时，通过机械换能器能够将天线运动产生的机械能进行转化；从而实现对能量的回收利用。

本发明的另一目的在于提出一种天线设备，以解决现有天线对卫星进行动态跟踪时无法转化机械能的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种天线设备，包括非临时性计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时，实现根据上述的卫星动态跟踪方法。

进一步地，所述机械换能器设置在所述天线设备上。

进一步地，所述机械换能器是按照如下工艺制备的：

在衬底的正面和反面形成带窗口的保护层；依照所述窗口的位置，在所述衬底的正面和反面上各形成凹槽；将第一金属层键合在所述衬底正面的凹槽中；将所述压电层键合在所述第一金属层上，所述第一金属层形成叉指电极；将所述压电层进行减薄，直至所述压电层与所述衬底正面的凹槽平齐；进行划片，释放出悬梁臂和质量块。

进一步地，将所述压电层键合在所述第一金属层上，所述第一金属层形成叉指电极，还包括：

所述叉指电极通过导线连接有储能设备，所述机械换能器转化的电能经由叉指电极流入储能设备。

进一步地，将所述压电层进行减薄，直至所述压电层与所述衬底正面的凹槽平齐，包括：

在所述压电层与所述衬底正面的凹槽平齐的一面设有第三金属层。

所述天线设备与上述卫星动态跟踪方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种卫星动态跟踪方法的一种实施方式的流程图；

图2为本发明机械换能器加工方法的一种实施方式的流程图；

图3为本发明机械换能器的一种实施方式的结构示意图；

图4为第一开槽和第二开槽结构示意图；

图5为衬底制作示意图；

图6为减薄成型示意图；

图7为防护胶位置示意图；

图8为划痕示意图；

图9为叉指电极示意图；

图10为天线设备和机械换能器组装示意图。

图中数字表示：

1-衬底、2-第一金属层、3-第二键合层、4-压电层、5-第三金属层、6-第二金属层、7-叉指电极、8-防护胶、9-天线设备；

10-机械换能器、11-保护层、12-第一键合层、13-凹槽、14-第一开槽、15-第二开槽、41-种子层、21-划痕；

111-窗口、141-第一水平端、142-第一凸起端、151-第二水平端、152-第二凸起端。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1所示，一种卫星动态跟踪方法，包括：

天线上电初始化；具体的，计算卫星在天线地理坐标系的坐标值，并得出地理坐标系指向卫星需要转动的俯仰角、方位角和极化跟踪指令角；计算天线波束指向卫星需要转动的俯仰指令角、方位指令角和极化指令角；并根据得到的俯仰指令角、方位指令角和极化指令角计算得到安装在天线上的惯导系统的初始航向角；根据得到的惯导系统的初始航向角重新计算天线寻星指令角，通过寻星指令角控制天线对准卫星，此为天线角度的第一次调节，也称粗调。

本实施例中，天线的初始化过程是指天线上电后完成初始寻星并确定载体初始航向的过程，该过程是确保天线能在动态下实时高精度跟踪卫星的前提。

对天线进行二次调节，促使天线精准锁定卫星；具体的，获得定位模块返回的地理位置信息后进行对星角度算法的计算；根据对星角度算法的计算结果实现天线角度的二次调节，也称精调。

本实施例中，对星角度计算能够得出天线波束仰角、方位角、极化角；例如天线的经纬度为（103.25,28.77），亚3星位105.5度；其计算结果为：天线波束仰角56.3度；方位角4.7度；极化角4.1度。

本实施例中，定位模块为GPS模块，粗调和精调的用时在1分钟之内完成。

实时监控天线和卫星的位置情况，进行动态跟踪算法的计算，从而实现所述天线动态跟踪所述卫星；具体的，锁定卫星后，单片机将进行动态跟踪算法的计算，同时天线控制单元将固定时间间隔访问各个传感器以获取姿态信息，根据传感器提供的姿态信息以及卫星的位置，单片机计算出天线的目标角度与实际角度，跟踪控制系统根据目标角度与实际角度的误差调整角度，从而达到动态跟踪卫星的目的。

当天线丢失卫星的锁定角度时，进行信号重捕获算法的计算；通过设计控制算法，在短时间内重新调整所述天线，达到稳定天线波束的目的；具体的，当天线因为外部环境而丢失最佳卫星锁定角度时，单片机将进行信号重捕获算法的计算，同时分析剧烈扰动丢失、遮挡丢失、掉电丢失等几类信号丢失的情况，设计最优的软件控制算法，控制器能在短时间内重新调整天线，达到稳定天线指向波束的目的。

本实施例中，天线从丢失锁定角度到重新锁定卫星历时不超过10秒。

在天线动态跟踪卫星过程中，将天线运动产生的机械能通过机械换能器10进行能量转化；具体的，机械换能器10通过压电材料将天线转动过程中的机械能转化为电能，由此实现天线运动过程中振动能量的转化。

实施例2

如图10所示，一种天线设备，包括非临时性计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时，实现根据上述的卫星动态跟踪方法。

本实施例中，天线上电初始化后对天线进行二次调节实现锁定卫星，以及在天线丢失锁定角度后会重新对卫星进行捕捉，并在天线动态跟踪卫星时，通过机械换能器10能够将天线运动产生的机械能进行转化。

实施例3

如图3-9所示，本实施例中机械换能器10设置在所述天线设备9上，包括衬底1、第一键合层12、第一金属层2、第二金属层6、第三金属层5和压电层4。

衬底1为硅制成，即硅衬底1，衬底1的正面设有第一开槽14，衬底1的背面设有第二开槽15，其中，第一开槽14和第二开槽15的横截面呈L型，第一开槽14包括第一水平端141和第一凸起端142，由此，第一水平端141连接压电层4促使第一金属层2形成叉指电极7，第一凸起端142为压电层4的高度起到一个参照的标准；第二开槽15包括第二水评端151和第二凸起端152，由此，将第二凸起端152形成整个装置的质量块，用来感受环境振动，从而进行上下振动。

其中，第一水平端141上设有第一金属层2，第一金属层2形成叉指电极7，叉指电极7通过导线连接外置的储能设备，储能设备为蓄电池，由此，实现电荷的输出，第一金属层2为Au（金），Au层厚度通常在 20Å-10nm，但是不应当低于 20Å，因为在20 Å以下Au层就不能实现了；由于Au很难在硅衬底1上直接进行生长。

第一键合层12为导电胶，其位于第一水平端141和第一金属层2之间，厚度通常在1um-7um 为佳，但是不应当超过 7um；由于导电胶是环氧树脂导电胶，其内部掺杂了银碎屑，具有粘结的特性与导电的特性，因此能够将衬底1与第一金属层2进行良好的粘合。

其中，第一键合层12的厚度和压电层4的厚度有直接关系，两者呈反比关系，在导电胶厚度大时，压电层4的厚度就小；在导电胶厚度小时，压电层4的厚度就大。

压电层4为PZT片，PZT片的下表面设有第二金属层6，第二金属层6为Au（金），金层的厚度在 20Å-10nm，但是不应当低于 20Å，用来进行电荷的收集；压电层4的上表面与所述第一开槽14的上表面平齐，即压电层4与第二凸起端152平齐，由此，限制了压电层4上表面的位置。

其中，在第二金属层6和PZT片之间同样设置Cr（铬）作为种子层41，以供第二金属层6生长，铬通常的厚度在 200Å-2000Å，但是不应当低于 200Å；第二金属层6和第一金属层2之间通过第二键合层3连接，第二键合层3为导电胶，厚度通常在 1um-7um 为佳，但是不应当超过 7um；由于导电胶是环氧树脂导电胶，其内部掺杂了银碎屑，具有粘结的特性与导电的特性，因此能够将第二金属层6和第一金属层2进行良好的粘合。

整个装置除了质量块以外的部分构成悬臂梁，工作时，质量块接收到环境的振动，带动悬臂梁振动，PZT片变形在上表面和下表面产生电荷，最终通过叉指电极7将电荷导出。

实施例4

如图2-9所示，本实施例中机械换能器10的加工方法包括：

在衬底1的正面和反面形成带窗口111的保护层11；

具体的，首先准备衬底1，衬底1材料包括硅、锗、锗硅、碳化硅等，并优选<110>硅,采用双面抛光(例如CMP)平坦化工艺去减小表面缺陷、降低粗糙度；随后在衬底1的正面和背面淀积氧化硅 (优选地为低温CVD工艺)，以形成保护层11，衬底1保护层11厚度为2000Å-5000Å，不低于2000Å，淀积温度为600～900℃，并优选780℃。

在保护层11的正面和反面涂胶光刻，形成光刻胶的窗口111图形，窗口111大小例如为长18mm、宽1.7mm；利用反应离子刻蚀(RIE)技术对正面和反面的保护层11进行各向异性刻蚀，将光刻胶图形转移到正面和反面的保护层11上，从而形成窗口111；最后利用硫酸/双氧水湿法去胶与氧等离子体干法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。

依照窗口111位置，在衬底1的正面和反面上形成凹槽13；

具体的，将上述得到的硅片浸入腐蚀液，或者喷洒腐蚀液，使得腐蚀液从正面或者背面的窗口111作用于衬底1。腐蚀液使用30％的KOH在约70℃下腐蚀，腐蚀速率 1um/min，腐蚀时间500min；KOH能够将<110>硅腐蚀形成凹槽13。

将第一金属层2键合在所述衬底1正面的凹槽13中；

具体的，第一金属层2是通过第一键合层12键合在衬底1的正面，在本步骤中，第一键合层12为导电胶，导电胶通常使用的是甩胶的方式；将衬底1放置在甩胶机上，通过高速旋转将导电胶均匀地制备在硅片上；电胶层制备完成之后，需要对电胶层进行半固化，使导电胶具有一定的硬度，又具有一定的可塑性，否则没有办法在导电胶上继续制备第一金属层2。

在第一键合层12制备完之后，在第一键合层12上进行第一金属层2的蒸镀，在第一金属层2制备完成后，通过激光切割机，对第一金属层2进行小功率划痕21。

将所述压电层4键合在所述第一金属层2上，所述第一金属层2形成叉指电极7；

具体的，准备压电层4，压电层4为PZT片，在PZT 片下表面溅射 Cr 层作为种子层41，并在种子层41上蒸镀 Au 层作为第二金属层6；在第二金属层6上涂抹导电胶作为第二键合层3。

将PZT片涂抹导电胶的一面放入衬底1正面的凹槽13中，经过高温高压键合在一起，由此，第一金属层2被夹在第一键合层12和第二键合层3中间，键合需要加压、加温，在这种条件下，第一金属层2产生了适当的延展，并且沿着激光划痕21的位置相互挣脱，形成叉指电极7，并在叉指电极7焊接有导线，从而将电能导出，具体的，叉指电极7通过导线连接有储能设备，储能设备为蓄电池，机械换能器10转化的电能经由叉指电极7流入蓄电池。

由于第一键合层12和第二键合层3是导电胶；加温、加压后，导电胶被压缩，键合后的导电胶通常厚度是在700nm-5um之间，PZT片与衬底1之间形成相对来说比较紧密的固接；有部分的导电胶会挤进PZT片与凹槽13的缝隙中，若导电胶过多的情况，其会脱离凹槽13，挤到衬底1的上方。

此过程需要注意的是：PZT片大小应当比衬底1上的凹槽13适当小一点，否则压电材料放不进去，但是在键合过程中，在靠近尾端的位置（选择不形成质量块的一端），应当是紧密的结合，最好不要留有缝隙，防止短路。

将压电层44进行减薄，直至压电层4与衬底1正面的凹槽13平齐；

具体的，通过CMP(化学机械抛光)和/或湿法腐蚀，将PZT片减薄至与衬底1正面的凹槽13平齐，得到想要的厚度。

此过程，通过电胶层的厚度和凹槽13的深度实现PZT片减薄厚度的控制。

进行划片，释放出悬梁臂和质量块；

具体的，采用划片仪，划片道预留100um；划穿；使之释放出质量块。

实施5

本实施例中，进行划片，释放出悬梁臂和质量块的步骤前还包括衬底1背面进一步的腐蚀，具体的，在压电层4上设置第三金属层5，随后在第三金属层5上涂抹防护胶8，由此，防护胶8可以防止KOH对第三金属层5的腐蚀；随后将器件浸泡到KOH溶液中，KOH对衬底1背面进行进一步的腐蚀，直到获取我们需要的衬底1厚度，衬底1厚度通常应当被腐蚀至与导电胶差不多的厚度，此种构造具备良好的导电性；最后将器件从KOH溶液中取出，使用丙酮或其他极性较强的有机溶剂去除防护胶8，由此，进一步释放了质量块，便于感受环境中的振动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种卫星动态跟踪方法，其特征在于，包括：

天线上电初始化；

对所述天线进行二次调节，促使所述天线精准锁定卫星；

实时监控所述天线和所述卫星的位置情况，进行动态跟踪算法的计算，促使所述天线动态跟踪所述卫星；

在所述天线动态跟踪所述卫星过程中，通过机械换能器（10）将所述天线运动产生的机械能进行能量转化；所述机械换能器（10）包括：

衬底（1），所述衬底（1）的正面设有第一开槽（14），所述衬底（1）的背面设有第二开槽（15）；

第一键合层（12），所述第一键合层（12）位于所述第一开槽（14）上；

第一金属层（2），所述第一金属层（2）位于所述第一键合层（12）上；所述第一金属层（2）形成叉指电极（7）；

压电层（4），所述压电层（4）位于所述第一金属层（2）上，所述压电层（4）的一面与所述第一开槽（14）平齐；

所述第二开槽（15）包括第二凸起端（152），所述第二凸起端（152）为质量块；除所述质量块以外的所述衬底（1）、所述第一键合层（12）、所述第一金属层（2）和所述压电层（4）构成悬臂梁；

所述压电层（4）为PZT片，所述PZT片的下表面设有第二金属层（6），所述第二金属层（6）和所述第一金属层（2）之间通过第二键合层（3）连接，所述第二键合层（3）为导电胶；在所述第一金属层（2）制备完成后，对所述第一金属层（2）进行划痕，所述第一金属层（2）被夹在所述第一键合层（12）和所述第二键合层（3）中间，由于键合需要加压、加温，所述第一金属层（2）产生了适当的延展，并且沿着划痕的位置相互挣脱，形成所述叉指电极（7）。

2.根据权利要求1所述的卫星动态跟踪方法，其特征在于，天线上电初始化，包括：

3.根据权利要求2所述的卫星动态跟踪方法，其特征在于，对所述天线进行二次调节，包括：

4.根据权利要求3所述的卫星动态跟踪方法，其特征在于，当所述天线丢失所述卫星的锁定角度时，进行信号重捕获算法的计算；设计控制算法，在短时间内重新调整所述天线，达到稳定天线波束的目的，包括：

5.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星动态跟踪方法，其特征在于，在所述天线动态跟踪所述卫星过程中，通过机械换能器（10）将所述天线运动产生的机械能进行能量转化，包括：

所述机械换能器（10）通过压电材料将天线转动过程中的机械能转化为电能。

6.一种天线设备，包括非临时性计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被执行时，实现根据权利要求1至5中任一权利所述的卫星动态跟踪方法。

7.根据权利要求6所述的天线设备，其特征在于，所述机械换能器（10）设置在所述天线设备（9）上。

8.根据权利要求7所述的天线设备，其特征在于，所述机械换能器（10）是按照如下工艺制备的：

在衬底（1）的正面和反面形成带窗口（111）的保护层（11）；依照所述窗口（111）的位置，在所述衬底（1）的正面和反面上各形成凹槽（13）；将第一金属层（2）键合在所述衬底（1）正面的凹槽（13）中；将所述压电层（4）键合在所述第一金属层（2）上，所述第一金属层（2）形成叉指电极（7）；将所述压电层（4）进行减薄，直至所述压电层（4）与所述衬底（1）正面的凹槽（13）平齐；进行划片，释放出悬梁臂和质量块。

9.根据权利要求8所述的天线设备，其特征在于，将所述压电层（4）键合在所述第一金属层（2）上，所述第一金属层（2）形成叉指电极（7），还包括：

所述叉指电极（7）通过导线连接有储能设备，所述机械换能器（10）转化的电能经由叉指电极（7）流入储能设备。

10.根据权利要求8所述的天线设备，其特征在于，将所述压电层（4）进行减薄，直至所述压电层（4）与所述衬底（1）正面的凹槽（13）平齐，包括：

在所述压电层（4）与所述衬底（1）正面的凹槽（13）平齐的一面设有第三金属层（5）。