CN215896711U - 一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及卫星通信系统领域，尤其涉及一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，采用模块化设计，可根据实际应用需求，灵活更换不同功率的BUC和不同本振的LNB，以提高增益和交叉极化隔离度；采用了碳纤维铝蜂窝夹层结构的环焦后馈天线，保证了天线长期在船体上摇摆能够一直保持天线面的精度，从而保证了通信的质量；并同时采用圆锥扫描峰值跟踪和GPS/INS融合姿态测量系统提高了天线系统的精度和可靠性；改进后的天线驱动单元等结构，使天线稳定性更高，更适应海上工作。

Description

一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统

技术领域

本实用新型涉及卫星通信系统领域，尤其涉及一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统。

背景技术

国内海上油气田、移动船舶及钻井平台普遍采用卫星通信作为主要的数据通信手段，卫星通信可为海上油气田勘探开采的交通、生产、应急反应提高了可靠的服务和保障。由于海上工作的船舶摇摆幅度大、摇摆速度快对卫星控制精度有一定影响；同时常规GPS具有较高的导航精度，但由于载体运动，造成GPS信号接收条件差，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，系统通信的稳定性不佳。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，包括射频系统和伺服控制系统，所述射频系统包括天线面、双工器、LNB、功分器、BUC、双路旋转关节和调制解调器；所述天线面为环焦后馈天线，所述天线面的主反射面为碳纤维铝蜂窝夹层结构，所述天线面中心设有用于圆锥扫描峰值跟踪的馈源喇叭，所述馈源喇叭绕天线面对称轴做圆周运动；所述LNB和BUC设置为可拆卸式；所述伺服控制系统包括天线控制单元、GPS/INS融合姿态测量系统、天线驱动单元和信标机；所述伺服控制系统通过信标机与所述射频系统连接。

优选的，所述天线驱动单元包括伺服电机、第一方位轴、第二方位轴和俯仰轴，所述第一方位轴、第二方位轴和俯仰轴设于天线支架上；所述天线支架包括底座、U型架、方型框架和天线箱体；所述U型架设于底座上方，通过第一方位轴相互连接；所述U型架上方左右两侧设有俯仰轴，并通过所述俯仰轴与所述方型框架左右两侧连接；方型框架上下两侧设有第二方位轴，并通过所述第二方位轴与天线箱体连接；所述天线箱体与天线面连接。

优选的，所述天线驱动单元采用一级齿轮传动机构。

优选的，所述天线驱动单元采用三级限位机构，依次包括电气限位装置、机械限位装置和过流保护装置。

优选的，所述天线面为直径2.4m的环焦后馈天线。

优选的，所述天线系统的接口均为航空级防水接口，包括电源接口、调试接口和射频接口，所述电源接口的供电方式为单向220V交流电压，所述调试接口的通讯方式为422通信，所述射频接口为N型母头。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，采用模块化设计，可根据实际应用需求，灵活更换不同功率的BUC和不同本振的LNB，以提高增益和交叉极化隔离度；采用了碳纤维铝蜂窝夹层结构的环焦后馈天线，保证了天线长期在船体上摇摆能够一直保持天线面的精度，从而保证了通信的质量；并同时采用圆锥扫描峰值跟踪和GPS/INS融合姿态测量系统提高了天线系统的精度和可靠性；改进后的天线驱动单元等结构，使天线稳定性更高，更适应海上船舶工作。

附图说明

图1是本实用新型实施例中全自动跟踪天线系统的组成结构示意图；

图2是本实用新型实施例中圆锥扫描峰值跟踪的原理示意图；

图3本实用新型实施例中全自动跟踪天线系统的外观结构示意图；

图中：1-第一方位轴，2-第二方位轴，3-俯仰轴，11-底座，12-U型架，13-方型框架，14-天线箱体。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型提供了一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，包括射频系统和伺服控制系统，所述射频系统包括天线面、双工器、LNB、功分器、BUC、双路旋转关节和调制解调器，所述天线面为环焦后馈天线，所述天线面的主反射面为碳纤维铝蜂窝夹层结构，所述天线面中心设有用于圆锥扫描峰值跟踪的馈源喇叭，所述馈源喇叭绕天线面对称轴做圆周运动；所述LNB和BUC设置为可拆卸式；所述伺服控制系统包括天线控制单元、GPS/INS融合姿态测量系统、天线驱动单元和信标机，所述伺服控制系统通过信标机与所述射频系统连接。

本实施例中，所述天线面为直径2.4m的环焦后馈天线，主反射面为碳纤维铝蜂窝夹层结构。本实施例天线系统使用了大口径的天线面，能够使船舶在远离陆地的航线上保持正常通信，可使用更小的功率实现更大带宽的通信，有效的减少BUC的发热，提高了系统的可靠性。使用碳纤维可长时间(10年以上)保证天线面不变形，这就保证了天线长期在船体上摇摆能够一直保持天线面的精度，从而保证了通信的质量。碳纤维的另一个重要的特征是重量非常的轻，有效的减低了电机的负荷，可以进一步的提高控制精度。通常天线系统最外层还包括天线罩。

本实施例中，射频系统在设计上充分考虑当前应用的同时，考虑到今后较长时期内发展的需要，留有充分的升级和扩充的可能性，各组件进行模块化设计，尤其是BUC和LNB均为可拆卸式模块化设计。根据客户实际应用带宽的需求，可以灵活配备2W到40W不同功率的BUC；根据客户选用的C频段卫星资源，可灵活选用LNB的不同本振。高的增益和交叉极化隔离度，可满足系统收发两条链路之间没有相互干扰以及强的可靠性能，较窄的波束可以避免相邻卫星的干扰，整个系统对于其他频段的微波信号有很好的屏蔽作用，充分保证了系统通信的稳定性。

本实施例中，天线面中心设有用于圆锥扫描峰值跟踪的馈源喇叭，馈源喇叭绕天线面对称轴做圆周运动，因此天线波束就成圆锥状旋转。如图2所示，当天线轴对准卫星时，天线系统收到的信标电平是一个恒值；当天线轴偏离卫星时，信标电平受到一个频率极低的信号对其进行幅度调制，调制频率与波束的旋转频率相同，调制深度与波束偏离卫星的距离有关系，调制的相位与波束偏离的方向有关，因此调制信号的幅度和相位就能检测出天线波束指向误差，从而精确对星。

本实施例中，天线系统中采用了GPS/INS融合姿态测量系统。常规GPS虽然具有较高的导航精度，但由于载体运动，造成GPS信号接收条件差，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号失锁，会造成导航中断情况。惯性导航系统(INS)具有不依赖外界信息、抗干扰性强、全天候工作等优点，是一种能够提供多种导航参数，完全自主的导航系统。但它的精度随时间而变化，长时间工作会累积较大误差，这使惯性系统不宜长时间工作。GPS/INS融合姿态测量系统能够充分发挥两种技术的优势，更有效全面地提高产品的性能，增强系统的可靠性、可用性和动态性。

该GPS/INS融合姿态测量系统采用卫星导航定位技术、惯性测量技术、载波相位测量技术和DSP嵌入式设计技术。在载体运动过程中，系统不断捕获GPS数据，选择其中部分数据对惯导进行实时补偿修正，不断消除惯导的累积误差。当GPS信号受到遮挡或质量下降时，通过惯导不断的采集载体姿态数据继续对天线进行控制，仍可输出准确的数据。

本实施例中，天线驱动单元包括伺服电机、第一方位轴、第二方位轴和俯仰轴；所述第一方位轴、第二方位轴和俯仰轴设于天线支架上。如图3所示，所述天线支架包括底座11、U型架12、方型框架13和天线箱体14。所述底座11为圆柱形结构，以足够的自重来保证台体的定位稳定性；U型架12、方型框架13和天线箱体14均为铝合金材料，具有强度高、比重小、加工性能好的优点，可使支架具有较高的刚度和较小的转动惯量。U型架12设于底座11上方，通过第一方位轴1进行连接；U型架12上方左右两侧各设有俯仰轴3，并通过所述俯仰轴3与方型框架13左右两侧连接；方型框架13上下两侧设有第二方位轴2，并通过所述第二方位轴2与天线箱体14连接；所述天线箱体14与天线面连接。本实施例天线驱动单元能够实现各轴系运动，以提高整个结构的自身模态，可实现方位轴与俯仰轴的高频率响应特性。通常天线驱动单元中还包括寻零开关及电机编码器，以辅助天线完成初始姿态的调整。

本实施例中，所述天线驱动单元采用一级齿轮传动机构，进而减少传动链，减小传动环节的传动误差和回程误差。同时，还可以通过减小齿轮啮合时的齿隙以提高系统的固有频率，从而减小负载的振荡频率，缩短系统的调整时间。

本实施例中，所述天线驱动单元采用三级限位机构，依次包括电气限位装置、机械限位装置和过流保护装置。电气限位采用电感开关，机械限位采用机械档块。使用时，在天线驱动单元的电感开关失灵的情况下，天线部件会碰到机械档块限位，电机驱动的过流保护装置会切断功率输入，停止转轴转动。

本实施例中，天线系统的外部接口均做防水、防腐蚀处理，保证产品在海上不受恶劣的环境影响使用。具体所述天线系统的接口均为航空级防水接口，包括电源接口、调试接口和射频接口；天线中频采用同轴线缆连接，高频采用标准波导管连接，螺丝等均用标准件，安装后都上有高强度螺纹胶。其中，所述电源接口的供电方式为单向220V交流电压，所述调试接口的通讯方式为422通信，所述射频接口为N型母头。

本实施例中，天线系统通过伺服控制系统来实现船体在任何姿态下波束中心始终能够对准卫星，伺服控制过程主要有以下三个阶段：

(1)初始阶段：通过寻零开关及编码器的反馈，天线完成初始姿态的调整；通过GPS/INS融合姿态测量系统测量出航向角及载体所在位置的经度和纬度及相对于水平面的初始角；根据其姿态及当前的地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线俯仰及极化角。

(2)寻星阶段：保持天线的俯仰及极化角不变的情况下旋转方位角，扫描卫星信号；通过信标机将卫星信号转换为模拟电压；再根据所采集的电压值判断出卫星信号的极大值相对于天线的位置；调整天线方位角使天线自动对准卫星。

(3)跟踪阶段：天线锁定卫星后，进入稳定跟踪状态。本天线系统采用闭环跟踪方式，即：天线控制单元不断采集GPS/INS融合姿态测量系统的信息数据进行推导运算，得出天线理论上准确的对星角度并对伺服电机下达指令调整天线面。与此同时，信标机不断采集卫星信标信号，将其转化为AGC电压值并将这些数据传输至天线控制单元。天线控制单元根据信标机反馈的AGC电压判断天线面是否准确对星，如未准确对星则根据反馈的AGC电压值、载体姿态数据及编码器反馈的角度数据等进行运算，重新调整天线面，直到使其准确对星为止。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本实用新型提供了一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，采用模块化设计，可根据实际应用需求，灵活更换不同功率的BUC和不同本振的LNB，以提高增益和交叉极化隔离度；采用了碳纤维铝蜂窝夹层结构的环焦后馈天线，保证了天线长期在船体上摇摆能够一直保持天线面的精度，从而保证了通信的质量；并同时采用圆锥扫描峰值跟踪和GPS/INS融合姿态测量系统提高了天线系统的精度和可靠性；改进后的天线驱动单元等结构，使天线稳定性更高，更适应海上工作。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于海上油气田的全自动跟踪天线系统，其特征在于，包括射频系统和伺服控制系统，所述射频系统包括天线面、双工器、LNB、功分器、BUC、双路旋转关节和调制解调器；所述天线面为环焦后馈天线，所述天线面的主反射面为碳纤维铝蜂窝夹层结构，所述天线面中心设有用于圆锥扫描峰值跟踪的馈源喇叭，所述馈源喇叭绕天线面对称轴做圆周运动；所述LNB和BUC设置为可拆卸式；所述伺服控制系统包括天线控制单元、GPS/INS融合姿态测量系统、天线驱动单元和信标机；所述伺服控制系统通过信标机与所述射频系统连接。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线驱动单元包括伺服电机、第一方位轴、第二方位轴和俯仰轴，所述第一方位轴、第二方位轴和俯仰轴设于天线支架上；所述天线支架包括底座、U型架、方型框架和天线箱体；所述U型架设于底座上方，通过第一方位轴相互连接；所述U型架上方左右两侧设有俯仰轴，并通过所述俯仰轴与所述方型框架左右两侧连接；方型框架上下两侧设有第二方位轴，并通过所述第二方位轴与天线箱体连接；所述天线箱体与天线面连接。

3.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述天线驱动单元采用一级齿轮传动机构。

4.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述天线驱动单元采用三级限位机构，依次包括电气限位装置、机械限位装置和过流保护装置。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线面为直径2.4m的环焦后馈天线。

6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线系统的接口均为航空级防水接口，包括电源接口、调试接口和射频接口，所述电源接口的供电方式为单向220V交流电压，所述调试接口的通讯方式为422通信，所述射频接口为N型母头。

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