CN111913497A - 一种victs接收天线伺服控制系统 - Google Patents

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    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
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Abstract

本发明公开了一种VICTS接收天线的伺服控制系统，通过天线的馈电层旋转，主要控制波束的方位角，CTS层的旋转主要控制波束的俯仰角，通过对两层极强化层的旋转，调整极化。系统上电后，通过伺服系统调整天线主波束使其指向特定卫星，以便建立通信，此过程为捕获过程；捕获到卫星后，由于车体移动，应能根据惯导给出的实时位置，调整天线主波束指向，始终对准卫星,此过程为跟踪过程；当遇到遮挡时，遮挡解除后，应根据惯导给出的实时位置，重新捕获卫星。本发明通过信标跟踪方式、利用惯导提供的姿态变化信息，通过伺服系统控制天线旋转，利用波束方位俯仰和极化自适应补偿程序，确保天线波束动态精准跟踪卫星。

Description

一种VICTS接收天线伺服控制系统
技术领域
本发明属于卫星通信天线技术领域，特别是涉及一种VICTS接收天线伺服控制系统。
背景技术
VICTS(可变倾角连续断面节阵列)接收天线是一种新型超薄动中通天线，该天线通过各功能层的一维平面旋转，实现波束的方位、俯仰二维扫描和极化角的调整与匹配。天线馈电简单，整机纵向剖面低，具有高增益、波束扫描灵活、高机动性等特点，在卫星移动通信领域具有广阔的应用前景。
VICTS接收天线对星跟踪难度极大，为克服传统天线由于载体运动、颠簸过程中波束偏离卫星的造成通信链路的失锁问题，伺服控制系统是天线波束在载体静止和运动状态下都能够稳定指向卫星的控制核心。本设计VICTS接收天线通过信标跟踪方式、利用惯导提供的姿态变化信息，通过伺服系统控制天线旋转，利用波束方位俯仰和极化自适应补偿程序，确保天线波束动态精准跟踪卫星。因此，本发明开展了VICTS接收天线伺服控制系统的研究。
发明内容
为了对原有技术进行改进，本发明的目的是提供一种VICTS接收天线的伺服控制系统，本发明通过信标跟踪方式、利用惯导提供的姿态变化信息，通过伺服系统控制天线旋转，利用波束方位俯仰和极化自适应补偿程序，确保天线波束动态精准跟踪卫星。天线四层为同轴独立旋转的圆盘状结构。通过天线的馈电层旋转，主要控制波束的方位角，CTS层的旋转主要控制波束的俯仰角，通过对两层极强化层的旋转，调整极化。
系统上电后，通过伺服系统调整天线主波束使其指向特定卫星，以便建立通信，此过程为捕获过程；捕获到卫星后，由于车体移动，应能根据惯导给出的实时位置，调整天线主波束指向，始终对准卫星,此过程为跟踪过程；当遇到遮挡时，遮挡解除后，应根据惯导给出的实时位置，重新捕获卫星。
具体的，如图1所示VICTS接收天线伺服系统结构图。系统上电后，ARM(高级精简指令集机器Advanced RISC Machine)控制单元读取FPGA(现场可编程逻辑门阵列FieldProgrammable Gate Array)信号采集模块得到惯导输出的方位、俯仰、横滚等当前地理位置信息，利用如下式1、2、3所示的卫星捕获算法，计算得到当前天线主波束方位、俯仰等角度信息。
方位角
Figure BDA0002507292210000021
俯仰角
Figure BDA0002507292210000022
Figure BDA0002507292210000023
极化角
Figure BDA0002507292210000024
其中，ψg是接收站经度，ψs为卫星的经度，θ为接收站的纬度。
根据方位俯仰极化信息，计算得到每层天线盘应该转动到的目标位置，再根据当前的四层天线的实时位置，计算得到相应每层天线盘的相对转动角度，通过主控单元向电机伺服控制器发送指令，转动到预定位置，在此过程中，实时监测信标机输出的模拟信号的值，其值大于设定阈值后，停止电机转动，完成卫星信号捕获过程；
捕获到卫星后，根据天线载体的移动情况，主控中的ARM控制单元不断读取主控中的FPGA信号采集模块得到惯导输出的方位、俯仰、横滚等当前地理位置信息，计算当前的方位角、俯仰角、极化角，通过FPGA单元向电机伺服控制器发送指令，转动到预定位置，在此过程中，实时监测信标机输出的模拟信号的值，其值大于设定阈值后，停止电机转动，调整天线主波束指向，始终对准卫星；当遇到遮挡时，根据惯导系统响应，使电机保持遮挡前的目标位置，遮挡解除后，应根据惯导给出的实时位置，重新对准卫星，最终完成卫星信号的捕获。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明实现了VICTS接收天线在不同俯仰角下可以快速准确地跟踪到卫星，为VICTS接收天线用于动中通领域提供支持，增强了本发明的实用价值。
2、本发明实现了VICTS接收天线在不同载体姿态下可以快速准确地跟踪到卫星，为VICTS接收天线用于动中通领域提供支持，增强了本发明的实用价值。
附图说明
图1是VICTS接收天线伺服系统结构示意图；
图2是VICTS接收天线伺服系统方案；
具体实施方式
对于一个直径为480mm的圆形口径VICTS接收天线，工作频率为12.721GHz，空旷无遮挡物的条件下在重庆(106.4°E，29.6°N)对亚太五(138°E)卫星进行对星跟踪。主要有以下步骤：
⑴FPGA信号采集模块通过RS232串口读取惯导输出的方位、俯仰、横滚等当前地理位置信息，并进行数据容错判断，去除错误数据，保留正确的方位、俯仰、横滚信息；
⑵ARM控制单元通过SPI接口读取FPGA的惯导信息；
惯导方位、俯仰、横滚角均0°；
⑶利用卫星捕获算法如式1、2、3，ARM控制单元计算得到当前天线主波束方位、俯仰极化等角度信息；
其中方位角128.76°、俯仰角41.25°、极化角-42.87°
⑷根据当前的四层天线的实时位置，ARM控制单元计算得到相应每层天线盘的相对转动角度；
第一层盘128.76°，第二层盘87.51°，第三层盘108.95°，第四层盘130.38°
⑸ARM向FPGA通过SPI传输每层盘面电机的相对位置的转动角度指令。电机转动到预定位置；
⑹重复1～5的过程，并利用FPGA读取信标机的电压值，通过SPI反馈给ARM，根据设定阈值(一般设定在-70.8db)，读取的信标机的值大于设定阈值后，停止电机转动，完成卫星信号捕获过程；
⑺捕获到卫星后，车体在移动过程中，重复1～6过程，不断调整天线主波束指向，始终对准卫星；
⑻当遇到遮挡时，惯导继续输出惯性导航数据，系统根据惯导数据调整盘面位置，调整波束指向，继续指向卫星，以便遮挡解除后快速对星。遮挡解除后，重复1～6过程，重新捕获卫星。

Claims (2)

1.一种VICTS接收天线伺服控制系统，其特征包括：系统上电后，ARM控制单元读取FPGA信号采集模块得到惯导输出的方位、俯仰、横滚当前地理位置信息，利用如下式1、2、3所示的卫星捕获算法，计算得到当前天线主波束方位、俯仰角度信息；
方位角
Figure FDA0002507292200000011
俯仰角
Figure FDA0002507292200000012
极化角
Figure FDA0002507292200000013
其中，ψg是接收站经度，ψs为卫星的经度，θ为接收站的纬度；
根据方位俯仰极化信息，计算得到每层天线盘应该转动到的目标位置，再根据当前的四层天线的实时位置，计算得到相应每层天线盘的相对转动角度，通过主控单元向电机伺服控制器发送指令，转动到预定位置，在此过程中，实时监测信标机输出的模拟信号的值，其值大于设定阈值后，停止电机转动，完成卫星信号捕获过程。
2.如权利要求1所述的VICTS接收天线伺服控制系统，其特征在于：捕获到卫星后，根据天线载体的移动情况，主控中的ARM控制单元不断读取主控中的FPGA信号采集模块得到惯导输出的方位、俯仰、横滚等当前地理位置信息，计算当前的方位角、俯仰角、极化角，通过FPGA单元向电机伺服控制器发送指令，转动到预定位置，在此过程中，实时监测信标机输出的模拟信号的值，其值大于设定阈值后，停止电机转动，调整天线主波束指向，始终对准卫星；当遇到遮挡时，根据惯导系统响应，使电机保持遮挡前的目标位置，遮挡解除后，应根据惯导给出的实时位置，重新对准卫星，最终完成卫星信号的捕获。
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