CN1614815A - 信号电平检测动态跟踪卫星天线 - Google Patents

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Abstract

一种信号电平检测动态跟踪卫星天线包括卫星信号电平检测电路与控制与数字信号处理机相连接，所述的控制与数字信号处理机的输出端分三路分别和俯仰控制电机与电机控制电路、方位控制电机与电机控制电路、横滚控制电机与电机控制电路连接，它们三者的另一端经过机械传动与减速装置以机械方式和卫星天线及馈电装置相连接，而所述的卫星天线及馈电装置的另一端再和所述的卫星信号电平检测电路连接。本发明的优点是提供一种更加简单，成本低廉，重量轻，体积小，并不受地磁异常的干扰，尤其是系统可靠性大大提高的动态跟踪卫星天线。

Description

信号电平检测动态跟踪卫星天线
技术领域
本发明涉及动态跟踪卫星天线，具体地说，是采用卫星信号电平检测方法实现动态跟踪的卫星天线。
背景技术
至今为止，动态自动跟踪卫星天线系统大多以惯性平台或高精度的陀螺组合为基本依靠，构建一个物理上不随载体转动而转动的基准平台。此种系统如中国专利申请号为01104216、94218035.6、92231278.8和95190037.4中所公开的，此类系统使用了卫星信号电平作为辅助，但均采用角速度计(一种陀螺装置)作为最重要的载体转动的测量依据。其基本原理是：当载体移动时，惯性传感器件如：惯性平台、光纤陀螺、机电陀螺等部件感受这种运动，并通过运算或电路，把它转换成转动角度。然后通过平台控制装置和机械框架结构，向相反方向调整同样的角度，从而使得带有框架结构的物理平台在惯性空间保持不动。而安装在此平台上的天线就可以保持始终对准原定的方向，保持始终对准卫星，不随载体的转动而改变。但一般来说，高精度的惯性平台和光纤陀螺、机电陀螺、框架结构都比较精密且昂贵，其采购成本经常占整个系统的绝大部分。此外，机电陀螺昂贵且可靠性不高，系统启动需要较长的准备时间。因此，除了军用系统之外，民用系统大多用不起，即使用了，也修不起，所以极大地限制了此种系统的应用场合。
另一种系统使用另一种角度测量装置：机械罗盘或电子罗盘。罗盘是一种基于地球磁场变化和测量原理设计的部件。该装置可以直接感受载体或平台的转动角度，通过平台控制系统转动一个相反的角度，实现平台在惯性空间的方向稳定不变。此类系统如申请号为03135684.2的中国专利申请。高精度罗盘虽比高精度惯性传感装置便宜，但也价格不菲。另外，罗盘易受磁场变化的影响，如果使用场合有磁场异常，如电磁装置、磁铁等引起的磁场变化，系统将难以正常工作。
本发明针对上述现有技术的不足之处，不再使用传统方法所必需的，如惯导平台、惯性陀螺装置、电子罗盘等为核心的、昂贵的设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种更加简单，成本低廉，重量轻，体积小，并不受地磁异常的干扰，尤其是系统可靠性大大提高的动态跟踪卫星天线。因此，本发明更适合于要求载体(例如：汽车、船舶、火车、飞机等)在运动中不间断地保持与卫星单向、双向通讯能力或卫星电视接收能力，但又要求体积小，重量轻，价格低廉、高可靠性的卫星通讯应用系统。
本发明的技术方案是这样完成的：
本发明的信号电平检测动态跟踪卫星天线包括卫星信号电平检测电路(1)与控制与数字信号处理机(7)相连接，所述的控制与数字信号处理机(7)的输出端分三路分别和俯仰控制电机与电机控制电路(3)、方位控制电机与电机控制电路(4)、横滚控制电机与电机控制电路(5)连接，所述的(3)、(4)、(5)的另一端经过机械传动与减速装置(6)以机械方式和卫星天线及馈电装置(2)相连接，而所述的(2)的另一端再和所述的(1)连接。
所述的卫星天线对卫星的搜寻和对准通过转动卫星天线及馈电装置(2)，并由卫星信号电平检测电路(1)测量不同位置上的卫星信号电平，由控制与数字信号处理机(7)来判断最大卫星信号电平的对应位置，最大卫星信号电平值所对应的天线俯仰角、方位角就是卫星所在位置对应的方向。
所述的卫星天线对卫星的动态跟踪通过摆动卫星天线及馈电装置(2)，由卫星信号电平检测电路(1)测得天线摆动带来的卫星信号电平的变化，由控制与数字信号处理机(7)通过电平的对比测出的卫星信号较强的天线转动方向，此方向就是由于载体移动带来的天线对准偏差方向，也是天线动态跟踪卫星和消除偏差所需要转动的方向，由控制与数字信号处理机(7)发出指令，通过俯仰控制电机与电机控制电路(3)、方位控制电机与电机控制电路(4)、横滚控制电机与电机控制电路(5)和机械传动与减速装置(6)控制天线的转动，从而实现天线的动态卫星跟踪。
所述的卫星天线与馈电装置(2)中的天线是反射型天线或平板型天线或波导裂缝阵类天线。
所述的卫星天线中，可省略其中的横滚控制电机与电机控制电路(5)，派生出的称为两轴动态跟踪卫星天线系统。
所述的卫星天线中，也可省略其中的横滚控制电机与电机控制电路(5)和俯仰控制电机与电机控制电路(3)，派生出的称为单轴动态跟踪卫星天线系统。
在所述的卫星天线中利用天线的方向性来改善天线的跟踪能力，即基于卫星信号强度对天线转动角求导数而建立的天线对准误差角粗略模型方法来改善天线的跟踪能力，即如果用信号强度对天线转动角求导数，此导数值将随天线偏离的角度不同而变化，在天线轴心邻近区域内，天线轴心偏离信号入射方向角度越大，信号强度对此角求导数后的斜率也越大，因而，将此斜率当作误差角的参考值使用，直接控制天线控制系统的高速转动，快速消除误差角，以改善天线的跟踪能力。
在所述的卫星天线中采用卫星信号电平强度对时间求导数和此时间之前某一时刻对天线转动角度求导数，用此二导数作为共同参考值进行遮挡物判别而建立的遮挡物导数综合判别法，如果卫星信号突然减弱，卫星信号对时间的导数突然变大，但如果在此时前一刻卫星信号强度对天线转角求导得出的导数值并不大，则说明此时的前一刻天线并未有大的对准误差，因此，此次的卫星信号丢失是由于遮挡物遮挡引起的。
本发明所描述的天线系统可以实现卫星的初始对准和卫星的动态跟踪。其基本工作原理为：
当天线系统开机后，控制与数字信号处理机(7)发出指令，横滚控制电机与电机控制电路(5)与俯仰控制电机(3)、方位控制电机(4)通过机械传动与减速装置(6)一起将卫星天线及馈电装置(2)置于某一初始位置并纪录此时的天线方位角、天线高低角、天线横滚角以及来自于卫星信号电平检测电路(1)的卫星信号强度。然后在控制与数字信号处理机(7)的指令下，电机控制电路(5)与驱动控制电机(3)、(4)一起控制天线(2)移动一个角度，并再次记录下此时天线的各种角度及此种角度下的来自于卫星信号电平检测电路(1)的卫星信号强度，并与前一次或前几次的卫星信号强度相比较。若此次卫星信号强度增加，则说明天线的转动方向正确。控制与数字信号处理机(7)发出指令，电机控制电路(5)与驱动控制电机(3)、(4)通过(6)一起控制天线继续沿此方向转动。如果天线转动某一角度后，发现卫星信号强度减弱，则说明天线转动方向错误或天线已转动过量。控制与数字信号处理机(7)发出指令，电机控制电路(5)与驱动控制电机(3)、(4)通过(6)一起控制天线(2)向相反方向转动或减少天线的转动角度量。通过逐次的卫星信号强度的比较，寻求卫星信号强度的最大值位置。而卫星信号强度的最大值位置所对应的天线方向(方位角、俯仰角、横滚角)就是卫星的准确方向。
基于以上原理已可以实现卫星的动态跟踪，并可以满足一般用户的需求。但由于本系统省略了传统的陀螺和惯性平台，也没有使用罗盘装置，因此，系统无法得到天线的角误差量。因而，在载体高速转弯时仍可能产生卫星丢失或天线跟不上的情况。为克服这一缺点，本发明的一个特征是利用天线的方向性来改善天线的跟踪能力。这种方法称为：基于卫星信号电平强度对天线转动角度求导数而建立的天线对准误差角粗略模型方法。此方法的原理如下：
一般天线均有像山峰形状一样的方向性特征或称为天线的方向性图。高峰位置对应着天线的方向轴中心。当信号射入方向与天线的方向轴心重合时，天线增益最大，收集的信号最强。当信号的射入方向偏离天线的轴线中心位置时，天线的增益会下降，天线接收到的信号会变弱。但是，信号的摄入方向与天线的轴心之间的夹角不同时，单位角度上对应的信号强度变化率并不相同。如果用信号强度对天线转动角求导数，其导数值将随天线偏离的角度不同而变化。换言之，当天线处在不同的转动偏差角时，单位角度变化带来的信号强度变化率并不相同。因此，此信号强度变化率实际上与天线的偏差角密切相关。而且，一般来说，在天线轴心邻近区域内，天线轴心偏离信号入射方向角度越大，信号强度求导数后的斜率也越大(具体的斜率变化跟特定天线的方向图有关。天线不同，斜率变化特征也不同)。因此，斜率的确可以当作误差角的参考值使用。本发明用这个“误差角”变量代替低精度陀螺角速度传感器的积分信号，直接控制天线控制系统高速转动，快速消除此“误差角”，达到不用陀螺，也能改善系统动态快速跟踪特性的目的。
本发明的另一个特点是将卫星信号强度对时间和对天线转角分别求导数后，对导数进行综合分析可用来进行遮挡物判别。我们把此种新方法称为：遮挡物导数综合判别法。其判别原理如下：
当载体在行进过程中，路边存在某种遮挡物(如：大楼、桥梁、标示牌等)是常见的现象。此时卫星被遮挡，卫星信号被阻断。如果此时误以为是天线偏离了卫星方向而急于去调整天线的方向，将会使天线真的偏离卫星真实方向，造成丢失卫星。怎样才能区别卫星信号被遮挡引起的信号中断和由于载体转弯天线未能跟踪上卫星引起的信号中断呢？其判断方法就是把卫星信号强度对时间的导数和此时间之前一时刻卫星信号强度对天线转角的导数作为共同参考量，此共同参考量协同形成一种判定准则：如果卫星信号强度突然减弱，卫星信号对时间的导数变大。但如果此时前一刻卫星信号强度对天线转角求导数得出的导数值并不大，则说明此时的前一刻天线并未有大的对准误差。因此，此次的卫星信号减弱或丢失是由于遮挡物遮挡引起的。系统不必急于控制天线做方向调整。用此种方法可以进行天线的遮挡物判别，减少天线不必要的调整，提高系统在被遮挡后迅速再次捕获卫星的能力，减少捕获时间。
附图说明
图1为本发明信号电平检测动态跟踪卫星天线的电路方框图。
具体实施方式
在以上系统的工作原理指导下，可以有多种控制策略和卫星搜索和跟踪实现方法。
实施例1
其中典型的一种两轴(方位控制和俯仰控制)卫星自动跟踪天线系统实现如下：
初始卫星搜索和对准：系统开机以后，将天线预置于某一俯仰角上，系统开始360度方向扫描，记录天线位置与对应的卫星信号强度，寻找卫星信号最大强度位置。如果未发现卫星信号，则变换一天线俯仰角，重新进行方位角360度搜索，直到发现卫星信号最大强度位置，然后控制天线对准卫星。
此外，在天线进行的360度方位扫描过程中，通过信号处理计算机，以信号的强度e为函数，对天线的转动角度θ求导数，并动态地用计算数学方法拟合一条角度误差和与信号强度变化率的对应函数曲线e(θ)。此曲线将作为天线对准误差修正曲线在天线跟踪时使用。
卫星动态跟踪：当载体移动使天线可能偏离卫星方向时，天线沿卫星方向做圆锥形扫描或矩形扫描或螺旋线形扫描。记录在每个位置下卫星信号电平检测电路(1)输出的卫星信号强度。在天线扫描摆动过程中，同时求出此时的卫星信号角度变化率。查找函数曲线e(θ)得出粗略天线误差角θ1。如果θ1大于事先预定的临界误差角，则控制天线直接向信号强度增加的方向转动θ1角。然后重新按圆锥形扫描或矩形扫描或螺旋线形扫描方式进行卫星跟踪。
显然，在本系统构架之下，可以通过改变搜索策略或搜索与跟踪算法形成许多种不同的实现，改进跟踪动态性能和跟踪精度。
实施例二
同样，还可以同时省去横滚角和俯仰角控制部分，形成单轴自动跟踪天线系统(此时天线应选择有较大波瓣宽度的天线)。

Claims (8)

1、一种信号电平检测动态跟踪卫星天线，其特征在于所述的卫星天线包括卫星信号电平检测电路(1)与控制与数字信号处理机(7)相连接，所述的控制与数字信号处理机(7)的输出端分三路分别和俯仰控制电机与电机控制电路(3)、方位控制电机与电机控制电路(4)、横滚控制电机与电机控制电路(5)连接，所述的(3)、(4)、(5)的另一端经过机械传动与减速装置(6)以机械方式和卫星天线及馈电装置(2)相连接，而所述的(2)的另一端再和所述的(1)连接。
2、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于所述的卫星天线对卫星的搜寻和对准通过转动卫星天线及馈电装置(2)，并由卫星信号电平检测电路(1)测量不同位置上的卫星信号电平，由控制与数字信号处理机(7)来判断最大卫星信号电平的对应位置，最大卫星信号电平值所对应的天线俯仰角、方位角就是卫星所在位置对应的方向。
3、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于所述的卫星天线对卫星的动态跟踪通过摆动卫星天线及馈电装置(2)，由卫星信号电平检测电路(1)测得天线摆动带来的卫星信号电平的变化，由控制与数字信号处理机(7)通过电平的对比测出的卫星信号较强的天线转动方向，此方向就是由于载体移动带来的天线对准偏差方向，也是天线动态跟踪卫星和消除偏差所需要转动的方向，由控制与数字信号处理机(7)发出指令，通过俯仰控制电机与电机控制电路(3)、方位控制电机与电机控制电路(4)、横滚控制电机与电机控制电路(5)和机械传动与减速装置(6)控制天线的转动，从而实现天线的动态卫星跟踪。
4、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于所述的卫星天线与馈电装置(2)中的天线是反射型天线或平板型天线或波导裂缝阵类天线。
5、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于所述的卫星天线中，可省略其中的横滚控制电机与电机控制电路(5)，派生出的称为两轴动态跟踪卫星天线系统。
6、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于所述的卫星天线中，可省略其中的横滚控制电机与电机控制电路(5)和俯仰控制电机与电机控制电路(3)，派生出的称为单轴动态跟踪卫星天线系统。
7、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于在所述的卫星天线中利用天线的方向性来改善天线的跟踪能力，即基于卫星信号强度对天线转动角求导数而建立的天线对准误差角粗略模型方法来改善天线的跟踪能力，即如果用信号强度对天线转动角求导数，此导数值将随天线偏离的角度不同而变化，在天线轴心邻近区域内，天线轴心偏离信号入射方向角度越大，信号强度对此偏离角求导数后的斜率也越大，因而，将此斜率当作误差角的参考值使用，直接控制天线控制系统的高速转动，快速消除误差角，以改善天线的跟踪能力。
8、根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于在所述的卫星天线中采用卫星信号电平强度对时间求导数和此时间之前某一时刻对天线转动角度求导数，用此二导数作为共同参考值进行遮挡物判别而建立的遮挡物导数综合判别法，如果卫星信号突然减弱，卫星信号对时间的导数突然变大，但如果在此时前一刻卫星信号强度对天线转角求导得出的导数值并不大，则说明此时的前一刻天线并未有大的对准误差，因此，此次的卫星信号丢失是由于遮挡物遮挡引起的。
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