CN1778013A - 平面移动天线跟踪系统 - Google Patents

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CN1778013A
CN1778013A CNA2004800106316A CN200480010631A CN1778013A CN 1778013 A CN1778013 A CN 1778013A CN A2004800106316 A CNA2004800106316 A CN A2004800106316A CN 200480010631 A CN200480010631 A CN 200480010631A CN 1778013 A CN1778013 A CN 1778013A
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赫里斯托·普洛达诺夫
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Abstract

一种平面移动天线跟踪系统，包含：角速度传感器(1)，检测天线围绕其轴的旋转；根据垂直轴以检测天线定向用的传感器(2)；控制模块(3)，与传感器(1，2)的输出端并与驱动电路(4)和天线波束控制模块(5)的输入端相连接，计算对于天线波束方向必需的校正值；至少一个电机(7)，与驱动电路(4)的输出相连接，驱动天线平板(8)，以改变天线的定向；电子波束导向模块(5)，与天线平板(8)相连接；以及，电源电路，将车辆上电力网络给出的电压转换到合适的电压值上，作为跟踪系统内全部电路的电源。

Description

平面移动天线跟踪系统
技术领域
本发明涉及一种平面天线用的跟踪系统，天线能够安装在行驶的车辆和平台上，提供由卫星传输的电视，互联网和其他通信信号，天线对卫星的跟踪为组合方式，在一个轴上是机械式的对准，在另一个轴上是电子式的波束导向。
背景技术
为接收卫星来的信号，安装在行驶车辆上的天线应保持其定向，以使得总能指向卫星接收其波束。为此，配备机械和/或波束导向的天线要求工作在跟踪系统的控制下，跟踪系统对车辆定向的变化(或者天线指向的变化)作出反应，向电机或者波束控制用的电路部分发出指令，在波束方向上实施必需的校正。大多数情况下，此类跟踪系统包括角速度传感器(速率陀螺仪)，它基于石英、压电晶体或微电子机械(MEMS)技术。它们的优点是价格便宜，但是，温度变化、线性加速度和其他因素会使它们的偏置和比例系数产生较大的误差。因此，应用此类传感器的不同跟踪系统中有一个关键问题，就是如何用测得的接收信号强度以不同的方法校正天线定向和陀螺仪误差。最广泛应用的方法是对于估计的卫星对准方向在其周围一个小区域内进行机械扫描和单脉冲方法。
美国专利US Pat No.6,191,734中公开一种系统，它应用组合的方位角机械控制和借助移相器的波束仰角电子导向。借助于附加的移相器，可以在小角度内得到两个轴上的波束倾斜量，从而达到较高的扫描速率。该公开的系统的缺点是需要附加的移相器，这使得系统较为复杂和费用高。并且，跟踪系统不对陀螺仪误差进行估值，因此，当信号路径被障碍物阻挡后的短时间内，天线会失去其方向。
美国专利US Pat No.5,900,836中说明一种机械驱动式天线，其跟踪系统指令天线在给定方向内旋转，同时检测信号强度有否减小，随后，使天线的运动方向相反。在特定的时间段内，将两个方向上的移动进行平均，以此应用于校正陀螺仪的偏置。用于机械驱动系统有大的等待时间，故此种系统中数据平均的时间比较长，这意味着陀螺仪偏置校正有大的延时。并且，当小的障碍物虽然未完全阻断信号但使信号强度有短时间的减小时，这种信号起伏将影响该系统。
美国专利US Pat No.5,309,162中提供一种系统，其中，对每个轴的电机控制是用两个天线平板上接收信号间的相位差实现的。该系统不采用定向传感器，因此，当信号的接收被障碍物中断时，它不能保持天线的定向。
发明内容
本发明的目的是提供一种价格低的跟踪系统，安装该系统的车辆不论怎样行驶，总体保持天线波束对准选定的卫星方向。又可以做到，即使由于诸如建筑物、树木、隧道、桥梁和小山等不透射无线电波的障碍物暂时地阻断信号，在此期间也能保持天线定向。
为到达按照本发明之目的的这些和其他的优点，在平板移动天线跟踪系统中包含：
角速度传感器(速率陀螺仪)；
测量天线相对于垂直轴定向用的传感器(倾斜仪)；
控制模块，根据上述传感器的测量值，它计算必需的天线波束方向校正；
至少一个电机，用于改变天线定向；
驱动电路，驱动电机使天线对准卫星方向；
电子波束导向模块；以及
电源模块，将车辆上电力网络给出的电压转换到合适的电压值上，作为跟踪系统内全部电路的电源。
可取地，对角速度使用三个传感器，它们固定于天线平板上，每一个的安装平行于直角坐标系统的一个轴。
可取地，在实施正向坐标变换的场合下，可得到天线波束方位角和仰角必需的校正值，在反向坐标变换的场合下，可得到陀螺仪偏置的校正值。
该跟踪系统的一种特定的变型中，将两个陀螺仪的轴安排在仰角平面内，而第三个陀螺仪的轴与该平面正交。
可取地，天线平板在天线波束的一个偏斜轴上以小角度机械地移动，同时，天线波束的位置依靠电子方式控制在另一个轴的固定位置上，在紧靠近卫星方向的两个或多个位置上测得的信号强度应用来计算陀螺仪偏置的校正值和调整天线波束的定向。
可取地，在此场合下这样地控制天线波束，使其在最靠近卫星的方向上以固定位置停留较长的时间，同时以短得多的时间切换到固定位置的邻旁，由此保持平均信号强度尽量高。
可取地，对于具有水平轴或接收水平面之轴的陀螺仪，实施附加的偏置补偿。
实施此种补偿的一种可能变型是按照一个给定的时间段，对于具有水平轴或接近水平面之轴的任一个陀螺仪传感器，将其输出值积分，如果积分结果为正，则在正方向上校正相应的陀螺仪的偏置，若积分结果为负，则在负方向上校正偏置。
此种补偿的另一种可能变型是将两个陀螺仪的输出信号变换成处于水平面内的角速度矢量，对它们的区段进行积分以得到两个陀螺仪轴的倾角，这两个倾角与两个测量上述陀螺仪轴倾斜角的倾斜传感器(倾斜仪)之输出信号进行比较，将比较的结果应用来调整上述陀螺仪的偏置估值。
按照本发明的跟踪系统的优点是：可应用低价的传感器；减小陀螺仪误差时跟踪误差的影响；在天线波束定向中随着天线的机械移动同时比较测得的接收信号程度，可改进陀螺仪误差的校正速度；使天线波束较长时间保持于靠近卫星的方向上，改进了信号的平均信噪比(SNR)。
附图说明
图1示明按照本发明的跟踪系统方框图；
图2示明在直角坐标系统中固定于天线单板上的陀螺仪的定向；
图3示明固定于天线平板上的倾斜传感器对于直角坐标系统轴的定向，以及它们在水平面上的投影；
图4示明在固定于天线平板上的直角坐标系统中，三个轴上对应的角速度矢量；
图5示明按照本发明的跟踪系统所实现的一种控制电路形式；
图6的方框图示明对于具有靠近水平的轴的陀螺仪，一种对它的偏置值实施补偿的电路形式；以及
图7的方框图示明对于具有靠近水平面的轴的两个陀螺仪，另一种对偏置值实施补偿的电路形式。
具体实施方式
图1示明按照本发明，一种可能的跟踪系统实施方式，它包含：角速度传感器(速率陀螺仪)1；倾斜传感器2；控制电路3；驱动电路4；电机7；电子波束控制电路5；带有电子波束导向的天线平板8；下变换器9；定向耦合器10；解码电路11；以及，射频检测器6。
陀螺仪传感器1的输出和倾斜传感器2的输出馈入控制电路3，射频检测器6和接收信号解码电路11的输出也输入控制电路3。控制电路3的一路输出馈至电子波束控制电路5的输入端，同时，另一路输出馈至驱动电路4的输入端，驱动电路4的输出馈入电机7，由电机7驱动天线平板8运动。天线平板8的输出馈至下变换器9的输入端，下变换器9的输出通过定向耦合器10传输至射频检测器6和解码电路11的输入端。
角速度传感器例如可以是基于石英、压电晶体、MEMS或另外技术的固态陀螺仪。它们固定于天线平板8上，提供与围绕特定轴旋转的陀螺仪转速成比例的信号。本实施例中，使用三个陀螺仪1a、1b和1c(图2)，它们与固定于天线平板8上的直角坐标系统Oxyz的轴共线。
倾斜传感器2可以是基于液体或基于其他原理的装置，它们能电子测量天线平板8相对于水平面的倾斜。在本实施例中使用固定于天线平板8上的两个倾斜传感器2a和2b(图3)，可以使用两轴传感器测量天线平板两个轴相对于水平面的倾斜。最好，这两轴与陀螺仪1a和1b的两个轴一致，可以简化控制电路的数据处理。
图5的方框图示明跟踪卫星期间控制电路执行的数据处理。陀螺仪1a来的输出信号馈至减法电路12的第一输入端，偏置存储器13来的输出信号ωxo馈至减法电路12的第二输入端。陀螺仪1b来的输出信号馈至减法电路14的第一输入端，偏置存储器15来的输出信号ωyo馈至减法电路14的第二输入端。陀螺仪1c来的输出信号馈至减法电路16的第一输入端，偏置存储器17来的输出信号ωzo馈至减法电路16的第二输入端。减法电路12、14和16的输出信号馈至正向坐标变换电路18的输入端。正向坐标变换电路18的第一输出馈至加法电路19的第一输入端，比例系数电路20的输出馈至加法电路19的第二输入端。正向坐标变换电路18的第二输出馈至加法电路21的第一输入端，比例系数电路22的输出馈至加法电路21的第二输入端。加法电路19的输出馈至积分器23的输入端，积分器23的输出馈至减法电路24的第一输入端，方位角扫描电路25的输出馈至减法电路24的第二输入端。减法电路24的输出馈至电机控制电路26的输入端，控制电路26的输出馈至驱动电路4的输入端。加法电路21的输出馈至积分器27的输入端，积分器27的输出馈至波束选择电路28的输入端。波束选择电路28的输出馈至电子波束控制电路5的输入端。
射频检测器6来的信号馈至切换电路29的输入端、信号失落检测器30的输入端如符号反射电路31的输入端。切换电路29的第一输出馈至第一波束存储器32的输入端，其第二输出馈至第二波束存储器33的输入端。第一波束存储器32的输出馈至计算电路34的第一输入端，第二波束存储器33的输出馈至计算电路34的第二输入端。计算电路34的输出馈至减法电路35的第一输入端，积分器27的输出馈至减法电路35的第二输入端。减法电路35的输出馈至反向坐标变换电路36的第一输入端。
符号反转电路31的输出馈至积分器37的输入端，积分器37的输出馈至存储器38的输入端。存储器38的输出馈至反向坐标变换电路36的第二输入端。反向坐标变换电路36的第一输出馈至符号检测电路39的输入端，符号检测电路39的输出馈至比例系数电路40的输入端。反向坐标变换电路36的第二给出馈至符号检测电路41的输入端，符号检测电路41的输出馈至比例系数电路42的输入端。反向坐标变换电路36的第三输出馈至符号检测电路43的输入端，符号检测电路43的输出馈至比例系数电路44的输入端。
比例系数电路40的输出馈至减法电路45的第二输入端，偏置存储器13的输出ωxo馈至减法电路45的第一输入端。减法电路45的输出馈至偏置存储器13的输入端。比例系数电路42的输出馈至减法电路46的第二输入端，偏置存储器15的输出ωyo馈至减法电路46的第一输入端。减法电路46的输出馈至偏置存储器15的输入端。比例系数电路44的输出馈至减法电路47的第二输入端，偏置存储器17的输出ωzo馈至减法电路47的第一输入端。减法电路47的输出馈至偏置存储器17的输入端。
图6的方框图示明对于具有靠近水平面的轴的陀螺仪1a，附加的偏置补偿电路。在陀螺仪16上使用类似的偏置补偿电路。陀螺仪1a的输出信号馈至减法电路48的第一输入端，偏置存储器13的输出ωxo馈至减法电路48的第二输入端。减法电路48的输出馈至积分器49的信号输入端，定时电路50的第一输出馈至积分器49的复位输入端。积分器49的输出馈至符号检测电路51输入端，符号检测电路51的输出馈至比例系数电路52的输入端。比例系数电路52的输出馈至切换电路53的信号输入端，定时电路50的第二输出馈至切换电路53的控制输入端。切换电路53的输出馈至加法电路54的第一输入端，偏置存储器13的输出ωxo馈至加法电路54的第二输入端。加法电路54的输出馈至偏置存储器13的输入端。
图7的方框图示明对于具有靠近水平面的轴的陀螺仪1a和1b，另一种附加的偏置补偿电路。陀螺仪1a的输出ωx馈至减法电路55的第一输入端，偏置存储器13的输出ωxo馈至减法电路55的第二输入端。减法电路55的输出馈至第一坐标变换电路56的第一输入端，积分器57的输出馈至第一坐标变换电路56的第二输入端。第一坐标变换电路56的输出馈至加法电路58的第一输入端，比例系数电路59的输出馈至加法电路58的第二输入端。加法电路59的输出馈至积分器60的输入端。倾斜仪2b的输出馈至减法电路61的第一输入端，积分器60的输出馈至减法电路61的第二输入端。减法电路61的输出馈至比例系数电路59和62的输入端。偏置存储器13的输出ωxo馈至减法电路63的第一输入端，比例系数电路62的输出馈至减法电路63的第二输入端。减法电路63的输出馈至偏置存储器13的输入端。
陀螺仪1b的输出ωy馈至减法电路64的第一输入端，偏置存储器15的输出ωyo馈至减法电路64的第二输入端。减法电路64的输出馈至第二坐标变换电路65的第一输入端，积分器60的输出馈至第二坐标变换电路65的第二输入端，第二坐标变电路65的输出馈至加法电路66的第一输入端，比例系数电路67的输出馈至加法电路66的第二输入端。加法电路66的输出馈至积分器57的输入端。倾斜仪2a的输出馈至减法电路68的第一输入端，积分器57的输出馈至减法电路68的第二输入端。减法电路68的输出馈至比例系数电路67和69的输入端。偏置存储器15的输出馈至减法电路70的第一输入端，比例系数电路69的输出馈至减法电路70的第二输入端。减法电路70的输出馈至偏置存储器15的输入端。
按照本发明的跟踪系统，如下地工作：
图1中的控制模块3有两种工作模式，即捕获和跟踪。捕获工作模式期间，指令电机7以特定的速度使天线平板8围绕垂直轴旋转。与此同时，电子波束控制电路5不断地切换天线波束以覆盖整个的天线视场，另一方面，由射频检测器6测量接收信号的强度。所述动作连续进行，直至找到局部的最大信号强度。随后，解码电路11从接收信号传送流中读出识别数据，由控制电路3将它与规定值进行比较。如果接收数据与规定值不匹配，则控制电路3继续实施捕获模式。当识别数据与内部值匹配时，控制电路3进入跟踪模式。在此模式中，控制电路3应用陀螺仪电路1和射频检测器6来的信号计算朝卫星方向定向时天线平板上的波束强度变化，对驱动电路4和电子波束控制电路5发出必需的控制信号，使天线波束始终保持对准卫星方向。
工作过程详细说明于下，参见图5。
从第一陀螺仪1a来的信号值ωx中减去偏置存储器13内的初始值ωxo。偏置存储器13内包含的初始值ωxo。可以在静止状态期间测量陀螺仪的信号来得到，或者可以从预先制备的表中读出，表内给出有特定的陀螺仪的偏置与温度间的关系。对于陀螺仪1b和1c来的输出信号ωy和ωz作同样的运算。得到的补偿信号对应于天线平板相对于直角坐标系统Oxyz中三个轴的角速度，标记为ω’x、ω’y和ω’z(图4)。这三个值由正向坐标变换电路18变换成与坐标系统Oxsz中三个轴共线的角速度，这里，s是一个指向卫星的矢量。结果，在仰角轴和方位角轴上得到两者的角速度ωθ和ω。借助于积分器23和27对它们进行积分，可得到天线平板轴同卫星方向之间的方位角偏斜4和仰角偏斜θ。方位角扫描电路25产生小幅度和低频率的正弦信号，在减法电路24内从方位角中减去该正弦信号，得到的差值信号由电机控制电路26进行处理，使方位角保持大致等于方位角扫描电路25的输出信号。结果，电机7会驱动天线平板围绕期望的卫星方位角缓慢摆动。
符号反转电路31在方位角扫描电路25产生的正弦信号同步下使射频检测器6来的信号通过它，通过时或是不反转或是反转信号的极性，正弦信号为负时，反转射频检测器6来的信号的极性，正弦信号为正时，它不变化地通过。符号反转电路31输出的最终信号由积分器37在方位角扫描电路35产生的信号的一个正弦波周期内进行积分。正弦波周期结束时，积分的结果存储入存储器38，积分器37的数值复位。存储于存储器38内的该结果应用作为天线平板定向上的方位角误差ε。在比例系数电路20内对方位角误差ε以某个系数进行缩放，再在加法电路19中加到方位角角速度ω上。
波束选择电路28确定出两个最靠近估计的仰角θ的波束。同估计的仰角θ具有最小距离的波束可认为是主波束，而另一个波束则为副波束。波束选择电路28对电子波束控制电路5发出指令，以使得用长的时间选择主波束，而用短的时间选择副波束，做到能在主波束方向上充分地测量信号强度。波束选择电路28使切换电路29同步地切换波束，因而主波束的信号强度存储入第一波束存储器32，副波束的信号强度存储入第二波束存储器33。两个波束存储器32和33内存储的数值由计算电路34应用来计算天线平板朝向卫星的实际仰角θRSSI。减法电路35产生实际仰角θRSSI与陀螺仪测量得到的仰角θ之间的差值，由此给出求得的仰角误差εθ。在比例系数电路22内对仰角误差εθ以某个系数进行缩放，再在加法电路21中加到仰角角速度ωθ上。
反向坐标变换电路36将这两个误差角变换成三个分量，它们分别与直角坐标系统Oxyz中的三个轴Ox、Oy和Oz共线(图4)。三个分量之每一个由各别对应的符号检测器(分别为39、41和43)进行处理，相应的分量为正时符号检测器给出+1值，在负分量的情况下则给出-1值。三个符号检测器39、41和43的输出值在相应的比例系数电路40、42和44内缩放，结果给出需要对三个陀螺仪的偏置施加校正的量εx、εy和εz。在各别的减法电路45、46和47内，将各别的偏置存储器13、15和17的输出值分别减去相应的校正值εx、εy和εz。相减的结果存储回到原来的各偏置存储器内。
信号失落检测器30检验接收信号的强度。当接收信号强度下降到低于规定的门限值时，将误差值ε、εθ清零，以防止由于在天线与卫星之间的某种障碍物使信号接收中断期间检测信号中噪声的影响，使ωxo、ωyo、ωzo、和θ值发生变化。此种情况下，仅仅由陀螺仪信号控制天线波束定向。
根据在围绕估计的卫星方向的不同点上测量的信号强度，所说明的算法能够计算两个独立的误差值ε、εθ。然而，在反向坐标变换中，对于三个特定的陀螺仪1a、1b和1c的校正值εx、εy和εz并无单一的求解方法。为解决该模糊性，对于它们的轴靠近水平面的陀螺仪1a和1b施加附加的偏置校正。
图6上示明一个进行此种校正的电路框图，它不使用附加的传感器。在减法电路48内，使陀螺仪1a来的输出信号减去偏置存储器13内存储的值ωxo，结果给出校正的信号ω’x。进一步，在积分器49内以定时器50确定的一个周期时间进行积分。当积分的结果为正值时，符号检测器51产生+1作为输出信号，而在积分结果为负值的场合下产生-1作为输出信号。在比例系数电路52内，对得到的输出信号值乘以某一个系数，当积分周期结束时通过切换电路53馈至加法电路54上，在那里与偏置存储器13内存储的数值相加。相加的结果存储回到偏置存储器13中。积分周期结束时，定时器50使积分器49的值复位。上述工作的结果，存储的偏置值ωxo按向上或向下的方向更新数值，直至积分器49输出正值的周期数等于输出负值的周期数。在陀螺仪1b上运行同样的工作。
图7上示明应用倾斜仪的另一种电路框图，对它们的轴靠近水平面的陀螺仪1a和1b进行偏置校正。在减法电路55内，使陀螺仪1a来的输出信号减去偏置存储器13内存储的值ωxo，结果给出校正的信号ω’x。应用坐标变换电路56将该信号变换成其矢量与倾斜仪2b的传感轴共线的角速度，该传感轴可测量轴Oy相对于水平面的倾斜。进一步，积分器60将变换出的角速度进行积分。在减法电路61内，该积分的结果与倾斜仪2b来的信号进行比较，得到的差值在比例系数电路59和62内乘以一定的系数。比例系数电路59的输出通过加法电路58用以对坐标变换电路56的输出进行校正，而比例系数电路62的输出用于在减法电路63内供偏置存储器13内存储的值减去该输出值。
对陀螺仪1b来的信号实施类同的处理。在减法电路64内，使陀螺仪1b来的输出信号减法偏置存储器15内存储的值ωyo，结果给出校正的信号ω′y。应用坐标变换电路65将该信号变换成其矢量与倾斜仪2a的传感轴共线的角速度，该传感轴可测量轴Ox相对于水平面的倾斜。进一步，积分器57将变换出的角速度进行积分。在减法电路68内，该积分的结果与倾斜仪2a来的信号进行比较，得到的差值在比例系数电路67和69内乘以一定的系数。比例系数电路67的输出通过加法电路66用以对坐标变换电路65的输出进行校正，而比例系数电路69的输出用于在减法电路70内供偏置存储器15内存储的值减去该输出值。

Claims (9)

1.一种平面移动天线用的跟踪系统，包括：
角速度传感器(1)，检测天线围绕其轴的旋转；
检测天线相对于垂直轴倾斜用的传感器(2)；
控制模块(3)，与传感器(1，2)的输出端及驱动电路(4)和电子波束控制电路(5)的输入端相连接，计算天线波束定向上必需的校正；
至少一个电机(7)，与驱动电路(4)的输出和天线平板(8)相连接，改变天线的定向；
电子波束控制模块(5)，与天线平板(8)相连接；以及，
电源模块，将车辆上电力网络给出的电压转换到合适的电压值上，作为跟踪系统内全部电路的电源。
2.权利要求1的跟踪系统，其中，使用固定于天线平板(8)上的三个角速度传感器(1a、1b和1c)，它们与直角坐标系统中的三个轴共线。
3.权利要求2的跟踪系统，其中，应用传感器(1a、1b和1c)给出的信息，实施正向坐标变换以得到对于天线平板(8)必需的方位角和仰角校正，并实施反向坐标变换以对角速度传感器(1a、1b和1c)的偏置施加校正。
4.权利要求2的跟踪系统，其中，两个角速度传感器的轴处于天线平板(8)上波束呈倾斜的平面内，而第三个角速度传感器的轴与该平面正交。
5.权利要求1的跟踪系统，其中，天线平板(8)在一个轴上实施机械扫描，在另一个轴上由电子控制使天线波束定位于固定位置上，并应用在对准卫星的紧邻方向内于两个或多个位置上得到的信号强度来计算角速度传感器(1a、1b和1c)的偏置校正，并且由电子波束控制模块(5)精细调整天线波束的定向。
6.权利要求5的跟踪系统，其中，电子波束控制模块(5)使天线波束在最靠近当前卫星的方向上保持最大可容许的时间，而在相邻位置上以最小时间保持天线波束方向，以便做到接收信号平均强度的下降最小。
7.权利要求1的跟踪系统，其中，对于它们的轴所处的平面与水平面共平面或者接近共平面的角速度传感器(1a，1b)，实施附加的偏置校正。
8.权利要求7的跟踪系统，其中，它们的轴所处的平面与水平面共平面或者接近共平面的角速度传感器(1a，1b)的输出值，在一定的时间段内进行积分，当积分结果为正时，对相应的传感器(1a，1b)的偏置在正值方向以一定步级进行校正，当积分结果为负时，对相应的传感器(1a，1b)的偏置在负值方向以一定的步级进行校正。
9.权利要求7的跟踪系统，其中，它们的轴所处的平面与水平面共平面或者接近共平面的角速度传感器(1a，1b)的输出值变换成其矢量位于水平面内的角速度，对角速度进行积分以得到所述角速度传感器轴的倾斜角，并将得到的倾斜角与能感知所述轴相对于水平面倾斜的倾斜仪(2)给出的测量值进行比较，比较的结果应用来调整所述角速度传感器(1a，1b)的偏置。
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