CN202189894U - 圆锥电子扫描跟踪系统 - Google Patents

Abstract

一种圆锥电子扫描跟踪系统，包括：发射机，收发双工，接收机，检波器，误差调节器，基准信号产生器，圆锥扫描电机，伺服控制系统，发射机与收发双工相连接，收发双工与馈线相连，收发双工连接接收机，接收机与检波器相连接，基准信号产生器同时与圆锥扫描电机和误差调节器相连接，检波器和基准信号产生器与误差调整器相连，误差调整器与伺服控制系统相连，本实用新型采用圆锥电子扫描方式，实现天线姿态稳态跟踪，稳定性好，而且体积小、重量轻、成本低。有效地解决了接收天线在船舶摇摆运动过程中始终指向卫星的伺服跟踪及主要零部件的批量生产问题。

Description

圆锥电子扫描跟踪系统

技术领域

本实用新型涉及卫星电视接收领域，具体说是一种圆锥电子扫描跟踪系统。 

背景技术

ABS-S体制是我国第一个拥有完全自主知识产权的卫星信号传输标准，它具有完全自主创新，不兼容目前国外任何一种卫星信号传输技术体制，可有效防止其他信号攻击，净化节目源，目前已在解决边远地区村村通中广泛应用。2010年初，广电总局已经推出了SIM卡式解码器，为各行业的推广使用做好了技术准备，相关收费政策(类似于家庭机顶盒)正在制订中。相信将会促进船舶行业应用的快速发展。 

目前，卫星天线单元是一个有源电控自动跟踪平台，可以自动搜索、截获要跟踪的卫星，自动选择最大接收信号的天线指向，在载体摇摆时稳定天线指向，载体移动或航向改变时自动跟踪卫星。但是国内生产船载卫星电视接收系统的厂家多数采用以陀螺为传感器采集船体姿态角度，结合GPS定位系统驱动天线伺服系统跟踪卫星。由于陀螺的零漂问题，造成系统工作不稳定，丢失目标的概率高。况且这些系统技术复杂、成本高，产品质量不稳定、服务水平低等现状与广大使用者的要求有很大距离，致使市场增长率一直不高，目前主要应用在客运船舶、政府公务船及特种工程船，民用船舶极少配备，渔船更是望尘莫及而且，阻碍了用户的推广。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种针对ABS-S体制的圆锥电子扫描跟踪方式，构成了天线伺服位置闭环系统，保证天线的波束中心始终对准卫星，能同时完成隔离船摇和稳定跟踪卫星的任务。 

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： 

本实用新型的圆锥电子扫描跟踪系统，包括：发射机，收发双工，接收机，检波器，误差调节器，基准信号产生器，圆锥扫描电机，伺服控制系统；发射机与收发双工相连接，发射机发出的信号被收发双工接受；收发双工与馈线相连，传播天线接受的相关信息；收发双工连接接收机，收发双工将信号传递给接收机；接收机与检波器相连接；基准信号产生器同时与圆锥扫描电机和误差调节器相连接并发送基准信号，圆 锥扫描电机根据基准信号调整馈线；检波器和基准信号产生器与误差调整器相连；误差调整器与伺服控制系统相连，发送误差调整信号。 

本实用新型还可以采用如下技术措施： 

所述的伺服控制系统包括方位、俯仰、横摇、极化及速率及位置传感器，电机驱动电路，方位俯仰、极化电机。 

本实用新型具有的优点和积极效果是： 

本实用新型采用圆锥电子扫描方式，实现天线姿态稳态跟踪，取得了非常令人满意地效果，不仅稳定性好，而且体积小、重量轻、成本低。有效地解决了接收天线在船舶摇摆运动过程中始终指向卫星的伺服跟踪及主要零部件的批量生产问题。从而向市场批量供应价格低、可靠性高、适于众多小型船舶的船载卫星电视接收系统。 

附图说明

图1：本实用新型的圆锥电子扫描跟踪系统结构图； 

图2：本实用新型的圆锥扫描几何关系图； 

图3：本实用新型中误差信号与波束偏角关系图。 

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本实用新型进行详细的说明。 

图1：本实用新型的圆锥电子扫描跟踪系统结构图；图2：本实用新型的圆锥扫描几何关系图；图3：本实用新型中误差信号与波束偏角关系图。 

本实用新型的圆锥电子扫描跟踪系统，包括：发射机，收发双工，接收机，检波器，误差调节器，基准信号产生器，圆锥扫描电机，伺服控制系统；发射机与收发双工相连接，发射机发出的信号被收发双工接受；收发双工与馈线相连，传播天线接受的相关信息；收发双工连接接收机，收发双工将信号传递给接收机；接收机与检波器相连接；基准信号产生器同时与圆锥扫描电机和误差调节器相连接并发送基准信号，圆锥扫描电机根据基准信号调整馈线；检波器和基准信号产生器与误差调整器相连；误差调整器与伺服控制系统相连，发送误差调整信号。 

所述伺服控制系统包括方位、俯仰、横摇、极化及速率及位置传感器，电机驱动电路，方位俯仰、极化电机。 

所述的船载卫星电视安全接受系统，在船舶摇摆中，实现小口径天线(D＝350mm)的自动跟踪，输出信号强度≥-65dBm。 

所述的船载卫星电视安全接受系统，采用自主研发的天线防护罩，针对中星9号卫星的输入频率11700～12200MHz的传输损耗小于0.8dB。 

所述圆锥电子扫面跟踪系统采用偏焦且高速旋转的馈源，使天线具 有个略微偏离轴线的旋转波速。若目标偏离轴线，反射信号强度受旋转频率调制，被调信号被归一化后，在解调器中进行正交解调，获得方位和仰俯角误差信息。 

本实用新型使用圆锥电子扫描方式。原理为如框图1所示。它采用偏焦且高速旋转的馈源，使天线具有一个略为偏离轴线的旋转波束。若目标偏离轴线，反射信号强度受旋转频率调制，被调信号经归一化后，在调节器中进行正交调节，获得方位和俯仰角误差信息。当天线的锥扫轴线对准目标时，回波信号为等幅信号，无误差信息。 

图2是描述圆锥扫描的几何关系图。通过目标T做垂直于等信号轴的平面，它与等信号轴的交点为O，B点为t时刻波束最大值方向与平面的交点，圆周为波束中心B点运动轨迹，δ为波束偏角，θ为波束中心线与视线夹角，R为天线到卫星的距离。 

在跟踪情况下，ε、δ、θ都很小，显然OT≈Rε、OB≈Rδ、TB≈Rθ，用余弦定理可得 

θ²＝δ²+ε²-2δcos(φ-φ₀)。 

通常ε＜＜δ，且考虑φ＝2πf_Ωt(f_Ω为圆锥扫描频率)，则有： 

θ＝δ-εcos(2πf_Ωt-φ₀)。 

设天线方向性图为F(θ)，接收信号的电压振幅为： 

U＝KF²(θ)＝KF²[δ-εcos(2πf_Ωt-φ₀)]， 

式中，K为比例系数。 

在δ处将上式展开泰勒级数，不计高阶项，则有： 

式中U₀为误差为0(ε＝0)时的信号电压振幅，U₀＝FK2(δ)；m 为信号误差调节指数，m＝U_m/u₀；F(1)(δ)为表示df(θ)/dθ在θ＝δ处的值 

接收信号振幅的交流分量为 

U_ε＝U_mcos(2πf_Ωt-φ₀) 

式中，U_m表示目标偏离等信号轴的大小。 

$U_m=U_0[-2\frac{F^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\δ}\right)}{F\left(\mathrm{\δ}\right)}]\mathrm{\ϵ}=U_0\∂\mathrm{\ϵ}$

$\∂=-2\frac{F^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\δ}\right)}{F\left(\mathrm{\δ}\right)}\frac{U_m}{U_0\mathrm{\ϵ}}=\frac{m}{\mathrm{\ϵ}}$

误差信号U_ε加到误差解调器，在正交基准信号cos 2πf_Ωt和sin2πf_Ωt分别相乘，取差频分量，可得 

$U_{\mathrm{\α}}=K_d{U}_m\cos {\mathrm{\φ}}_0=K_d{U}_0\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}$

$U_{\mathrm{\β}}=K_d{U}_m\sin {\mathrm{\φ}}_0=K_d{U}_0\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\β}},$

式中K_d为解调器的解调系数；ε_α和ε_β分别为目标的方位角误差和俯角误差。 

ε_α＝εcosφ₀

ε_β＝εsinφ₀

误差电压U_α和U_β将控制马达驱动天线对准卫星，构成位置闭环系统，实现天线姿态的稳定跟踪。 

设计圆锥扫描天线的一个关键参数就是波速偏角δ，即天线电轴与机械轴之间的夹角。因为δ决定了K_s和L_k。K_s为误差信号曲线的斜率，L_k为由于盘里天线电轴引起的信号功率损失。很显然，K_s越大，跟踪的灵敏度也就越高；K_s越小，信噪比S/N越高，跟红的灵敏度也就越高。因此，K_s/L_k决定了系统性能的好坏。 

在MATLAB中仿真得图3所示的一组性能曲线，它们是δ/θ_b取不同值时误差信号随ε/θ_b变化的曲线。θ_b为天线半功率波速宽度，δ/θ_b为归一化波束偏角，ε/θ_b为归一化目标偏角，可见，δ/θ_b略大于0.4 时，K_s最大，而此时L_k约为2dB。当δ＝0时，L_k最小为0，显然这是不可能的。考虑K_s/L_k，本系统取δ/θ_b为0.28，此时约为1dB。 

为了实现系统对卫星的快速跟踪，就必须提高误差信号电平的采样速率，这样可以加快天线的调整速率，相应就改提高f_Ω。然而，由于馈源的安装时偏心的，其旋转时导致整个天线出现震动，这种震动给测姿态传感器引入了附加误差，提高f_Ω可能导致震动加大甚至共振，所以需要做一些实验来确定一个合适的f_Ω。与此同时，接收机能否及时的解算出信号电平也是提高扫描f_Ω一个必须考虑的问题，f_Ω的选择也受到信标接收机反应速度的制约。 

采用本系统的实验运行良好，具体测试条件如下：工作频段为Ku，频率范围为12.25-12.75GHZ，速度为80转/分钟，环境温度为10-25℃，风力为5级。测试结果表明：天线的方位、俯角、跟踪精度均可以达到0.1°，初始对星时间≤1min，目标丢失重补时间≤1s。 

实验表明，基于圆锥扫描工作方式的船载动中通系统，能故偶高性能稳定而可靠地工作，满足船用条件下的各种性能要求。 

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。 

Claims (2)

1.一种圆锥电子扫描跟踪系统，其特征在于，包括：发射机，收发双工，接收机，检波器，误差调节器，基准信号产生器，圆锥扫描电机，伺服控制系统；发射机与收发双工相连接，发射机发出的信号被收发双工接受；收发双工与馈线相连，传播天线接受的相关信息；收发双工连接接收机，收发双工将信号传递给接收机；接收机与检波器相连接；基准信号产生器同时与圆锥扫描电机和误差调节器相连接并发送基准信号，圆锥扫描电机根据基准信号调整馈线；检波器和基准信号产生器与误差调整器相连；误差调整器与伺服控制系统相连，发送误差调整信号。

2.根据权利要求1所述的圆锥电子扫描跟踪系统，其特征在于：伺服控制系统包括方位、俯仰、横摇、极化及速率及位置传感器，电机驱动电路，方位俯仰、极化电机。 

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