CN109326884A - 便携式卫星通信终端天线控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式卫星通信终端天线控制装置及控制方法，包括ARM处理器、GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块、步进电机驱动模块和天线模块，所述ARM处理器分别与GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块和步进电机驱动模块相连，所述步进电机驱动模块和天线模块相连，所述ARM处理器内设有控制软件；以ARM处理器为核心，通过采集和处理GPS/BD定位数据、方位俯仰传感器数据和卫星信标强度数据，控制高精度步进电机自动调整天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动的精确对星。

Description

便携式卫星通信终端天线控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种便携式卫星通信终端天线控制装置及方法。

背景技术

从国内外研究来看，装备技术支援已经成功地运用到各种工业领域，国内外有许多科研机构、企业以及大学都在积极地进行该领域的研究。美国德克萨斯的Monico公司开发了发动机的远程监控和互联网信息服务系统；美国霍尼韦尔公司(Honeywell)为造纸公司、炼油厂等大型企业提供Honeywell质量控制系统(QCS)远程监控功能，实施可靠的远程故障诊断，确保质控设备顺利运行。

西安交通大学自动控制系以电厂汽轮机组为对象，通过综合采用虚拟专用网(VPN)的隧道和加密等安全技术，结合远程控制软件，实现安全地经Internet对其进行及时的远程诊断和技术支援；Ting-Ting He等为大型电力变压器设计状态监测和故障诊断系统，监测输入信号包括变压器振动、电压、电流和温度等，系统包括两部分，前端计算机子系统，负责数据采集和处理，后端总控制室，用于分析监控变压器的运行状态，两者通过网络通信。

装备技术支援设备都是针对不同的对象和目的建立的，它包括对设备的实时状态监测、故障智能诊断、运行寿命预测以及装备技术支援等技术。装备技术支援技术已经相继应用于大型设备，并带来了巨大的经济效益与社会效益。

便携式宽带卫星通信天线需要具有自动对星功能，要求在较短的时间内能够自动展开并寻找对准指定卫星，由于卫星通信天线的波束宽度窄，给通信终端天线的快速高精度对星带来较大难度，因此开展便携式天线高精度对星控制技术的研究。

发明内容

鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种便携式卫星通信终端天线控制装置及控制方法，能够采集输入信号、对输入信号进行分析处理、输出信号控制步进电机转动，以实现卫星天线自动、快速的精确搜星和对星。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种便携式卫星通信终端天线控制装置，所述便携式卫星通信终端天线控制装置包括ARM处理器、GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块、步进电机驱动模块和天线模块，所述ARM处理器分别与GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块和步进电机驱动模块相连，所述步进电机驱动模块和天线模块相连，所述ARM处理器内设有控制软件。

依照本发明的一个方面，所述天线模块包括天线和调节天线的步进电机，所述步进电机与步进电机驱动模块相连所述步进电机包括俯仰角电机和方位角电机。

依照本发明的一个方面，所述步进电机驱动模块包括俯仰角控制模块和方位角控制模块，所述俯仰角控制模块和方位角控制模块分别与俯仰角电机和方位角电机相连。

依照本发明的一个方面，所述ARM处理器还与电源、显示器和存储模块相连。

一种便携式卫星通信终端天线控制方法，所述便携式卫星通信终端天线控制方法包括以下步骤：

启动并初始化；

GPS/BD定位信息采集；

计算方位角/俯仰角理论值；

方位角/俯仰角信息采集；

将采集的方位角/俯仰角信息与理论值进行比对；

若两者不相同则控制步进电机调整天线后继续进行位角/俯仰角信息采集和比对；

若两者相同，则进行精确对星步骤。

根据权利要求5所述的便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，所述精确对星步骤包括：

进行信标信号强度采集；

判断是否为最强信号，若不是则控制步进电机调整天线后进行信标信号强度采集和判断；

若为最强信号，则锁定电机。

依照本发明的一个方面，所述精确对星步骤包括：锁定电机后监控信标信号强度并确定是否下降到阈值，若已经下降到阈值，则返回计算方位角/俯仰角理论值，否则继续监控信标信号强度。

依照本发明的一个方面，所述方位角/俯仰角理论值的计算需要根据天线当前地理位置信息(经度、纬度)进行计算，计算公式如下：

设方位角为γ，方位角正南为0°，正角度为南偏西的度数，负角度为南偏东的度数；俯仰角为δ；ψ为卫星的经度；α为卫星天线当前的经度；θ为卫星天线当前的纬度。

依照本发明的一个方面，将采集到的天线当前的方位角和俯仰角与计算的理论值进行比较，决定步进电机的转动方向和大小，当步进电机按程序转动完成后，再次采集数据，重复上述步骤，直到采集值等于计算的理论值为止。

依照本发明的一个方面，发送信标信号强度指令采集信标信号强度，并保存采集到的信标信号强度信息与前一次信标信号强度进行比较，先控制方位步进电机调整方位角，再控制俯仰步进电机调整俯仰角，实现精确对星。

本发明实施的优点：以ARM处理器为核心，通过采集和处理GPS/BD定位数据、方位俯仰传感器数据和卫星信标强度数据，控制高精度步进电机自动调整天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动的精确对星；对GPS/BD定位信息采集模块、方位俯仰传感模块、信标信号采集模块传来的信息进行实时处理，并控制高精度步进电机转动，以带动天线运动，实现自动对星。具体流程如下：首先根据GPS/BD定位信息采集模块采集到的地理位置信息，根据公式计算天线方位角和俯仰角的理论值，并用磁偏角对方位角进行修正；然后将经过修正理论值与方位俯仰传感模块采集的天线当前的方位角和俯仰角进行比较，控制高精度步进电机转动，从而实现粗略对星过程；当粗略对星过程完成后，再在一个较小的区域内控制步进电机进行扫描，并实时监测信标信号采集模块采集到的信标信号强度，当信标信号强度达到最大的时候，实现精确对星；系统可以工作在全自动模式下，实现一键对星，同时也可以在特殊情况下工作在手动工作模式下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的便携式卫星通信终端天线控制装置示意图；

图2为本发明所述的ARM处理器连接示意图；

图3为本发明所述的便携式卫星通信终端天线控制方法示意图；

图4为本发明所述的粗略对星控制流程图；

图5为本发明所述的精确对星控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2所示，一种便携式卫星通信终端天线控制装置，所述便携式卫星通信终端天线控制装置包括ARM处理器1、GPS/BD卫星导航定位模块2、方位俯仰传感模块3、信标信号强度采集模块4、步进电机驱动模块5和天线模块，所述ARM处理器分别与GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块和步进电机驱动模块相连，所述步进电机驱动模块和天线模块相连。

在实际应用中，所述天线模块包括天线和调节天线的步进电机，所述步进电机与步进电机驱动模块相连。

在实际应用中，所述步进电机包括俯仰角电机和方位角电机。

在实际应用中，所述步进电机驱动模块包括俯仰角控制模块和方位角控制模块，所述俯仰角控制模块和方位角控制模块分别与俯仰角电机和方位角电机相连。

在实际应用中，所述步进电机驱动模块为步进电机驱动器，所述驱动器具有三个调整细分数拨动开关，接口采用超高速光耦隔离。

在实际应用中，所述GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块和信标信号强度采集模块均采用TTL电平的232接口。

在实际应用中，所述ARM处理器还与电源、显示器和存储模块相连。

在ARM硬件设计上，选择Cortex-M3作为主控制器构成硬件平台，ARM Cortex-M3处理器是行业领先的32位处理器，适用于具有高确定性的实时应用。Cortex-M3出色的计算性能和对事件的卓越系统响应，同时可以自动调整应对低动态和静态功耗，完全适用于Ka波段卫星天线调姿系统的应用。

步进电机驱动器采用ZD-6560-V4型步进电机驱动器，该驱动器具有三个调整细分数拨动开关，接口采用超高速光耦隔离，抗高频干扰能力强，非常适用于卫星天线角度精确控制的应用。ZD-6560-V4型步进电机驱动器可以整步、二细分、八细分、十六细分调整，输出电流4档可调，支持过热自动保护、脱机、使能、锁定等功能，有力的保障了本项目中对便携式卫星天线伺服系统提出的快速、稳定、可靠、安全等多项要求目标的实现。

利用Cortex-M3丰富的外部接口高速处理能力，达到实时采集数据、及时处理数据、快速传输数据的目的；GPS/BD定位信息、方位俯仰传感器、信标信号采集等模块均采用TTL电平的232接口，在保证了测量数据精度和接口一致性的同时避免了MAX232等串口转换芯片的使用；步进电机驱动器根据ARM传来的PWM信号分别控制方位步进电机和俯仰步进电机的转动大小、转动方向、脱机和锁定，步进电机带动机械部分运动，调整天线的方位角和俯仰角。

便携式天线的伺服控制器是整个通信终端的控制中心，负责采集输入信号、对输入信号进行分析处理、输出信号控制步进电机转动，以实现卫星天线自动、快速的精确搜星和对星。

实施例二

如图3、图4和图5所示，一种便携式卫星通信终端天线控制方法，所述便携式卫星通信终端天线控制方法包括以下步骤：

S1：启动；

S2：初始化；

S3：GPS/BD定位信息采集；

S4：方位角/俯仰角理论值的计算；

S5：方位角/俯仰角信息采集；

S6：将采集的方位角/俯仰角信息与理论值进行比对；

S7：若采集值≠理论值，则转S8；

S8：控制电机调整天线方向后转S5；

S9：若采集值＝理论值，则转S10。

S10：进行信标信号强度采集；

S11：判断是否为最强信号；若不是最强信号则转S12，若是则转S13；

S12：控制电机调整天线方向后转S10；

S13：锁定电机；

S14：监测信标信号强度；

S15：判断信号强度是否下降到阈值，若没有则转S14，若下降到阈值则转S4。

其中，对星需要两个重要参数：方位和俯仰。对星参数理论值的计算需要根据天线当前地理位置信息(经度、纬度)进行计算，计算公式如下：

设方位角为γ(方位角正南为0°)，正角度为南偏西的度数，负角度为南偏东的度数；俯仰角为δ；ψ为卫星的经度；α为卫星天线当前的经度；θ为卫星天线当前的纬度。

由于根据公式计算得到的方位角理论值是以真北为标准的，而方位角传感器的采集值是以磁北为标准的，因此采集值和理论值之间存在一个差值，即磁偏角。计算出的对星参数理论值需要根据磁偏角进行修正。根据IGRF2005地磁场模型，利用NOAA的NG-DC提供的磁偏角计算程序，用磁偏角对方位角进行修正。

天线当前的方位角和俯仰角可以通过传感器直接采集到，然后将采集到的数据与修正过的理论值进行比较，决定步进电机的转动方向和大小，当步进电机按程序转动完成后，再次采集数据，重复上述步骤，直到采集值等于修正后的理论值为止。因此，粗略对星的控制流程如下：

1)调用程序；

2)进行差值计算，计算方式为：差值＝理论值-采集值；

3)判断差值是否等于0，若等于0则退出程序，否则进行下一步；

4)计算电机转动角度；

5)计算输出脉冲数；

6)输出脉冲；

7)退出程序。

在实际应用中，信标信号强度采集需要ARM与信标信号采集模块之间首先交互握手信息，然后发送信标信号强度指令采集信标信号强度，并保存采集到的信标信号强度信息与前一次信标信号强度进行比较，先控制方位步进电机调整方位角，再控制俯仰步进电机调整俯仰角，实现精确对星。精确对星的控制流程如下：

(1)调用程序；

(2)交互握手信息；

(3)设定搜索区域，预设最强信标；

(4)读取信标信号强度1；

(5)判断最强信号是否大于信号强度1，否则转步骤(01)；

(6)更新标志为1，若没有更新则转步骤(4)；

(7)方位电机反转1步；

(8)读取信标信号强度2；

(9)判断最强信号是否大于信号强度2，否则转步骤(001)；

(10)俯仰电机反转1步；

(11)锁定电机，退出程序。

(01)保存最强信号；

(02)更新标志置1；

(03)方位电机正转1步，然后转步骤(4)。

(001)保存最强信号；

(002)俯仰电机正转1步，然后转步骤(8)。

便携式宽带卫星通信天线自动对星系统能够做到设备的快速、自动、准确对星。天线系统内嵌信标接收机、控制单元、GPS/BD定位及全自动自动控制软件系统，系统可以工作在全自动模式下，实现一键对星，同时也可以在特殊情况下工作在手动工作模式下。

本发明实施的优点：以ARM处理器为核心，通过采集和处理GPS/BD定位数据、方位俯仰传感器数据和卫星信标强度数据，控制高精度步进电机自动调整天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动的精确对星；对GPS/BD定位信息采集模块、方位俯仰传感模块、信标信号采集模块传来的信息进行实时处理，并控制高精度步进电机转动，以带动天线运动，实现自动对星。具体流程如下：首先根据GPS/BD定位信息采集模块采集到的地理位置信息，根据公式计算天线方位角和俯仰角的理论值，并用磁偏角对方位角进行修正；然后将经过修正理论值与方位俯仰传感模块采集的天线当前的方位角和俯仰角进行比较，控制高精度步进电机转动，从而实现粗略对星过程；当粗略对星过程完成后，再在一个较小的区域内控制步进电机进行扫描，并实时监测信标信号采集模块采集到的信标信号强度，当信标信号强度达到最大的时候，实现精确对星；系统可以工作在全自动模式下，实现一键对星，同时也可以在特殊情况下工作在手动工作模式下。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种便携式卫星通信终端天线控制装置，其特征在于，所述便携式卫星通信终端天线控制装置包括ARM处理器、GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块、步进电机驱动模块和天线模块，所述ARM处理器分别与GPS/BD卫星导航定位模块、方位俯仰传感模块、信标信号强度采集模块和步进电机驱动模块相连，所述步进电机驱动模块和天线模块相连，所述ARM处理器内设有控制软件。

2.根据权利要求1所述的便携式卫星通信终端天线控制装置，其特征在于，所述天线模块包括天线和调节天线的步进电机，所述步进电机与步进电机驱动模块相连所述步进电机包括俯仰角电机和方位角电机。

3.根据权利要求2所述的便携式卫星通信终端天线控制装置，其特征在于，所述步进电机驱动模块包括俯仰角控制模块和方位角控制模块，所述俯仰角控制模块和方位角控制模块分别与俯仰角电机和方位角电机相连。

4.根据权利要求1至3之一所述的便携式卫星通信终端天线控制装置，其特征在于，所述ARM处理器还与电源、显示器和存储模块相连。

5.一种便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，所述便携式卫星通信终端天线控制方法包括以下步骤：

启动并初始化；

GPS/BD定位信息采集；

计算方位角/俯仰角理论值；

方位角/俯仰角信息采集；

将采集的方位角/俯仰角信息与理论值进行比对；

若两者不相同则控制步进电机调整天线后继续进行位角/俯仰角信息采集和比对；

若两者相同，则进行精确对星步骤。

6.根据权利要求5所述的便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，所述精确对星步骤包括：

进行信标信号强度采集；

判断是否为最强信号，若不是则控制步进电机调整天线后进行信标信号强度采集和判断；

若为最强信号，则锁定电机。

7.根据权利要求6所述的便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，所述精确对星步骤包括：锁定电机后监控信标信号强度并确定是否下降到阈值，若已经下降到阈值，则返回计算方位角/俯仰角理论值，否则继续监控信标信号强度。

8.根据权利要求1至7之一所述的便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，所述方位角/俯仰角理论值的计算需要根据天线当前地理位置信息(经度、纬度)进行计算，计算公式如下：

设方位角为γ，方位角正南为0°，正角度为南偏西的度数，负角度为南偏东的度数；俯仰角为δ；ψ为卫星的经度；α为卫星天线当前的经度；θ为卫星天线当前的纬度。

9.根据权利要求8所述的便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，将采集到的天线当前的方位角和俯仰角与计算的理论值进行比较，决定步进电机的转动方向和大小，当步进电机按程序转动完成后，再次采集数据，重复上述步骤，直到采集值等于计算的理论值为止。

10.根据权利要求9所述的便携式卫星通信终端天线控制方法，其特征在于，发送信标信号强度指令采集信标信号强度，并保存采集到的信标信号强度信息与前一次信标信号强度进行比较，先控制方位步进电机调整方位角，再控制俯仰步进电机调整俯仰角，实现精确对星。