CN110808447A - 基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统 - Google Patents

基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，包括MCU主控模块、天线锅面和天线基座，所述MCU主控模块控制所述天线锅面转动，所述MCU主控模块分别与GPS模块和陀螺仪平台连接，所述陀螺仪平台设于天线基座上，所述陀螺仪平台与所述天线锅面连接，并且分别与所述方位电机、横滚电机和俯仰电机连接。通过方位电机、横滚电机以及俯仰电机控制天线锅面的转动，使得天线中心轴始终对准卫星，并采取适当的方法对长时间航行产生的误差进行修正，确保通讯的正常工作。MCU主控模块根据GPS模块与陀螺仪平台提供的数据，精确的计算出对星方向，由陀螺仪平台提供的姿态数据，控制电机带动天线锅面进行天线角度的微调，实现准确对星。

Description

基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统
技术领域
本发明涉及，特别涉及一种基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统。
背景技术
船载卫星电视天线可以通过控制技术实现自动搜寻、锁定、跟踪目标卫星功能的智能型天线，由于海上环境复杂，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。
运用MCU技术实现天线的自动跟踪，将是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，加速度传感器与电机驱动器的联合控制，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。卫星动态跟踪技术的研究开发，将有力促进我国航运事业的发展。
而现有的卫星天线跟踪系统往往能够转动的方向较少，无法灵活转动，从而使天线容易偏离卫星方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：包括 MCU主控模块、天线锅面和天线基座，所述MCU主控模块控制所述天线锅面转动，所述MCU主控模块分别与GPS模块和陀螺仪平台连接，所述陀螺仪平台设于天线基座上，所述陀螺仪平台与所述天线锅面连接，并且分别与所述方位电机、横滚电机和俯仰电机连接。
作为优选，所述MCU主控模块通过第一电路与横滚电机连接，所述MCU主控模块通过第二电路与方位电机相连，所述MCU主控模块通过第三电路与俯仰电机相连，所述MCU主控模块通过横滚电机、方位电机和俯仰电机控制所述天线锅面转动。
作为优选，所述MCU主控模块通过陀螺仪平台获得航向角角速度 hs、纵摇角角速度ps和横摇角角速度rs。
作为优选，以天线基座为基准建立一个直角坐标系，得到天线基座坐标系到天线锅面坐标系的旋转矩阵为：
Figure RE-GDA0002295970970000021
其中a为当前横滚角度，b为当前俯仰角度；
进而得到方位电机、横滚电机以及俯仰电机传动速度到天线锅面的旋转矩阵
Figure RE-GDA0002295970970000023
当
Figure RE-GDA0002295970970000024
时，载体速度和电机速度传递到天线锅面上的三个方向轴上的速度大小都相等，方向相反，使得锅面保持静止不动。
作为优选，该系统还包括高频头，所述高频头设于天线锅面中心的正后方。
作为优选，该系统还包括极化电机，所述极化电机通过信号处理电路与MCU主控模块连接。
作为优选，所述MCU主控模块通过串行通讯模块与GPS模块相连。
作为优选，所述MCU主控模块包括绝对编码盘和设于控制程序内的直流电机保护单元，所述方位电机、横滚电机以及俯仰电机分别连接有电器限位开关和机械限位开关，用于手动控制天线锅面转动。
与现有技术相比，本发明中的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统的优点在于，在原两轴天线上增加了横滚轴使其能应用于全球化航行(赤道航行或穿赤道航行)，通过方位电机、横滚电机以及俯仰电机控制天线锅面的转动，使得天线中心轴始终对准卫星，并采取适当的方法对长时间航行产生的误差进行修正，确保通讯的正常工作。MCU主控模块根据GPS模块与陀螺仪平台提供的数据，精确的计算出对星方向，由陀螺仪平台提供的姿态数据，控制电机带动天线锅面进行天线角度的微调，实现准确对星。根据传感器提供的姿态信息以及卫星的位置，MCU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，从而达到实时动态跟踪卫星的目的。本发明中基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，增加的横滚轴克服了横滚的摇摆问题，通过横滚算法达到天线规定标准的跟踪效果，以达到方位转动时可以更加快速的跟踪。
附图说明
图1为本实施例中基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统的方框图；
图2为本实施例中基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统的结构示意图。
图中，1、MCU主控模块；2、天线锅面；3、天线基座；4、GPS模块；5、陀螺仪平台连接；61、方位电机；62、横滚电机；63、俯仰电机；7、高频头；8、极化电机。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，结合图1和图2所示，包括MCU主控模块1、天线锅面2和天线基座3，MCU主控模块1 控制天线锅面2转动，MCU主控模块1分别与GPS模块4和陀螺仪平台连接5，陀螺仪平台设于天线基座3上，陀螺仪平台与天线锅面2连接，并且分别与方位电机61、横滚电机62和俯仰电机63连接。该系统还包括高频头7和极化电机8，高频头7设于天线锅面2中心的正后方，极化电机8通过信号处理电路与MCU主控模块1连接。
其中，MCU主控模块1通过第一电路与横滚电机62连接，MCU主控模块1通过第二电路与方位电机61相连，MCU主控模块1通过第三电路与俯仰电机63相连，MCU主控模块1通过横滚电机62、方位电机 61和俯仰电机63控制天线锅面2转动。
MCU主控模块1通过陀螺仪平台获得航向角角速度hs、纵摇角角速度ps和横摇角角速度rs；以天线基座3为基准建立一个直角坐标系，得到天线基座3坐标系到天线锅面2坐标系的旋转矩阵为：
Figure RE-GDA0002295970970000041
其中a为当前横滚角度，b为当前俯仰角度；
进而得到方位电机61、横滚电机62以及俯仰电机63传动速度
Figure RE-GDA0002295970970000042
到天线锅面2的旋转矩阵
Figure RE-GDA0002295970970000043
当时，载体速度和电机速度传递到天线锅面2上的三个方向轴上的速度大小都相等，方向相反，使得锅面保持静止不动。
优选的，MCU主控模块1通过串行通讯模块与GPS模块4相连。MCU 主控模块1包括绝对编码盘和设于控制程序内的直流电机保护单元，方位电机61、横滚电机62以及俯仰电机63分别连接有电器限位开关和机械限位开关，用于手动控制天线锅面2转动。
与现有技术相比，本发明中的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统的优点在于，在原两轴天线上增加了横滚轴使其能应用于全球化航行(赤道航行或穿赤道航行)，通过方位电机61、横滚电机62 以及俯仰电机63控制天线锅面2的转动，使得天线中心轴始终对准卫星，并采取适当的方法对长时间航行产生的误差进行修正，确保通讯的正常工作。MCU主控模块1根据GPS模块4与陀螺仪平台提供的数据，精确的计算出对星方向，由陀螺仪平台提供的姿态数据，控制电机带动天线锅面2进行天线角度的微调，实现准确对星。根据传感器提供的姿态信息以及卫星的位置，MCU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，从而达到实时动态跟踪卫星的目的。本发明中基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，增加的横滚轴克服了横滚的摇摆问题，通过横滚算法达到天线规定标准的跟踪效果，以达到方位转动时可以更加快速的跟踪。因为三轴天线对动态跟踪的稳定性要求更高，所以在程序的编写上也进行了增加功能与优化，及直流电机的保护，绝对编码盘、电器限位开关、机械限位开关三重冗余保护设计，自动寻星处理，锁定跟踪处理，手动控制处理，使三轴天线更加的稳定。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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.基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：包括MCU主控模块(1)、天线锅面(2)和天线基座(3)，所述MCU主控模块(1)控制所述天线锅面(2)转动，所述MCU主控模块(1)分别与GPS模块(4)和陀螺仪平台连接(5)，所述陀螺仪平台设于天线基座(3)上，所述陀螺仪平台与所述天线锅面(2)连接，并且分别与所述方位电机(61)、横滚电机(62)和俯仰电机(63)连接。
2.根据权利要求1所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：所述MCU主控模块(1)通过第一电路与横滚电机(62)连接，所述MCU主控模块(1)通过第二电路与方位电机(61)相连，所述MCU主控模块(1)通过第三电路与俯仰电机(63)相连，所述MCU主控模块(1)通过横滚电机(62)、方位电机(61)和俯仰电机(63)控制所述天线锅面(2)转动。
3.根据权利要求2所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：所述MCU主控模块(1)通过陀螺仪平台获得航向角角速度hs、纵摇角角速度ps和横摇角角速度rs。
4.根据权利要求1所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：以天线基座(3)为基准建立一个直角坐标系，得到天线基座(3)坐标系到天线锅面(2)坐标系的旋转矩阵为：
Figure FDA0002246215140000011
其中a为当前横滚角度，b为当前俯仰角度；
进而得到方位电机(61)、横滚电机(62)以及俯仰电机(63)传动速度
Figure FDA0002246215140000021
到天线锅面(2)的旋转矩阵
Figure FDA0002246215140000022
当
Figure FDA0002246215140000023
时，载体速度和电机速度传递到天线锅面(2)上的三个方向轴上的速度大小都相等，方向相反，使得锅面保持静止不动。
5.根据权利要求1所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：该系统还包括高频头(7)，所述高频头(7)设于天线锅面(2)中心的正后方。
6.根据权利要求1所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：该系统还包括极化电机(8)，所述极化电机(8)通过信号处理电路与MCU主控模块(1)连接。
7.根据权利要求1所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：所述MCU主控模块(1)通过串行通讯模块与GPS模块(4)相连。
8.根据权利要求7所述的基于三轴动态跟踪技术的船载卫星天线系统，其特征在于：所述MCU主控模块(1)包括绝对编码盘和设于控制程序内的直流电机保护单元，所述方位电机(61)、横滚电机(62)以及俯仰电机(63)分别连接有电器限位开关和机械限位开关，用于手动控制天线锅面(2)转动。
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