CN1897485A - 车载卫星通信天线自动寻星装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载卫星通信天线自动寻星装置，其天线组件中各伺服步进电机的并行口和主控板(12)的并行口连接，卫星全球定位系统(13)和电子罗盘(14)的串行口分别和主控板(12)的串行口连接，天线组件中变频器(4)的F型插头座通过电缆和卫星信号接收卡(10)的F型插头座连接，卫星信号接收卡(10)的两芯插座和卫星信号AGC电压接收卡(11)的两芯插座连接，卫星信号接收卡(10)的PCI接口和主控板(12)的PCI接口连接，卫星信号AGC电压接收卡(11)的并行口和主控板(12)的并行口连接，主控板(12)的并行口和卫星天线驱动器(8)的并行口连接，卫星天线驱动器(8)的驱动接口和天线组件中各伺服步进电机的驱动接口连接。

Description

车载卫星通信天线自动寻星装置

技术领域

本发明涉及一种卫星通信天线自动寻星装置，尤其涉及一种车载卫星通信天线自动寻星装置。

背景技术

目前，在卫星通信寻星方法中通常采用的是接收卫星信标信号的方法，调整天线的俯仰角、方位角和极化角来实现天线的最佳接收定位。在实际操作中信标信号带宽窄，不容易捕捉，容易受干扰，对系统的响应要求高。另外，往往用来卫星通信的寻星设备依据寻星方法而来，会采用信标信号接收器，这种信标信号接收器比较昂贵，成本是信道信号接收器的若干倍。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种利用信道信号进行自动寻星的车载卫星通信天线自动寻星装置。

一种车载卫星通信天线自动寻星装置，包含天线组件和天线控制组件，天线控制组件包含卫星天线驱动器、卫星天线控制器、全球定位系统、电子罗盘，上述卫星天线控制器包含卫星信号接收卡、卫星信号自动增益控制电压接收卡、主控板，天线组件中各伺服步进电机的并行口和主控板的并行口连接，卫星全球定位系统和电子罗盘的串行口分别和主控板的串行口连接，天线组件中变频器的F型插头座通过电缆和卫星信号接收卡的F型插头座连接，卫星信号接收卡的两芯插座和卫星信号自动增益控制电压接收卡的两芯插座连接，卫星信号接收卡的PCI接口和主控板的PCI接口连接，卫星信号自动增益控制电压接收卡的并行口和主控板的并行口连接，主控板的并行口和卫星天线驱动器的并行口连接，卫星天线驱动器的驱动接口和天线组件中各伺服步进电机的驱动接口连接。

本发明的工作原理如下：

本发明的卫星通信天线自动寻星装置，可以在两种模式下寻星，这两种模式是自动寻星模式和手动寻星模式，系统在自动寻星的同时保留手动寻星功能，因为卫星车所处的地点可能因为各种电磁环境的因素干扰，影响自动寻星的速度或者寻星的正确性，此时用手动寻星的方式可以人为地排除上述的干扰信号，确保寻星对信道的准确性。

天线卫星天线控制器是车载卫星通信天线自动寻星装置的核心控制单元，外接全球定位系统(以下简称GPS)，电子罗盘，卫星天线驱动器。卫星天线控制器包含卫星信号接收卡、卫星信号自动增益控制(AutomaticGain Control，以下简称AGC)电压接收卡、主控板，其主控板上含有PS/2接口，手柄控制器通过PS/2接口连接到卫星天线控制器上。在手动寻星模式下，卫星天线控制器可以接受来自手柄的指令，通过卫星天线控制器的内部软件程序对手柄控制器的命令进行解析，控制卫星天线驱动器，对天线组件实施控制，完成手动寻星模式下的动作。

卫星天线控制器的主控程序在功能上包含如下几大软件模块：

卫星信号接收模块：通过并口，采集卫星信号AGC电压接收卡的卫星信号AGC电压强度状态。

GPS信息接收模块：通过串行口，接收来自GPS的卫星定位信息，获得卫星车所在地的经纬度以及海拔高度数据，同时获得可见导航星的信息。

电子罗盘信息接收模块：通过串行口，接收来自电子罗盘的方位信息，获得卫星车及天线的方位、俯仰和横滚姿态数据。

限位探测模块：通过并口的控制位，探测来自四个限位开关信息：即方位的左右限位开关、俯仰的下限位开关、极化的左限位开关，起到极限限位保护作用。

信息发送模块：将系统采集到的卫星车的定位信息、卫星车的姿态、卫星信号强度等信息通过接口发送给手柄控制器。

命令接收模块：解释来自手柄控制器控制端的命令，通知主处理模块完成相应的操作。

接口模块：用于连接卫星天线控制器和手柄控制器的接口。

主计算模块：完成天线俯仰、方位、极化角的理论方位计算。完成天线运动步距的驱动，同时记忆天线运行路径路程。

电机驱动脉冲发送模块：接收来自主计算模块的控制信息，转化为控制步进电机的脉冲信号，本模块的关键是要精确控制脉冲时间和电机加速过程。脉冲信号通过并口的控制位发送数据。

主处理模块，是控制和连接上述模块的中枢。

手柄控制器的程序包含如下几大软件模块：

主处理模块：提供整个系统的控制界面，接收控制人员的控制指令，完成信息显示。

信息接收模块：接收并解释来自主控计算机的显示信息，通过主处理模块显示。

命令发送模块：完成控制命令编码，通过接口发送给卫星天线控制器。

在本发明的车载卫星通信天线自动寻星装置中，将上述的软件模块部分和硬件部分相结合，总结为以下的控制过程：

程序启动后，首先接收全球定位系统(GPS)信息，取得卫星车当前位置的信息，主要有经度、纬度和高度信息，然后，接收电子罗盘的数据，取得卫星车及天线的当前的姿态信息，主要有方位角、俯仰角和横滚姿态，自动的完成接收天线指向方位诸元的计算。

在自动寻星模式下，首先天线运行到计算的方向，检测AGC电压的数值，判别寻星信号的跟踪状态，若小于预定值，按照程序的设定通过卫星天线驱动器自动调整寻星驱动天线方向，作回字型搜索，每步距判读新的AGC电压数值，循环调整直至AGC电压数值超过预定阈值，然后再用十字交叉法扫描，以取得该信道信号的AGC电压最强点，最后调整极化角，将AGC电压数值保留在极值。此时寻星方位角、俯仰角、极化角状态最佳，同时显示的信号质量最大。

在手动寻星模式下，根据手柄控制器手柄上的信号质量(一般要求65％左右)的指示，用点动(0.1度/步距)或者连续的驱动方式，控制天线的指向方向，以期在手柄控制器显示器上指示信号强度为最大，作为寻星最佳状态的判断依据。此时，寻星结束。

通过探测来自天线组件中的方位伺服电机、俯仰伺服电机、极化伺服电机的四个限位开关信息，即方位的左右限位开关、俯仰的下限位开关、极化的左限位开关的信息，对天线运动保证在最合适的范围内进行。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

上述卫星信号接收卡采用通用的卫星数据接收卡，即信道信号接收器，接收来自天线组件变频器输出的L波段的信道信号，取出与此信道信号强弱相关的AGC电压数值，送入到卫星信号AGC电压接收卡，判断寻星的标志不是信标信号，而是信道信号，信道信号带宽宽，容易捕捉，速度快，系统要求低，不易受干扰，寻星可靠性高，能够实现快速地寻星。

另外，信道信号接收器的成本比信标信号接收器成本低，价格便宜若干倍。同时本发明在自动寻星的同时保留手动寻星功能，具有自动寻星模式和手动寻星模式两种工作方式，可以更加确保寻星对信道的准确性。

附图说明

图1是卫星通信天线自动寻星装置的电路框图。

图2是变频器连接说明图。

图3是极化伺服电机连接说明图。

图4是俯仰伺服电机连接说明图。

图5是方位伺服电机连接说明图。

图6是卫星天线驱动器连接说明图。

图7是卫星信号接收卡连接说明图。

图8是卫星信号AGC电压接收卡的连接说明图。

图9是主控板连接说明图。

图10是全球定位系统GPS的连接说明图。

图11是电子罗盘的连接说明图。

图12是卫星信号AGC电压接收卡的电原理框图。

图13是卫星信号AGC电压接收卡的电路图。

图14是自动寻星过程流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种车载卫星通信天线自动寻星装置，包含天线组件和天线控制组件，天线控制组件包含卫星天线驱动器8、卫星天线控制器9、全球定位系统13、电子罗盘14，上述卫星天线控制器9包含卫星信号接收卡10、卫星信号自动增益控制电压接收卡11、主控板12，天线组件中各伺服步进电机的并行口和主控板12的并行口连接，卫星全球定位系统13和电子罗盘14的串行口分别和主控板12的串行口连接，天线组件中变频器4的F型插头座通过电缆和卫星信号接收卡10的F型插头座连接，卫星信号接收卡10的两芯插座和卫星信号自动增益控制电压接收卡11的两芯插座连接，卫星信号接收卡10的PCI接口和主控板12的PCI接口连接，卫星信号自动增益控制电压接收卡11的并行口和主控板12的并行口连接，主控板12的并行口和卫星天线驱动器8的并行口连接，卫星天线驱动器8的驱动接口和天线组件中各伺服步进电机的驱动接口连接。

如图12所示，卫星信号自动增益控制电压接收卡11，包含集成放大器111、增益电平适配器112、微处理器113，其中微处理器113含A/D转换单元，上述卫星信号接收卡10的输出端接集成放大器111的同相输入端，集成放大器111的输出端通过增益电平适配器112反馈到集成放大器111的反相输入端，同时接微处理器113的输入端，从微处理器113的输出I/O端输出经A/D转换单元转换后的数字信号。

如图1所示，上述天线控制组件中还可包含手柄控制器15，上述卫星天线控制器9的主控板12上有PS/2接口，主控板12和手柄控制器15通过PS/2接口相连接。

在本发明中，天线组件包含天线机构(天线1、天线支架2、支架3)和天线伺服结构，天线伺服机构里包含方位伺服电机7、俯仰伺服电机6、极化伺服电机5，另外还包含变频器4。本装置要对伺服机构中的3个步进电机提供控制信号和电源，其中控制信号包括驱动脉冲、转动方向信号和脱机信号，本系统不使用脱机信号，电机始终处于被控状态。

上述天线伺服机构有四个限位开关信息，即变频器4的极化限位左信息、俯仰伺服电机的垂直限位下信息、方位伺服电机的方位限位左信息和方位限位右信息。限位开关的作用是防止机构运动越位。

变频器4(参照图2)接收天线机构的卫星天线Ku波段信号，其输出端41通过F型插头座连接卫星信号接收卡10，变频器的输出为L波段的信道信号。

极化伺服电机5(参照图3)，由并行控制口51输入驱动信号极化电机方向，并行控制口52输入驱动信号极化电机脉冲，并行控制口53输出限位开关信号采集极化限位左。

俯仰伺服电机6(参照图4)，并行控制口61输入驱动信号俯仰电机方向，并行控制口62输入驱动信号俯仰电机脉冲，并行控制口63输出限位开关信号采集垂直限位下。

方位伺服电机(参照图5)，由并行控制口71输入驱动信号方位电机方向，并行控制口72输入驱动信号方位电机脉冲，并行控制口73输出限位开关信号采集水平限位左，并行控制口74输出限位开关信号采集水平限位右。

卫星天线驱动器8(参照图6)，上述极化伺服电机5的输入端51与卫星天线驱动器8的驱动信号极化电机方向输出端88通过并口连接，实现确定极化伺服电机方向的控制；极化伺服电机5的输入端52与卫星天线驱动器8的驱动信号极化电机脉冲输出端89通过并口连接，实现步进驱动脉冲的传输；俯仰伺服电机的输入端61与卫星天线驱动器8的驱动信号俯仰电机方向输出端810通过并口连接，实现确定俯仰伺服电机方向的控制；俯仰伺服电机的输入端62与卫星天线驱动器8的驱动信号俯仰电机脉冲输出端811通过并口连接，实现步进驱动脉冲的传输；方位伺服电机的输入端71与卫星天线驱动器8的驱动信号方位电机方向输出端812通过并口连接，实现确定方位伺服电机方向的控制，方位伺服电机的输入端72与卫星天线驱动器8的驱动信号方位电机脉冲输出端813通过并口连接，实现步进驱动脉冲的传输。

卫星信号接收卡10(参照图7)，卫星信号接收卡10的输入端107与变频器4的输出端41通过F型插头座连接，接收来自卫星信道(Ku波段)经过天线组件中变频器的L波段的信道信号，输出端106输出上述信道信号的AGC电压。卫星信号接收卡10上含有PCI标准接口，此PCI标准接口和主控板12上的PCI接口相连接。本发明中卫星信号接收卡10采用通用卫星数据接收卡，如深圳经天320卡、上海南广卡等等。

卫星信号AGC电压接受卡11(如图8所示)，其输入端107和卫星信号接收卡10的输出端106相接，其输出端L111、L112、L113、L114、L115、L116为6芯数据线，通过并口与主控板12相连接；其输出端1109、1110、1111、1112接信号质量指示LED灯，其输出端1113、1114接程序状态指示灯和寻星状态指示灯。卫星信号AGC电压接收卡11具体电路图如图13所示，其增益电平适配器112由两个固定电阻R5、R4和一个可变电阻R11串联连接组成，可变电阻R11的活动端接R1的一端，R1的另一端接集成放大器111的同相输入端，同时可变电阻的活动端接R2的一端，R2的另一端接集成放大器111的反相输入端，集成放大器111的输出端通过电阻R3连接集成放大器反相输入端，同时集成放大器的输出端还连接微处理器113的A/D输入端。

主控板(参照图9)，极化伺服电机5的限位开关信号采集极化限位左方向的输出端53与主控板12的输入端1227通过并口连接，实现了对极化伺服机构的保护作用；俯仰伺服电机6的限位开关信号采集垂直限位下方位输出端63与主控板12的输入端1228通过并口连接，实现了对天线伺服机构的保护作用；方位伺服电机7的限位开关信号采集方位限位左方向输出端73与主控板12的输入端1229通过并口连接，方位伺服电机7的限位开关信号采集方位限位右方向输出端74与主控板12的输入端1230通过并口连接，实现了对天线伺服机构的保护；卫星天线驱动器8的并口输出端81与主控板输入端127连接并接地，卫星天线驱动器8的输入端82、83、84、85、86、87通过并口分别与主控板12的俯仰电机脉冲信号输出端126、俯仰电机方向信号输出端125、水平电机脉冲信号输出端124、水平电机方向信号输出端123、极化电机脉冲信号输出端122、极化电机方向信号输出端121通过并口连接，实现了对天线伺服机构中俯仰、极化、方向的驱动控制传递。卫星信号AGC电压接收卡11输出端L111、L112、L113、L114、L115、L116通过并口与主控板12的输入端1221、1220、1219、1218、1217、1216连接，卫星信号接收卡10的PCI接口与主控板12的PCI接口相连接。主控板的输入端1231、1232是串行口，1233是RS/2接口。主控板要求采用实时控制系统，对时间控制的精度在单一脉冲时间内要求达到50微秒，每100个脉冲的平均精度要求为1微秒。

为了达到精确控制的要求，主控板12采用通用电脑主板，如Intel主板、华硕主板等。

全球定位系统(GPS)13(如图10)通过RS232串行口131将卫星车当前位置(包括经度、纬度、高度)传输到主控板12的RS232输入端1231。上述GPS系统如可采用ITrax02。

电子罗盘14(如图11)通过RS232串行接口141将天线状态信息(包括方位角、俯仰角、横滚角)传输到主控计算机主控板12的RS232输入端1232，电子罗盘如可采用三维电子罗盘LP3300。

下面，参照图14，阐述本发明的自动寻星模式下的寻星过程：

1、当车到达目标位置停止后，主控板12进行初始化，即停止所有伺服步进电机的动作。

2、主控板12通过全球定位系统(GPS)13，得到卫星车的位置信息，包括经度、纬度及高度信息。

3、主控板12通过电子罗盘14得到卫星车及天线的方位信息，包括方位、俯仰和横滚姿态数据。

4、主控板12的主计算模块按照如下计算公式：

$E={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\frac{r}{R}}{\sqrt{1-{\left(\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\right)}^2}}\right]$

$A={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\mathrm{tg\α}}{\sin \mathrm{\β}}$

P＝tg-1(sinα/tgβ)计算出天线俯仰角、方位角、极化角的理论位置值，其中α＝(车所在地经度Φ2-卫星地点经度Φ1)；β为车所在纬度；r为地球半径；R为同步轨道半径；A为方位角；E为俯仰角；P为极化角。

5、主控板12根据天线俯仰角的理论位置值，计算俯仰脉冲数，驱动卫星天线驱动器8使天线指向俯仰角的理论位置。

这一步骤是因为通过发明人通过多次实验测得，俯仰方向上的干扰最小，水平相对稳定，误差不超过±1°。

6、主控板12根据天线方位角的理论位置值，计算方位脉冲数，驱动卫星天线驱动器8使天线指向方位的理论位置。这里发明人采用先使天线指向俯仰角的理论位置，再使天线指向方位角的理论位置的原因在于方位方向最易受干扰，受地磁环境影响较大，不确定因素较多，而俯仰方向干扰较小，相对比较稳定。

7、在天线到达预定理论位置后，检测AGC电压的强度，先作回字型搜索，再作十字型扫描，求得卫星信号AGC电压的最大值位置点。

由卫星信号AGC电压接收卡实时地采集AGC电压，向主控板12传输，主控板控制天线作回字型扫描，即先控制天线进行水平方向的扫描，如果AGC电压超过电压的预定阈值，则记录下AGC电压的阈值位置，如果未超过AGC电压的预定阈值，则控制天线在俯仰方向上移动一个步距，再继续进行水平扫描，如此循环下去，直至AGC电压到达阈值。找到超过阈值的位置后，再在该地点进行十字型扫描，即先进行天线的水平扫描，记录下该AGC电压最大值位置，天线移动到水平方向的卫星信道信号的最强点位置，再进行垂直扫描，记录下AGC电压最大值位置，天线移动到俯仰方向的卫星信道信号的最强点位置。当天线俯仰角和方位角的完成最佳调整后，再进行极化角的调整，这是因为极化角的方向最不敏感。此时寻星方位角、俯仰角、极化角状态最佳，同时显示的信号质量最大。自动寻星过程结束。

手动寻星过程和上述自动寻星过程相似，通过手柄控制器手动地控制天线找到卫星信道信号的最强点位置。

Claims (3)

1、一种车载卫星通信天线自动寻星装置，包含天线组件和天线控制组件，天线控制组件包含卫星天线驱动器(8)、卫星天线控制器(9)、全球定位系统(13)、电子罗盘(14)，其特征在于，

上述卫星天线控制器(9)包含卫星信号接收卡(10)、卫星信号自动增益控制电压接收卡(11)、主控板(12)，天线组件中各伺服步进电机的并行口和主控板(12)的并行口连接，卫星全球定位系统(13)和电子罗盘(14)的串行口分别和主控板12的串行口连接，天线组件中变频器(4)的F型插头座通过电缆和卫星信号接收卡(10)的F型插头座连接，卫星信号接收卡(10)的两芯插座和卫星信号自动增益控制电压接收卡(11)的两芯插座连接，卫星信号接收卡(10)的PCI接口和主控板(12)的PCI接口连接，卫星信号自动增益控制电压接收卡(11)的并行口和主控板(12)的并行口连接，主控板(12)的并行口和卫星天线驱动器(8)的并行口连接，卫星天线驱动器(8)的驱动接口和天线组件中各伺服步进电机的驱动接口连接。

2、根据权利要求1所述的车载卫星通信天线自动寻星装置，其特征在于，

卫星信号自动增益控制电压接收卡(11)，包含集成放大器(111)、增益电平适配器(112)、微处理器(113)，其中微处理器(113)含A/D转换单元，上述卫星信号接收卡(10)的输出端接集成放大器(111)的同相输入端，集成放大器(111)的输出端通过增益电平适配器(112)反馈到集成放大器(111)的反相输入端，同时接微处理器(113)的输入端，从微处理器(113)的输出I/O端输出经A/D转换单元转换后的数字信号。

3、根据权利要求1所述的车载卫星通信天线自动寻星装置，其特征在于，

上述天线控制组件中还可包含手柄控制器(15)，上述卫星天线控制器(9)的主控板(12)上有PS/2接口，主控板(12)和手柄控制器(15)通过PS/2接口相连接。

Images