专利名称：动态跟踪卫星天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星天线，特别是一种可在移动中调整方位角、俯仰角的动态跟 踪卫星天线。
背景技术：
移动卫星天线是指安装在移动载体上的天线，如汽车、火车、轮船等。由于广播卫 星、通信卫星都属于定点卫星(即同步轨道卫星)，卫星定位于赤道上空约四万公里处。而 卫星天线又属于定向天线，这种天线的波束宽度很窄，要保证在载体快速运动过程中信号 传输不中断，就必须保证天线始终准确的对准目标卫星。移动载体在运动过程中，由于道路转弯方向改变和坡度的影响，导致天线的方位 角和俯仰角发生变化。现有技术的自动跟踪天线，大都是由稳定系统和自动跟踪系统两部 分组成。稳定系统采用陀螺仪等惯性导航技术，在软件的控制下，通过驱动机构和步进电机 来调整天线的姿态。跟踪系统采用GPS全球定位系统和电子罗盘来获得天线的位置参数， 并以此来控制天线的方位角和俯仰角。此种方式存在如下不足①运动过程中卫星天线的对准精确度完全依赖于陀螺仪 等惯性导航系统的测量精度。因此也只能采用光纤陀螺、激光陀螺等高精度传感器，导致整 体成本大幅增加。②使用GPS只能获取卫星天线所在位置的基准俯仰角，偏离该方向的运 动还是需要依赖陀螺仪，这又增加了对陀螺仪的参数需求。③电子罗盘属于磁性器件，容易 受到外界干扰。2005年5月11日中国发明专利公开号CN 1614815A所公开的“信号电平检测动 态跟踪卫星天线，，包括卫星信号电平检测电路与控制与数字信号处理机相连接，所述的控 制与数字信号处理机的输出端分三路分别和俯仰控制电机与电机控制电路、方位控制电机 与电机控制电路、横滚控制电机与电机控制电路连接，它们三者的另一端经过机械传动与 减速装置以机械方式和卫星天线及馈电装置相连接，而所述的卫星天线及馈电装置的另一 端再和所述的卫星信号电平检测电路连接。该发明的优点是成本低廉，重量轻，体积小，并 不受地磁异常的干扰，但其跟踪精度又远不如采用采用陀螺仪等惯性导航技术准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种更加简单，成本低廉，重量轻，体积小，并不受地磁异常 的干扰，尤其是系统可靠性大大提高的动态跟踪卫星天线。具体实现方案是这样的一种动态跟踪卫星天线，包括方位姿态检测、信号电平检测以及伺服系统三部分； 主控伺服系统是Z轴调整步进电机；方位姿态检测部分仅由一个Z轴陀螺仪和加速度计组 成；由Z轴陀螺仪测量天线在水平方向的运动方向及速度，获取天线在水平方向运动的偏 移量；由加速度计测量出天线相对于水平面的夹角，获取或计算出天线当前的俯仰角和横 滚角；再以接收到的目标卫星信号电平作为是否对准卫星的判断依据，通过主控CPU来控制伺服系统不断调整天线方位角、横滚角和俯仰角，从而形成一个闭环反馈控制系统，使卫 星天线始终对准目标卫星；上述信号电平检测部分通过A/D转换，测量接收到的信号电平 值，以此来作为是否对准卫星的判断标准。本发明提出了一种新的动态跟踪卫星天线，还涉及到2个算法算法1 通过信号电平检测不断校正陀螺的误差，校正后陀螺的输出精度达到了 很高的水平，消除了累积误差和温度漂移的影响。算法2 采用加速度计来计算俯仰角和横滚角，没有累积误差，也能克服温度漂移 的影响。本发明这种方式存在如下优点①本发明采用加速度计来计算倾角，不像陀螺一样存在着累积误差，因此也不像 陀螺为主的测量体系，需要GPS或者加速度计来教正累积误差；本发明的创新点就是摒弃 了 GPS、电子罗盘等定位设备，使得系统结构大大简化，成本更加低廉；②本发明采用加速度计的上述公式来计算倾角，基本上不受温度漂移的影响，使 得倾角的准确度大大提高。③本发明采用加速度计是三维的，不但能计算俯仰角，同时也能用同样的方法简 单地计算出横滚角，因此本发明不仅适用于车载，同样也适用于船载。④本发明使用陀螺仪导航加信号电平检测反馈的算法，即降低了对陀螺仪精度的 要求，还能很好地利用信号电平的变化来教正陀螺仪的累积误差，保证了卫星天线对准的 精度。本发明在高斯贝尔公司实施中，基于上述的算法成功研制了车船载卫星电视天 线，取得了良好的效果，该天线完全超过了国家广播电影电视总局颁发的《卫星直播移动接 收系统天线技术要求和测量方法》的要求。该天线采用了低成本的MEMS陀螺仪和加速度计 来控制天线在运动的过程中始终准确对准卫星，从而大大降低了成本，为车船载卫星电视 的发展创造了条件。
图1为本发明的电路方框图。图2为本发明计算出天线保持正确的俯仰角度θ和相对于水平面的倾角P的示 意图。
具体实施例方式在以上系统的工作原理指导下，可以有多种控制策略和卫星搜索和跟踪实现方 法。一种动态跟踪卫星天线，包括方位姿态检测、信号电平检测3以及伺服系统三部 分；主控伺服系统是Z轴调整步进电机；方位姿态检测部分仅由一个Z轴陀螺仪5和加速度 计6组成；由Z轴陀螺仪5测量天线2在水平方向的运动方向及速度，获取天线2在水平方 向运动的偏移量；由加速度计测量出天线相对于水平面的夹角，获取或计算出天线当前的 俯仰角1和横滚角7 ；再以接收到的目标卫星信号电平作为是否对准卫星的判断依据，通过 主控CPU4来控制伺服系统不断调整天线方位角8、横滚角7和俯仰角1，从而形成一个闭环反馈控制系统，使卫星天线2始终对准目标卫星；上述信号电平检测3部分通过A/D转换， 测量接收到的信号电平值，以此来作为是否对准卫星的判断标准。本发明实现跟踪的过程为①系统启动后，先水平旋转一周，根据信号电平找到卫星，确定方位角，进入锁定 状态。②进入锁定状态后，根据Z轴陀螺仪5输出值判断载体运动方向及偏转角度，控制 方位角8调整电机运转，抵消载体在水平方向的偏转角度。③参见附图2，由加速度计数值，计算出当前时刻天线倾角，若与前一锁定状态时 刻的倾角发生变化，则控制俯仰角调整电机运转，使天线始终保持正确的俯仰角度θ。θ = arctan ( α z2/ ( α χ2+ α y2) _"2)其中，加速度计输出的是各方向的重力加速度值，可由以下公式计算出当前天线 相对于水平面的倾角P。ρ = arctan ( α y2/ ( α χ2+ α ζ2) "1/2)④调整过程中，时刻根据接收信号电平值来对各调整参数进行微调，以保证天线 对准的精确性。
权利要求
一种动态跟踪卫星天线，包括方位姿态检测、信号电平检测以及伺服系统三部分；其特征是主控伺服系统是Z轴调整步进电机；方位姿态检测部分仅由一个Z轴陀螺仪和加速度计组成；由Z轴陀螺仪测量天线在水平方向的运动方向及速度，获取天线在水平方向运动的偏移量；由加速度计测量出天线相对于水平面的夹角，获取或计算出天线当前的俯仰角和横滚角；再以接收到的目标卫星信号电平作为是否对准卫星的判断依据，通过主控CPU来控制伺服系统不断调整天线方位角、横滚角和俯仰角，从而形成一个闭环反馈控制系统，使卫星天线始终对准目标卫星；上述信号电平检测部分通过A/D转换，测量接收到的信号电平值，以此来作为是否对准卫星的判断标准。
2.根据权利要求1所述的动态跟踪卫星天线，其特征在于所述获取或计算出天线当 前的俯仰角和横滚角涉及到2个算法算法1 通过信号电平检测不断校正陀螺的误差，校正后陀螺的输出精度达到了很高 的水平，消除了累积误差和温度漂移的影响；算法2 采用加速度计来计算俯仰角和横滚角，没有累积误差，也能克服温度漂移的影响。
全文摘要
本发明涉及一种动态跟踪卫星天线，包括方位姿态检测、信号电平检测以及伺服系统三部分；主控伺服系统是Z轴调整步进电机；方位姿态检测部分仅由一个Z轴陀螺仪和加速度计组成；由Z轴陀螺仪测量天线在水平方向的运动方向及速度，由加速度计测量出天线相对于水平面的夹角，通过主控CPU来控制伺服系统不断调整天线方位角、横滚角和俯仰角，实现动态跟踪卫星的目的。本发明其成本低、结构简单、跟踪效果好。
文档编号H01Q1/27GK101982897SQ201010275628
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者周晓辉, 张强 申请人:郴州希典科技有限公司