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。
[0033] 2)、天线航向与俯仰角的计算：
[0034]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。
[0035] a.地理坐标系中的航向与俯仰角计算：
[0036]由于所需对准跟踪的同步卫星在地球赤道上空，炜度为零，因此，地面接收点P与 卫星S之间的距离为：
[0037]
[0038] 式中：κ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 = λρ-λ8，λρ为当前所在地炜度，As为卫星炜度，％为当前所在地炜 度。
[0039]天线在地理坐标系下的俯仰角为：
[0040]
[0041]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cosAz =sin^cosA,即：
[0042] 3)、载体坐标系中的航向与俯仰角计算：
[0043]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Az和俯仰角El，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<。
[0044] 地理坐标系到水平坐标的转换为：
[0045]
[0046] 展开可得：
[0047]
[0048]
[0049] 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Az和俯仰角El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Az和俯仰角El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。
[0050] 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Φ、俯仰角Θ和横 滚角Y，就可以求出天线指向的目标角度Az和El，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Az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。
[0051 ] 4)、步进搜索与跟踪：
[0052]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。
[0053]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。
[0054]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：
[0055] (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。
[0056] (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。
[0057] (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。
[0058] (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。
[0059] 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。
【主权项】
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(1 〇)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)。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H01Q3/08
【公开号】CN205248448
【申请号】CN201521014701
【发明人】李永连, 邢显国, 吴捷
【申请人】陕西瑞特测控技术有限公司
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月8日