CN201387936Y - 移动载体卫星天线定向跟踪系统 - Google Patents

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叶自清
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Abstract

本实用新型公开了一种移动载体卫星天线定向跟踪系统，其特征在于，包括主控制器、GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机、天线以及用于驱动天线运动以跟踪卫星的驱动机构；所述的GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机和驱动机构均与所述的主控制器连接；所述的天线连接所述的驱动机构，所述的天线与所述的卫星信号接收机通信连接。所述的主控制器为工业控制计算机。所述的驱动机构包括方位步进电机、俯仰步进电机和极化步进电机。本实用新型采用数字罗盘HMR3000完成载体的姿态的测量，采用GPS接收机完成载体地理位置测量，并将数据采集卡检测到的信息传送到工控机进行处理，实现方案简单、成本低、跟踪效果好。

Description

移动载体卫星天线定向跟踪系统
技术领域
本实用新型属于通信与电子技术领域，涉及一种移动载体卫星天线定向跟踪系统。
背景技术
随着社会的发展和人民生活水平的提高，对移动载体卫星通讯系统装置的需求不断增加，比如在陆上或海上作长途旅行时为了收看卫星电视节目，需要安装车(船)载卫星通讯自动跟踪系统；海上气象卫星云图接收船等也必须依赖卫星通讯自动跟踪系统以有效地接受卫星信号；另外，在运钞车、消防车、野外作业车、地质和石油勘探车(船)等上面加载卫星通讯自动跟踪系统以提高这些行业的工作效率和安全性等。特别在林业中，随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作成为首要任务。目前在大兴安岭等许多重要林区已实现森林防火卫星静态监控，如采用移动载体卫星通讯技术，将会实现森林防火卫星动态监控，能大大提高防火效果。卫星天线自动跟踪系统主要用于车、船载移动卫星通讯中的天线跟踪定向，以保证天线能自动地对准指定的同步卫星，并在车(船)辆的各种运动状态下(高、低速、紧急启动、停止、转弯等)以及在各种气象、环境条件下始终高精度的对准卫星，实现卫星与车载天线之间的不间断通信。
在移动载体卫星通讯方面，迄今为止，世界上只有美国和以色列有相关产品。如美国TRACSTAR系统公司的2000L产品，该产品具有方位角为±360°、俯仰角为20度～70度的跟踪范围，能够在时速120公里的车上，以±0.2°的跟踪精度精确跟踪卫星。它们主要用于移动式卫星通讯和卫星电视接收，但其价格较昂贵。我国与国外存在较大差距，目前尚无实用的用于移动式卫星通讯自动跟踪系统的产品。虽有不少单位进行了该应用领域的研究，但由于姿态敏感元件的技术不过关，成本较高，致使该项技术的研究始终没有取得突破性的进展，没有形成实用性好的产品。在这些单位中，航天北控集团和重庆巴山仪器厂已经研制出一些功能样机，具备了初步的功能，但成本仍然偏高。据报道，我国南极考察船“雪龙”号“船载气象卫星云图接收系统”采用了由航天北控集团公司研制的船用卫星天线稳定跟踪平台。该平台利用GPS实时确定接收系统的地理位置，利用罗经敏感航向变化、利用惯性测量元件敏感船摇、通过计算机控制接收天线的指向，保证气象云图接收系统始终处于最佳接收状态。由重庆巴山仪器厂研制的移动卫星通讯系统，采用了计算机网络系统和巴山厂研制的卫星自跟踪系统，初步实现了在运动中卫星天线实时跟踪同步地球卫星，实现了载体在移动中宽带连续不间断通讯。但该产品造价昂贵，且还未正式规模化生产。
目前该领域主要有机械平台式与捷联式。机械平台式系统中，惯性元件(陀螺和加速度计)被安装在一物理平台上，利用陀螺通过伺服电机驱动稳定平台，从而实现定向控制。捷联式系统中，一种是IMU/GPS组合式，这是捷联惯导技术与全球定位系统相融合的导航方案。通过GPS接收机接收载体的方位信息，使用三个垂直安装的速率陀螺组合经过捷联惯导姿态解算软件跟踪天线平台的姿态变化，使用其它姿态传感器进行初始对准。此方案中陀螺的动静态性能和误差补偿方式将是影响精度的主要原因，可用于中等精度要求的场合。另外一种是全自主捷联惯导方案，使用高精度陀螺组合(动力调谐陀螺、激光陀螺或光纤陀螺)和加速度计作为姿态敏感元件，利用计算机的数学解析平台完全代替常平架稳定平台，通过姿态解算软件得出载体姿态、方位信息，不需要GPS信号的辅助，进行完全自主的惯性导航。可见，两种方案均需要根据惯性传感器提供的信号经过姿态解算之后提供载体的数学姿态平台，传感器的性能、价格和姿态解算软件的精度将对系统的稳定精度产生重大影响。总的说来，采用捷联式方案的造价较高，而且技术实现难度较大。
实用新型内容
本实用新型的要解决的技术问题是提供一种移动载体卫星天线定向跟踪系统。
本实用新型的技术方案如下：
一种移动载体卫星天线定向跟踪系统，其特征在于，包括主控制器、GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机、天线以及用于驱动天线运动以跟踪卫星的驱动机构；所述的GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机和驱动机构均与所述的主控制器连接；所述的天线连接所述的驱动机构，所述的天线与所述的卫星信号接收机通信连接。
所述的主控制器为工业控制计算机。
所述的驱动机构包括方位步进电机、俯仰步进电机和极化步进电机。
本实用新型的优点与效果：
本实用新型采用数字罗盘HMR3000完成载体的姿态(方位、俯仰及倾斜)的测量，采用GPS接收机完成载体地理位置的测量，并将数据采集卡检测到的信息传送到工控机进行处理。实现方案简单、成本低、跟踪效果好。与平台式系统相比，本系统去掉了实体平台，减少了机械零部件，减小了整个系统体积、重量和降低了制造成本。
采用数字罗盘和GPS组合，与捷联式系统相比，简化了系统结构和技术复杂性，提高了系统可靠性。
本系统的初始对准时间比较短，一般不超过10min；平台式惯导系统则需要20min左右。
本系统去掉实体平台，采用了“数学姿态平台”方式，使系统的维护比较简便，故障率较低，因而使用和维护费用较低。
附图说明
图1本实用新型的结构框图；
图2为实用新型实施例1中具体的结构原理框图；
图3为本实用新型实施例1中系统的工作流程图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种移动载体卫星天线定向跟踪系统，其特征在于，包括主控制器、GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机、天线以及用于驱动天线运动以跟踪卫星的驱动机构；所述的GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机和驱动机构均与所述的主控制器连接；所述的天线连接所述的驱动机构，所述的天线与所述的卫星信号接收机通信连接。所述的主控制器为工业控制计算机。所述的驱动机构包括方位步进电机、俯仰步进电机和极化步进电机。
本实用新型采用“罗盘稳定电平跟踪”控制方案，利用现有的姿态和航向传感器直接提供载体姿态信息，其基本思想是：通过接收GPS信号测得载体的方位信息，通过数字罗盘直接敏感载体的航向角、俯仰角和横滚角等姿态信息通过计算机的坐标变换和姿态解算得出天线平台的即时俯仰和方位角，通过天线伺服系统保持天线平台的稳定，控制流程如图3所示。天线稳定系统由位置姿态敏感器组合、伺服控制子系统、信号接收子系统、系统软件四个子系统组成，其原理框图如图2所示。
各部分完成的主要功能如下：
位置姿态敏感组合：  由全球定位系统GPS接收器和数字罗盘HMR3000组成，主要完成载体(船)的地理位置和姿态(方位、俯仰及倾斜)的测量并将数据采集卡检测到的信息传送到控制机进行处理。
伺服控制子系统：主要由工控机，运动控制器，步进电机及相应驱动器组成，接收控制计算机产生的控制信号，实现对天线的方位、俯仰角度的调节和跟踪控制。
信号接收子系统：由天线和卫星信号接收机(和终端显示器)组成，用于接收被锁定卫星上的信号，经处理后显示出来。
天线稳定系统的工作过程为：开启计算机，进入系统，打开数字罗盘电源，检查相关设备的工作状态。如上述工作过程正常，系统则进入操作软件LabWindows/CVI主操作界面，LabWindows/CVI主操作界面提示操作人员选定卫星型号、精度、纬度等必要信息。然后系统进入初始对准界面，由串口读出数字
罗盘显示的姿态信息和GPS提供的位置信息，交计算机进行处理，计算机根据姿态解算模块算出天线的对星方位和俯仰角。系统根据初始跟踪模块发出控制指令给运动控制器，驱动步进电机指向该角度。然后在电平搜索模块的提示下，用户输入电平搜索的范围、搜索步数和搜索电平截止电等，完成搜索后锁定该位置，将该位置作为平台稳定的目标位置。当载体开始运行时，进入自动跟踪界面，首先进行数字罗盘的零点标定，然后系统开始进入自动跟踪状态，同时在一定时间分配范围内进行最大电平跟踪和电机零点漂移的修正等工作。在自动跟踪状态下，操作人员随时可以中断系统的运行，选择其他卫星或关闭系统。
本系统具有以下功能：
(1)完成系统的初始化，VXD(虚拟设备驱动程序)的载入，中断的调用处理等。
(2)完成对数字罗盘和GPS信号接收以及对接收的信号的处理和提取。同时完成卫星参数输入、修改、删除和保存等编辑功能。已有卫星参数主要存放在一个数据文件之中，供用户在初始化之前从界面上选择或手工输入卫星参数。
(3)完成天线的初始对准和最大电平搜索功能。
(4)实时采集姿态敏感器信号和电平信号，实现自动稳定跟踪和最大电平跟踪。

Claims (2)

1.一种移动载体卫星天线定向跟踪系统，其特征在于，包括主控制器、GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机、天线以及用于驱动天线运动以跟踪卫星的驱动机构；所述的GPS接收机、数字罗盘、卫星信号接收机和驱动机构均与所述的主控制器连接；所述的天线连接所述的驱动机构，所述的天线与所述的卫星信号接收机通信连接。
2.根据权利要求1所述的移动载体卫星天线定向跟踪系统，其特征在于，所述的主控制器为工业控制计算机。
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