CN205248448U - 一种移动卫星天线检测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种移动卫星天线检测与控制系统，包括设置于卫星通讯接收端的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器，三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器均依次通过多路转换开关、A/D转换器后连接至DSP控制器，DSP控制器又与电机驱动器连接，电机驱动器的输出端分为两路，一路与航向电机连接后连接至二自由度天线体，航向电机用于控制二自由度天线体的方位旋转，另一路与俯仰电机连接后也连接至二自由度天线体，俯仰电机用于控制二自由度天线体的俯仰角，航向电机和俯仰电机还分别又与DSP控制器反控制连接，本实用新型解决了现有技术中存在的移动卫星通讯接收系统安装成本高、空间局限大的问题。

Description

一种移动卫星天线检测与控制系统

技术领域

本实用新型属于卫星通信和自动控制技术领域，具体涉及一种移动卫星天线检测与控制系统。

背景技术

随着卫星通信技术和自动控制技术的不断发展，在运动中实现与卫星实时数据交换将会变得越来越普遍。在信息时代的今天，人们迫切需要在旅途中能够及时了解到新闻时事，观看到现场直播的体育赛事和其它电视节目，移动卫星通讯接收系统就能够满足人们的这一愿望。

目前在国内外，移动卫星接收系统主要应用于军事通信领域。由于采用了大型天线、惯性导航系统、复杂的天线稳定平台等先进技术，导致整个系统体积庞大、价格昂贵，无法在民用领域普及应用。

近年来，国内正在加快研究发展专用于广播电视服务的大功率直播卫星技术(DBS)，相应的卫星也将于近期发射。经过技术分析论证得知，接收该大功率直播卫星信号的天线口径可以小到30～50cm，波束宽度也相应的增加。这对研制开发实用的小型化、低价格的普及型移动卫星通讯接收系统提供了有利的信息服务平台。

对于高性价比的移动卫星通信系统，国内市场有强烈的需求，比较突出的如：大型轮船的移动电视接收、豪华客车的移动电视接收、铁道部数字化列车规划中客车的移动卫星通信、电视接收、网络接入系统等。历届奥运会上的一些运动员反映，在从宾馆到比赛场馆路途的大巴上，看不到当时的体育比赛实况，深感遗憾。目前一些新闻采访车都还在使用固定方式转播节目，特别不适宜战地记者实况采访、实况转播，如果有了移动接收卫星通讯的天线跟踪系统，只需增加收发双工器，就能实现实时采访、实时转播，增加新闻的时效性和真实感。

现在的客车上都还没有配置移动卫星通讯接收系统，只能观看光碟，由于成本和安装空间等原因，在火车上也未普及应用移动卫星通讯接收系统，仅能在少量软卧车厢观看录像。如果能以较低成本开发出实用的小型化移动卫星通讯接收系统，将有很大的市场需求。每天乘坐火车、汽车、轮船的人非常多，如果本系统能在交通工具上安装使用，不仅服务上了档次，对乘客是一件很大的好事，而且给交通运输业也带来了经济效益。因此，移动卫星通讯接收系统研制开发项目的市场前景广阔。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种移动卫星天线检测与控制系统，解决了现有技术中存在的移动卫星通讯接收系统安装成本高、空间局限大的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种移动卫星天线检测与控制系统，其特征在于，包括设置于卫星通讯接收端的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器，三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器均依次通过多路转换开关、A/D转换器后连接至DSP控制器，DSP控制器又与电机驱动器连接，电机驱动器的输出端分为两路，一路与航向电机连接后连接至二自由度天线体，航向电机用于控制二自由度天线体的方位旋转，另一路与俯仰电机连接后也连接至二自由度天线体，俯仰电机用于控制二自由度天线体的俯仰角，航向电机和俯仰电机还分别又与DSP控制器反控制连接。

本实用新型的特点还在于，

DSP控制器的输入端还与设置于卫星通讯接收端的北斗接收机连接。

DSP控制器内还设置有卡尔曼滤波模块。

本实用新型的有益效果是，移动卫星天线检测与控制系统，通过三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器依靠自身的测量参数实时解算出运载体的航向角、俯仰角、横滚角，然后利用卡尔曼滤波器修正各参数信息，同时系统也输出运载体的经纬度、高度、空速和三维角速率、三维线加速度，最后由DSP控制器结合天线体在载体坐标系的航向角和俯仰角单元，发出控制指令给驱动系统，进而带动电机转动使二自由度天线体指向控制角度。

附图说明

图1是本实用新型一种移动卫星天线检测与控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型一种移动卫星天线检测与控制系统中PID函数框图。

图中，1.三轴陀螺仪，2.三轴加速度计，3.三轴地磁传感器，4.北斗接收机，5.多路转换开关，6.A/D转换器，7.卡尔曼滤波模块，8.DSP控制器，9.电机驱动器，10.航向电机，11.俯仰电机，12.二自由度天线体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种移动卫星天线检测与控制系统，结构如图1所示，包括设置于卫星通讯接收端的三轴陀螺仪1、三轴加速度计2、三轴地磁传感器3，三轴陀螺仪1、三轴加速度计2、三轴地磁传感器3均依次通过多路转换开关5、A/D转换器6后连接至DSP控制器8，DSP控制器8又与电机驱动器9连接，电机驱动器9的输出端分为两路，一路与航向电机10连接后连接至二自由度天线体12，航向电机10用于控制二自由度天线体12的方位旋转，另一路与俯仰电机11连接后也连接至二自由度天线体12，俯仰电机11用于控制二自由度天线体12的俯仰角，航向电机10和俯仰电机11还分别又与DSP控制器8反控制连接，DSP控制器8的输入端还与设置于卫星通讯接收端的北斗接收机4连接，DSP控制器8内还设置有卡尔曼滤波模块7。

本实用新型一种移动卫星天线检测与控制系统，首先，系统采用微机电系统(MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS)技术的三轴陀螺仪1、三轴加速度计2、三轴地磁传感器3，完全依靠自身的测量参数实时解算出运载体的航向角、俯仰角、横滚角，在北斗信号的辅助下利用卡尔曼滤波器7修正航向角、俯仰角、横滚角和陀螺、加速度，同时系统也输出运载体的经纬度、高度、空速和三维角速率、三维线加速度；

其次利用导航参数，计算出载体所携带的天线此时收卫星信号所需要的航向角与俯仰角；

最后由DSP控制器8结合天线体在载体坐标系的航向角和俯仰角单元，发出控制指令给电机驱动器9，电机驱动器9带动航向电机10和俯仰电机11转动，使二自由度天线体12指向控制角度。

其中，1)、电机控制算法具体如下：

根据MEMS技术捷联惯导系统给出的姿态信息、结合电机自身的编码器值，解算出电机的控制量，采用PID控制算法控制电机，PID函数框图如图2所示，图2中，r(t)是目标值，y(t)是系统的实际输出值，目标值与实际输出值构成控制偏差e(t)，其中，e(t)＝r(t)-y(t)，e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。

PID的基本传递函数为:

u(t)＝kp*e(t)+ki*[e(1)+e(2)+....+e(t)]+kd*[e(t)-e(t-1)]；(1)

其中e(t)＝r(t)-y(t)；

Kp为比例项系数；Ki为积分项系数；Kd为微分项系数；e(t)为t时刻的偏差值；r(t)为t时刻的目标值；y(t)为t时刻的实际值；u(t)为t时刻的输出值。

式(1)称之为位置式PID函数，它是与之前时刻状态相关的函数，而t与t-1时刻的变化量则为：

u(t)＝u(t)-u(t-1)

＝kp*e(t)+ki*[e(1)+e(2)+....+e(t)]+kd*[e(t)-e(t-1)]

-{kp*e(t-1)+ki*[e(1)+e(2)+....+e(t-1)]+kd*[e(t-1)-e(t-2)]}

＝kp*[e(t)-e(t-1)]+ki*e(t)+kd*[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]；(2)

式(2)称之为增量式PID函数，它只与上一时刻的状态相关，计算量较小，应用广泛，本实用新型移动卫星天线检测与控制系统的电机控制算法也是基于增量式PID函数为模型的。

2)、天线航向与俯仰角的计算：

天线指向相对地理坐标系的航向角和俯仰角称为天线对卫星的视角，天线指向相对载体坐标系得航向角和俯仰角称为天线跟踪卫星时的目标角度。

a.地理坐标系中的航向与俯仰角计算：

由于所需对准跟踪的同步卫星在地球赤道上空，纬度为零，因此，地面接收点P与卫星S之间的距离为:

$D=\sqrt{R^2+{(R+H)}^2-2R(R+H)cos\mathrm{\β}}$

式中:R为地面站距地心的距离(一般取值地球平均半径:6378km)，H为卫星高度，λ＝λp-λs，λp为当前所在地纬度，λs为卫星纬度，为当前所在地纬度。

天线在地理坐标系下的俯仰角为:

航向角为接收点P和赤道上空卫星S间的连线与水平面的夹角；从接收点看，指向位于赤道上空的卫星的航向角是地面天线的航向角，有即：

3)、载体坐标系中的航向与俯仰角计算：

已知天线在地理坐标系中的方位俯仰角，就可以通过坐标变换得到天线在载体坐标系中的方位角A_Z和俯仰角E_L，因此有必要得到地理坐标系和载体坐标系这两个正交笛卡儿坐标系的旋转变换关系，它们之间的相互关系可用一个方向余弦表来表示，用矩阵形式来表示的方向余弦表则称为旋转矩阵

地理坐标系到水平坐标的转换为：

展开可得：

只要控制系统控制天线的航向和俯仰角度分别与卫星相对于载体坐标系的航向角A_Z和俯仰角E_L相一致，则表示天线的指向对准了卫星，从而达到了天线跟踪卫星的目的。因此我们称航向角A_Z和俯仰角E_L为载体天线跟踪卫星时的目标角度，也称之为天线指向的目标角度。

从上面的分析可以看出，只要已知载体相对地理坐标系的航向角ψ、俯仰角θ和横滚角γ，就可以求出天线指向的目标角度A_Z和E_L，并将它们提供给控制系统，对天线指向进行控制。在实际应用中方位角需要调整，调整的方法是:利用惯导系统得到载体纵轴与北向的夹角，然后将此夹角与航向角A_Z之相加得到的航向角才是天线驱动所需的角度。天线的指向相对于载体坐标系的航向角和俯仰角是可以由角度传感器检测到并由控制系统控制的。

4)、步进搜索与跟踪：

在步进跟踪中，天线的运动可以分为搜索步和调整步两种。搜索步的功能是确定天线转动的方向，调整步则是在该方向上转动天线一步。通常需要经过若干次搜索步搜索，才能确定天线应该转动的方向。此后，天线就回到原来的位置，然后向搜索步确定的方向转动一步，这最后的一步就称为调整步。调整步与搜索步的主要区别在于经过调整步后，天线不会回到原来位置；而搜索步则不一样，不管搜索步动作多少次，只要完成规定的搜索次数后，天线就会回到原来位置，接着天线就转动一个调整步。

本实用新型采用多传感器的数据融合和卡尔曼(Kalman)滤波技术，克服了单一导航系统的缺陷，在北斗信号丢失的情况下依然实现导航。利用移动天线载体的导航参数，经过计算给出天线指向某一卫星的航向角和俯仰角，按一定的控制算法，通过驱动系统带动天线转动，直至达到目标。该项目可以广泛应用于车载和船载天线的稳定与控制。

本实用新型移动卫星天线检测与控制系统，优势主要体现在以下几个方面：

(1)将组合导航系统和控制技术结合，解决了移动天线的固定指向问题，保证了天线在运动环境下的增益。在分析MEMS惯性传感器误差模型的基础上，组建捷联式惯导系统，由于惯导系统自主性、输出稳定、不受干扰，缺点是误差随时间累积。而北斗2号卫星的定位精度高，误差不累积，但易受干扰，甚至可能在短时间内失去信号。两者结合起来，将北斗信息作为外部测量输入，在运动过程中通过不断修正惯导来控制其误差随时间的积累，可以提高制导精度，实现了移动天线基座的低成本惯性测量问题。

(2)结合载体的运动特性和惯性传感器的输出，确定基于地理坐标系下的移动天线的稳定与跟踪算法，解决了天线静止中稳定性及运动过程中的快速响应性和指向精度。由于船载或车载天线是在运动过程中实时接收卫星信号。当载体静止时要求天线指向精度高且稳定；当载体运动时，要求天线的跟踪速度要快，指向精度要满足天线接收卫星信号的要求。载体的运动特性和惯性传感器的输出信号特点，确定基于地理坐标系下的移动天线的稳定与跟踪算法。

(3)结合组合导航系统的输出信号和卫星信号的特点，建立适合卫星信号搜索的步进电机和伺服电机的控制算法，保证移动天线的实时指向性功能。由于是位置随动系统，天线的指向要随移动物体的变换而变化，必须建立适合卫星信号搜索的步进电机和伺服电机的控制算法，该算法是利用组合导航系统的输出信号和卫星的信标(AGC信号)信号，建立起来的双闭环的PID算法。算法即要保证天线正常工作时的实时指向性精度要求；又要保证卫星信号不好或受到扰动时天线能自动搜索卫星信号。

(4)基于一个DSP设计，使系统的信号检测、处理、解算和控制指令于一体，使系统的性价比最高、功耗最小。

本实用新型一种移动卫星天线检测与控制系统，是针对中国卫星资源现况和现有船载卫星通讯接收设备情况而专门设计的，应用系统在技术上实现了全数字化、模块化、智能化、小型化和低成本化，对水上应用环境具有很强的适应性，适用于中国近海、内河、远洋等各种使用环境。

Claims (3)

1.一种移动卫星天线检测与控制系统，其特征在于，包括设置于卫星通讯接收端的三轴陀螺仪(1)、三轴加速度计(2)、三轴地磁传感器(3)，所述三轴陀螺仪(1)、三轴加速度计(2)、三轴地磁传感器(3)均依次通过多路转换开关(5)、A/D转换器(6)后连接至DSP控制器(8)，所述DSP控制器(8)又与电机驱动器(9)连接，电机驱动器(9)的输出端分为两路，一路与航向电机(10)连接后连接至二自由度天线体(12)，所述航向电机(10)用于控制二自由度天线体(12)的方位旋转，另一路与俯仰电机(11)连接后也连接至二自由度天线体(12)，所述俯仰电机(11)用于控制二自由度天线体(12)的俯仰角，所述航向电机(10)和俯仰电机(11)还分别又与DSP控制器(8)反控制连接。

2.根据权利要求1所述的一种移动卫星天线检测与控制系统，其特征在于，所述DSP控制器(8)的输入端还与设置于卫星通讯接收端的北斗接收机(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种移动卫星天线检测与控制系统，其特征在于，所述DSP控制器(8)内还设置有卡尔曼滤波模块(7)。