CN109462033B - 一种移动天线载体的卫星跟踪方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种移动天线载体的卫星跟踪方法及装置，所述天线包括主反射面和副反射面，所述方法包括：获取移动天线载体的运动姿态数据和当前地理位置信息；根据运动姿态数据和当前地理位置信息计算天线的俯仰角、方位角和极化角；根据所述俯仰角、方位角和极化角控制天线转动，以使天线锁定卫星方向；控制副反射面旋转，获取卫星信号强度值，采集副反射面旋转一圈产生的相位基准信号；以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到主反射面偏离卫星的角度；根据所述角度控制主反射面进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变。所述卫星跟踪方法极大的提高了天线锁定卫星的可靠性和稳定性。

Description

一种移动天线载体的卫星跟踪方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种移动天线载体的卫星跟踪方法及装置。
背景技术
随着海上事业的拓展，船舶成为了海上从业人员重要的生活地点，为了给海上从业人员提供电视、通讯信号，船载卫星天线显得必不可少。面对大海上严苛的外部环境和船只被海浪冲击产生的剧烈晃动，船载卫星天线难以实时稳定精确的锁定卫星，难以保证卫星信号不消失。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种移动天线载体的卫星跟踪方法，以解决船载卫星天线难以实时稳定精确的锁定卫星的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种移动天线载体的卫星跟踪方法，所述天线包括主反射面和副反射面，所述方法包括：
获取所述移动天线载体的运动姿态数据和当前地理位置信息；
根据所述运动姿态数据和所述当前地理位置信息计算天线的俯仰角、方位角和极化角，并根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角输出一驱动信号；
根据所述驱动信号控制天线转动，以使天线锁定卫星方向；
控制所述副反射面旋转，获取卫星信号强度值，采集所述副反射面旋转一圈产生的相位基准信号；
以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号；
根据所述调整信号控制所述主反射面进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变。
进一步的，所述以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号，包括：
检测所述相位基准信号的周期，获取一个周期内所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间；
根据所述相位基准信号的周期和所述偏离时间计算所述卫星信号强度值的波峰的相位角度；
根据所述卫星信号强度值的波峰的相位角度计算所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出所述调整信号。
进一步的，所述卫星信号强度值的波峰的相位角度α的计算公式为：T1为所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间，T2为所述相位基准信号的周期。
进一步的，所述主反射面偏离卫星的角度包括俯仰偏差角和方位偏差角，所述俯仰偏差角和所述方位偏差角的计算公式为：b1＝-k·Vpp·cosα，b2＝k·Vpp·sinα；其中，b1为所述俯仰偏差角，b2为所述方位偏差角，k为比例系数，Vpp为所述卫星信号强度值的峰峰值。
相对于现有技术，本发明所述的卫星跟踪方法具有以下优势：
本发明所述的卫星跟踪方法在天线偏离卫星时，可检测出主反射面偏离卫星的角度，并根据偏离的角度对天线进行方向调整，以减小偏离的角度，可使天线稳定精准的跟踪卫星。
本发明的另一目的在于提供一种移动天线载体的卫星跟踪装置，以解决船载卫星天线难以实时稳定精确的锁定卫星的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种移动天线载体的卫星跟踪装置，所述天线包括主反射面和副反射面，其特征在于，所述装置包括：
惯导系统，其用于获取所述移动天线载体的运动姿态数据；GPS模块，其用于获取所述移动天线载体的当前地理位置信息；
控制器，其用于根据所述运动姿态数据和所述当前地理位置信息计算天线的俯仰角、方位角和极化角，并根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角输出一驱动信号；
调整电机组，其用于根据所述驱动信号控制天线转动，以使天线锁定卫星方向；
无刷电机，其用于控制所述副反射面旋转；降频器，其用于获取卫星信号强度值；基准信号开关，其用于采集所述副反射面旋转一圈产生的相位基准信号；
所述控制器还用于以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号；
所述调整电机组还用于根据所述调整信号控制所述主反射面进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变。
进一步的，所述控制器用于以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号，包括：
检测所述相位基准信号的周期，获取一个周期内所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间；
根据所述相位基准信号的周期和所述偏离时间计算所述卫星信号强度值的波峰的相位角度；
根据所述卫星信号强度值的波峰的相位角度计算所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出所述调整信号。
进一步的，所述副反射面为斜面设置或偏心设置。
进一步的，所述惯导系统包括陀螺传感器和加速度传感器，所述控制器对所述陀螺传感器和所述加速度传感器采集的天线运动姿态数据进行融合处理，产生天线在三个方向轴上的角速度和倾角值。
进一步的，所述天线为环焦天线，焦点位于所述副反射面的边缘。
进一步的，所述基准信号开关为光电开关或开关传感器。
所述卫星跟踪装置与卫星跟踪方法相对于现有技术所具有的优势类似，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为本发明实施例所述的卫星跟踪方法的流程图；
图2为本发明实施例所述的卫星跟踪方法中步骤S5的流程图；
图3为本发明实施例所述的主反射面对准卫星时卫星信号强度值和相位基准信号的波形图；
图4为本发明实施例所述的主反射面偏离卫星时卫星信号强度值和相位基准信号的波形图；
图5为本发明实施例所述的卫星信号强度值波峰的相位角度与主反射面偏离卫星角度的计算方法示意图；
图6为本发明实施例所述的卫星跟踪装置的结构示意图；
图7为本发明实施例所述的副反射面斜面设置的示意图；
图8为本发明实施例所述的副反射面偏心设置的示意图。
附图标记说明：
10-控制器，20-天线，201-主反射面，202-副反射面，203-高频头，204-波导管，205-馈源，30-调整电机组，40-无刷电机，50-降频器，60-惯导系统，70-GPS模块，80-基准信号开关，90-防护罩。
具体实施方式
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，其为本实施例中移动天线载体的卫星跟踪方法的流程图；所述卫星跟踪方法包括：
S1、获取所述移动天线载体的运动姿态数据和当前地理位置信息；
其中，所述移动天线载体为包括船舶的带有天线的移动载体，所述天线为双反射面天线，包括主反射面和副反射面。所述运动姿态数据包括移动天线载体在三个方向轴上的角速度和倾角值，所述当前地理位置信息包括移动天线载体当前的经度和纬度。移动天线载体在三个方向轴上的角速度和倾角值也代表了天线在三个方向轴上的角速度和倾角值，三个方向轴为方位轴、俯仰轴以及极化轴；移动天线载体的当前地理位置信息也代表了天线的当前地理位置信息。
S2、根据所述运动姿态数据和所述当前地理位置信息计算天线的俯仰角、方位角和极化角，并根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角输出一驱动信号；
其中，根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角计算出天线对准卫星所需的理论位置，并输出此理论位置对应的驱动信号。
S3、根据所述驱动信号控制天线转动，以使天线锁定卫星方向；
具体的，根据所述驱动信号控制天线向理论位置转动，以使天线锁定卫星方向。其中，天线对卫星的锁定为粗略的锁定，由于移动天线载体处于移动状态，这时天线对卫星的锁定并不稳定且会出现偏差。
S4、控制所述副反射面旋转，获取卫星信号强度值，采集所述副反射面旋转一圈产生的相位基准信号；
其中，所述相位基准信号为副反射面每旋转一圈产生的特定脉冲信号。如图3所示，当天线的主反射面对准卫星时，副反射面旋转至任意角度位置时的卫星信号强度值基本均相等，卫星信号强度值的变化几乎为零；如图4所示，而当主反射面偏离卫星方向时，卫星信号强度值在副反射面旋转时产生正弦波曲线的强弱变化。
S5、以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号。
S6、根据所述调整信号控制所述主反射面进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变；
其中，控制天线进行角度调整是控制天线向主反射面偏离卫星角度减小的方向旋转，最终使得主反射面偏离卫星的角度最小，达到高精度的跟踪效果。
这样，通过步骤S1-S6，所述卫星跟踪方法可在天线载体移动时检测出主反射面偏离卫星的角度，并根据偏离的角度对天线进行方向调整，以减小偏离的角度，可使天线稳定精准的跟踪卫星，极大的提高了天线跟踪卫星的可靠性与稳定性。
进一步的，步骤S5包括：
S51、检测所述相位基准信号的周期，获取一个周期内所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间；
其中，副反射面旋转一周的周期即为所述相位基准信号的周期。所述相位基准信号的周期、所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间均可通过采样测得。
S52、根据所述相位基准信号的周期和所述偏离时间计算所述卫星信号强度值的波峰的相位角度；
其中，相位基准信号的周期和卫星信号强度值的周期均为2π。结合图4所示，所述卫星信号强度值的波峰的相位角度α的计算公式为：T1为所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间，T2为所述相位基准信号的周期。
S53、根据所述卫星信号强度值的波峰的相位角度计算所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出所述调整信号；
其中，所述主反射面偏离卫星的角度包括俯仰偏差角和方位偏差角。结合图5所示，假定副反射面逆时针旋转，相位基准信号采集装置安装于俯仰方向的下方位置，每当副反射面经过此下方位置时产生一个相位基准信号，而每当副反射面旋转到α角度时，若此时卫星信号强度值最高，则可得到所述俯仰偏差角和所述方位偏差角的计算公式为：b1＝-k·Vpp·cosα，b2＝k·Vpp·sinα；其中，b1为所述俯仰偏差角，b2为所述方位偏差角，k为比例系数，Vpp为所述卫星信号强度值的峰峰值。比例系数k可通过实际测试获得，通过改变比例系数k可以调节天线跟踪卫星的灵敏度。
这样，通过步骤S51-S53，可检测出主反射面偏离卫星的角度并输出此角度对应的调整信号，进而可根据所述调整信号控制主反射面进行角度调整，以此获得高精度的卫星跟踪效果。经实际验证，实际跟踪偏差角度可保持在0.2度以内。
进一步的，现有的圆锥扫描法跟踪卫星信号的天线，使用三轴测试平台对其进行摇摆跟踪测试，当天线的摇摆速度在20°@4S时，卫星信号可能会出现丢失，而本实施例中的卫星跟踪方法经实际验证后，可在天线的摇摆速度为20°@4S时稳定跟踪天线，信号跌落仅在1dB以内。
实施例2
本实施例提供一种移动天线载体的卫星跟踪装置，所述天线包括主反射面201和副反射面202，结合图6所示，所述装置包括：
惯导系统60，其用于获取所述移动天线载体的运动姿态数据；GPS模块70，其用于获取所述移动天线载体的当前地理位置信息；
控制器10，其用于根据所述运动姿态数据和所述当前地理位置信息计算天线20的俯仰角、方位角和极化角，并根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角输出一驱动信号；
调整电机组30，其用于根据所述驱动信号控制天线20转动，以使天线20锁定卫星方向；
无刷电机40，其用于控制所述副反射面202旋转；降频器50，其用于获取卫星信号强度值；基准信号开关80，其用于采集所述副反射面202旋转一圈产生的相位基准信号；
所述控制器10还用于以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面201偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号；
所述调整电机组30还用于根据所述调整信号控制所述主反射面201进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变。
具体的，天线20包括主反射面201、副反射面202、馈源205、波导管204和高频头203，控制器10分别与高频头203、惯导系统60、降频器50、无刷电机40、调整电机组30、GPS模块70以及基准信号开关80相连，降频器50与高频头203相连，无刷电机40与副反射面202相连，调整电机组30与天线20相连。
所述卫星跟踪装置工作时，首先控制器10控制惯导系统60获取所述移动天线载体的运动姿态数据，控制GPS模块70获取所述移动天线载体的当前地理位置信息。进而控制器10根据移动天线载体的运动姿态数据以及当前地理位置信息计算出天线20的俯仰角、方位角和极化角，根据天线20的俯仰角、方位角和极化角计算出天线20对准卫星所需的理论位置，并输出此理论位置对应的驱动信号，调整电机组30根据此驱动信号控制天线20转动，使天线20锁定卫星方向。由于移动天线载体(如船舶)处于动态，这时天线20对卫星的锁定并不稳定且会出现偏差。
天线20锁定卫星方向后，控制器10会驱动无刷电机40工作，无刷电机40控制副反射面202旋转，卫星信号依次经主反射面201、副反射面202、馈源205、波导管204、高频头203到达控制器10，卫星信号还经过高频头203达到降频器50，降频器50对接收的卫星信号进行解调，输出卫星的AGC信号，所述AGC信号包括卫星锁定信息和卫星信号强度值。同时控制器10控制基准信号开关80采集副反射面202旋转一圈产生的相位基准信号，控制器10以所述相位基准信号为基准，叠加降频器50输出的卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述双反射面天线20的主反射面201偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号，以驱动调整电机组30工作，调整电机组30根据此调整信号控制天线20进行角度调整，直至卫星信号强度值保持不变。
这样，本实施例中的移动天线载体的卫星跟踪装置可在天线载体移动时检测出主反射面201偏离卫星的角度，并根据偏离的角度对主反射面201进行方向调整，以减小偏离的角度，可使天线20稳定精准的跟踪卫星，极大的提高了天线20跟踪卫星的可靠性与稳定性。
进一步的，结合图7和图8所示，所述副反射面202为斜面设置或偏心设置。设计双反射面天线20时，对副反射面202的要求是整个副反射面202的平面需要呈现一定的斜面或偏心度。无论副反射面202是斜面设置或偏心设置，当主反射面201对准卫星时，副反射面202旋转至任一角度位置时的卫星信号强度值都相等，其信号强度值变化几乎为零。而当主反射面201偏离卫星方向时，卫星信号强度值在副反射面202旋转时产生正弦波曲线的强弱变化。本实施例优选副反射面202为斜面设置，理论上主反射面201偏差角度一定时，副反射面202斜度越大，正弦波卫星信号强度值的峰值越明显，越有利于天线20跟踪卫星。本实施例中的天线20，选取副反射面202的斜度时，可对比不同斜度副反射面202的卫星信号衰减效果，选取信号衰减较小的斜度值，通常信号衰减控制在1dB以内。
进一步的，所述惯导系统60包括陀螺传感器和加速度传感器，控制器10对陀螺传感器和加速度传感器采集的天线运动姿态数据进行融合处理，产生天线20在三个方向轴上的角速度和倾角值，进而控制器10根据天线20在三个方向轴上的角速度和倾角值以及当前地理位置信息计算天线20的俯仰角、方位角和极化角。
进一步的，所述天线20为环焦天线，焦点位于所述副反射面202的边缘。环焦天线焦点的轨迹为一圆环，环焦天线的馈源205喇叭处于副反射面202反射场照射不到的地方，因而消除了副反射面202反射场对馈源205性能的影响，从而使天线20具有低的电压驻波比；环焦天线还具有低的旁瓣电平和高的天线效率。
进一步的，所述基准信号开关80为光电开关或开关传感器。光电开关或开关传感器用于采集副反射面202每旋转一圈的相位基准信号并发送至控制器10。
进一步的，所述调整电机组30包括三个分别控制天线方位、俯仰和极化的电机。
进一步的，本实施例优选副反射面202为铝材料或碳纤维制成，铝材料和碳纤维重量轻、成本低，可有效提高天线20跟踪卫星的灵敏度并降低成本。旋转的副反射面202需要进行高精度的加工，需要考虑噪音、精度、重量、隔光性、使用寿命以及稳定无抖动等要求。本实施例优选副反射面202为铝材料，通过机加工与导电氧化来降低其重量，提高其精度、使用寿命和表面光滑度(提高反光度)。
进一步的，本实施例优选无刷电机40的转速范围为100-6000rpm，可以达到较快的跟踪速度；优选无刷电机40的转速为3000rpm，可以达到很快的跟踪速度。无刷电机40在高转速时噪音低，保证了天线20的稳定性，降低了对天线20的干扰。
进一步的，本实施例中的卫星跟踪装置还包括防护罩90，防护罩90用于罩住基准信号开关80，避免光照影响基准信号开关80采集相位基准信号；防护罩90还具有防潮防尘的作用。优选遮光罩为黑色塑料模型，遮光效果好、重量轻。
进一步的，本实施例中的卫星跟踪装置还包括上位机，用于对控制器10进行控制以及显示相位基准信号和卫星信号强度值的波形。
实施例3
如上述所述的卫星跟踪装置，本实施例与其不同之处在于，所述控制器10中以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到天线20的主反射面201偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号，包括：
检测所述相位基准信号的周期，获取一个周期内所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间；
根据所述相位基准信号的周期和所述偏离时间计算所述卫星信号强度值的波峰的相位角度；
根据所述卫星信号强度值的波峰的相位角度计算所述主反射面201偏离卫星的角度，并根据所述角度输出所述调整信号。
其中，通过高速采样的控制器10测得副反射面202的旋转周期，即为相位基准信号的周期，通过控制器10采样得到卫星信号强度值的波峰偏离相位基准信号的偏离时间。
这样，本实施例中的卫星跟踪装置可检测出主反射面201偏离卫星的角度并输出此角度对应的调整信号，进而可根据所述调整信号控制主反射面201进行角度调整，以此获得高精度的卫星跟踪效果。经实际验证，实际跟踪偏差角度可保持在0.2度以内。
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 (8)

1.一种移动天线载体的卫星跟踪方法，所述天线包括主反射面和副反射面，其特征在于，所述方法包括：
获取所述移动天线载体的运动姿态数据和当前地理位置信息；
根据所述运动姿态数据和所述当前地理位置信息计算天线的俯仰角、方位角和极化角，并根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角输出一驱动信号；
根据所述驱动信号控制天线转动，以使天线锁定卫星方向；
控制所述副反射面旋转，获取卫星信号强度值，采集所述副反射面旋转一圈产生的相位基准信号；
以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号；
其中，所述以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号，包括：
检测所述相位基准信号的周期，获取一个周期内所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间；
根据所述相位基准信号的周期和所述偏离时间计算所述卫星信号强度值的波峰的相位角度；
根据所述卫星信号强度值的波峰的相位角度计算所述主反射面偏离卫星的角度，并根据所述角度输出所述调整信号；
根据所述调整信号控制所述主反射面进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变。
2.根据权利要求1所述的卫星跟踪方法，其特征在于，所述卫星信号强度值的波峰的相位角度α的计算公式为：T1为所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间，T2为所述相位基准信号的周期。
3.根据权利要求2所述的卫星跟踪方法，其特征在于，所述主反射面偏离卫星的角度包括俯仰偏差角和方位偏差角，所述俯仰偏差角和所述方位偏差角的计算公式为：b1＝-k·Vpp·cosα，b2＝k·Vpp·sinα；其中，b1为所述俯仰偏差角，b2为所述方位偏差角，k为比例系数，Vpp为所述卫星信号强度值的峰峰值。
4.一种移动天线载体的卫星跟踪装置，所述天线包括主反射面(201)和副反射面(202)，其特征在于，所述装置包括：
惯导系统(60)，其用于获取所述移动天线载体的运动姿态数据；
GPS模块(70)，其用于获取所述移动天线载体的当前地理位置信息；
控制器(10)，其用于根据所述运动姿态数据和所述当前地理位置信息计算天线(20)的俯仰角、方位角和极化角，并根据所述俯仰角、所述方位角和所述极化角输出一驱动信号；
调整电机组(30)，其用于根据所述驱动信号控制天线(20)转动，以使天线(20)锁定卫星方向；
无刷电机(40)，其用于控制所述副反射面(202)旋转；
降频器(50)，其用于获取卫星信号强度值；
基准信号开关(80)，其用于采集所述副反射面(202)旋转一圈产生的相位基准信号；
所述控制器(10)还用于以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面(201)偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号；
其中，所述控制器(10)用于以所述相位基准信号为基准，叠加所述卫星信号强度值进行取多点计算，得到所述主反射面(201)偏离卫星的角度，并根据所述角度输出调整信号，包括：
检测所述相位基准信号的周期，获取所述卫星信号强度值的波峰偏离所述相位基准信号的偏离时间；
根据所述相位基准信号的周期和所述偏离时间计算所述卫星信号强度值的波峰的相位角度；
根据所述卫星信号强度值的波峰的相位角度计算所述主反射面(201)偏离卫星的角度，并根据所述角度输出所述调整信号；
所述调整电机组(30)还用于根据所述调整信号控制所述主反射面(201)进行角度调整，直至所述卫星信号强度值保持不变。
5.根据权利要求4所述的卫星跟踪装置，其特征在于，所述副反射面(202)为斜面设置或偏心设置。
6.根据权利要求5所述的卫星跟踪装置，其特征在于，所述惯导系统(60)包括陀螺传感器和加速度传感器，所述控制器(10)对所述陀螺传感器和所述加速度传感器采集的天线运动姿态数据进行融合处理，产生天线(20)在三个方向轴上的角速度和倾角值。
7.根据权利要求5所述的卫星跟踪装置，其特征在于，所述天线(20)为环焦天线，焦点位于所述副反射面(202)的边缘。
8.根据权利要求5所述的卫星跟踪装置，其特征在于，所述基准信号开关(80)为光电开关或开关传感器。
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