对运动中的卫星天线进行实时对星的装置及应用方法与流程

本发明涉及一种在通信情况下使用的对星装置。更具体地说，本发明涉及一种用通信情况下使用的对运动中的卫星天线进行实时对星的装置及应用方法。

背景技术：

卫星天线是一种能量形式转换装置，其功能是有效地使发射功率转化为电磁波能量，并发射到空间去，同时也将从空间接收到的极为微弱的电磁波能量有效地转换为同频信号的高频功率馈送给接收机。卫星通信天线发送和接收卫星转发器信号的能力和效率，直接决定了卫星通信的质量。

当放置天线的载体在移动过程中，载体的地理位置、载体的姿态都不断的发生变化，导致天线对准卫星的波束中心发生偏离，致使通信中断，为了保证通信的连续性，要求天线波束始终指向目标卫星，保证不论载体在何种地理位置，何种姿态，天线都能始终对准卫星，保持通信的畅通。

现在，国内、外都有类似成熟产品，但价格高昂。本装置采用简化设计，寻求一种体积小、重量轻、功耗低、价格便宜的天线跟踪控制装置，让卫星通信得到更广泛的应用，且现有的产品中未将环境因素考虑进去，故其对准效果受到一定的环境影响，精准度不高。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种对运动中的卫星天线进行实时对星的装置，其对其各组成部分均做了优化设计，以使其采用国产的电子元器件，就能够实现卫星天线进行实时对星，同时还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜的效果，如其成本可控制在现有成本的1/3-1/5，具有很好的应用空间，另外其在IMU中加入了温度计，使其对卫星天线环境因素也进行了相应的采集，进而获取更精准的数据，以实现精确对准。

本发明还有一个目的是通过一种应用对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的方法，通过在数据采集阶段引入环境因素，增加了数据计算时的参数变量，以便获得更好的卫星对准精准度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种对运动中的卫星天线进行实时对星的装置，包括：

卫星天线；

与所述卫星天线连接的支撑驱动单元，其包括支撑组件，以及设置在其上的可对卫星天线的空间方位进行适应性调整的驱动组件；

实时跟踪控制单元，其包括一微控制器MCU，以及分别与其通信连接，以对卫星天线当前的姿态数据、地理位置数据和卫星的信标数据进行获取的惯性测量模块IMU，GPS和/或BD定位模块和信标接收模块；

其中，所述IMU中还包括一获取实时温度以根据实时温度状态对姿态数据进行补偿的温度计，所述MCU通信连接至驱动组件，以实现控制驱动组件执行实时对星的动作。

优选的是，其中，所述支撑组件包括：

以对卫星天线的姿态角度进行调整的机械传动模块；

与所述机械传动模块相配合进而设置在安装面上的底座；

其中，所述机械传动模块与底座之间还设置有辅助支撑导向的定位机构。

优选的是，其中，所述机械传动模块包括：一与卫星天线连接的以对其极化角度进行调整的第一框架，分别与第一框架相配合，以对卫星天线的俯仰角度、方位角度进行调整的第二框架及第三框架；

所述驱动模块包括：设置在第一框架上的极化电机；

设置在第二框架上的俯仰电机和与其相连接的第一减速器；

以及设置在第三框架上的方位电机和与其相连接的第二减速器；

其中，所述第一框架，第二框架及第三框架通过相配合的转轴以层层套设的方式进行设置，进而通过驱动模块的作用带动卫星天线做在相应的角度调整。

优选的是，其中，所述定位机构包括支撑件，所述底座上设置有可供支撑件的一端伸入并呈360度旋转的滑槽，且

所述支撑件与滑槽相配合的一端设置有减震垫。

优选的是，其中，所述实时控制单元还包括与MCU通信连接的上位机；

所述支撑组件与MCU之间通过依次连接的极化编码器、信号转化板、接口转换模块进而构成数据传输链路。

一种应用对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的方法，包括：

通过所述IMU以分别获取支撑组件实时的姿态角度信息、温度数据信息，进而经过MCU进行第一次数据融合处理，以得到卫星天线在不同温度环境下所需要补偿的角度值信息；

通过所述GPS和/或BD定位模块获取支撑组件的实时GPS信息，进而通过MCU与目标卫星的目标GPS信息进行比较判断，得到第一天线指向角信息；

通过所述MCU对上述的角度值信息和第一天线指向角信息进行第二次数据融合处理，以得到第二天线指向角信息，所述MCU基于第二天线指向角信息，通过伺服控制模块驱动所述驱动模块中的各电机做相应执行动作，进而实现运动中卫星天线的实时对星动作。

优选的是，其中，所述姿态角度的数据信息获取包括：

通过所述IMU中的3轴加速度计和3轴速率陀螺，经MCU以每秒100次的提取处理得到5个与角度相关的第一参数变量，进而得到支撑组件的第一姿态角度信息和第二姿态角度信息；

所述温度数据信息通过所述温度计获取支撑组件当前的环境温度，进而通过MCU提取处理得到2个与温度相关的参数变量，进而计算得出相应的温度补偿值；

所述第一次数据融合处理包括：

所述MCU通过获取的第一姿态角度信息、第二姿态角度信息及温度补偿值，经坐标系基准标定转换、数据融合迭代处理、卡尔曼滤波后以得到支撑组件的角度值信息，其包括第一航向角、第一俯仰角、第一滚动角，第一速度参数。

优选的是，其中，所述GPS和/或BD定位模块通过一解调卡解调出其获取到的实时GPS信息，进而经MCU提取处理得到5个与角度相关的第二参数变量，所述第一天线指向角信息包括：第二航向角、第二俯仰角、第二滚动角，第二速度参数。

优选的是，其中，所述MCU基于与其连接的信标接收模块，以获得信标信号对应的电压信号，以与MCU中预先存储的信标门限值进行比对，若其高于信标门限值，则对其精确定位，否则对天线进行粗定位；

所述粗定位为在预定时间内，以预定方向±5度，俯仰±10度扫描范围内进行循环寻星；

所述精确定位为采用Z字找星法，调整方位俯仰角度向最大方向转动，并采用圆锥定位法在微小范围内进行方位、俯仰的实时调整与跟踪以实现寻星。

优选的是，其中，所述第二数据融合处理包括：所述MCU通过获取到的角度值信息和第一天线指向角信息，通过欧拉转化或四元素法，以得到天线框架各轴的欧拉转角，进一步地通过姿态数据融合和数据滤波得到相应的第二天线指向角信息；

所述MCU通过与其连接的上位机，实现其对内部存储参数数据的的配置，所述参数数据包括信标门限值，天线方位、俯仰、极化标定值，惯导航向、俯仰、横滚标定值。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的各组成部分均做了优化设计，以使其采用国产的电子元器件，就能够实现卫星天线进行实时对星，同时还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜的效果，如其成本可控制在现有成本的1/3-1/5，具有很好的应用空间，另外其在IMU中加入了温度计，使其对卫星天线环境因素也进行了相应的采集，进而获取更精准的数据，以实现精确对准。

其二，本发明在支撑组件与底座之间设置了一定位组件，通过与底座上的滑槽设置，使其能在运动中对天线保持支撑稳定，导向效果好，产品的物理结构稳定性强的效果。

本发明还有一个目的是通过一种应用对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的方法，通过在数据采集阶段引入环境因素，增加了数据计算时的参数变量，以便获得更好的卫星对准精准度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的结构示意框图；

图2为本发明的另一个实施例中支撑组件的结构示意图；

图3为本发明的另一个实施例中天线对星姿态补偿与跟踪控制原理示意框图；

图4为本发明的另一个实施例中姿态解析的示意图；

图5为本发明的另一个实施例中跟踪控制算法的流程示意图；

图6为本发明的另一个实施例中各部分的软件处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1-4示出了根据本发明的一种对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的实现形式，其中包括：

卫星天线1；

与所述卫星天线连接的支撑驱动单元2，其包括支撑组件210，其用于接受电机驱动器的驱动脉冲和方向脉冲，经齿轮传动机构实现天线方位、俯仰、极化寻星和对星，以及设置在其上的可对卫星天线的空间方位进行适应性调整的驱动组件220；

实时跟踪控制单元3，其包括一微控制器MCU 30，其用于与ACU/上位机的通信功能，并接收ACU的控制，能够接收惯导单元的数据；能够接收信标机的数据；能够解调GPS信号；向ACU上报位置信息和天线姿态信息，能够向电机驱动器发出驱动脉冲和方向脉冲，实现控制方位、俯仰、极化电机的转动，以控制天线相应动作；能够接收限位器件的信号。系统为指向工作方式，该方式是根据跟踪信息和当前角位置信息，所完成的位置及速度控制以及分别与其通信连接，以对卫星天线当前的姿态数据、地理位置数据和卫星的信标数据进行获取的惯性测量模块IMU 31，其用于对天线座进行俯仰、横滚、航向的角度检测和俯仰、横滚、航向的角速度检测，确保精确对星，GPS和/或BD定位模块32和信标接收模块33，GPS和/或BD定位模块可看作是GPS定位模块和/或BD北斗模块，以用于接收GPS(BD)卫星定位信号，确定卫星天线的经纬度，并将位置信息提供给天线控制系统，用于解算出天线的方位、俯仰、极化的理论值，信标接收模块用于接收卫星信标信号，并将信标信号转换成数字信号，提供给天线跟踪控制装置的开环寻星和闭环跟踪，并具有更好的通用性和适应性，以适应的不同的需要；

其中，所述IMU中还包括一获取实时温度以根据实时温度状态对姿态数据进行补偿的温度计34，所述MCU通信连接至驱动组件，以实现控制驱动组件执行实时对星的动作。采用这种方案各组成部分均做了优化设计，以使其采用国产的电子元器件，就能够实现卫星天线进行实时对星，同时还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜的效果，如其成本可控制在现有成本的1/3-1/5，具有很好的应用空间，另外其在IMU中加入了温度计，使其对卫星天线环境因素也进行了相应的采集，进而获取更精准的数据，以实现精确对准的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图2所示，在另一种实例中，所述支撑组件包括：

以对卫星天线的姿态角度进行调整的机械传动模块211，其用于与驱动模块相配合，实现卫星天线空间位置的调整；

与所述机械传动模块相配合进而设置在安装面上的底座212，其用于对机械传动模块进行定位安装；

其中，所述机械传动模块与底座之间还设置有辅助支撑导向的定位机构(未示出)，其用于对驱动模块在空间上进行辅助定位，以使其在运行中具有更好的稳定性，天线发生偏移的概率大幅度减少。采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图1-2所示，在另一种实例中，所述机械传动模块包括：一与卫星天线连接的以对其极化角度进行调整的第一框架213，分别与第一框架相配合，以对卫星天线的俯仰角度、方位角度进行调整的第二框架214及第三框架215，其通过在三个框架中设置相配合的转轴，以基于与其相配合电机的驱动，完成三维空间的角度调整；

所述驱动模块包括：设置在第一框架上的极化电机221；

设置在第二框架上的俯仰电机222和与其相连接的第一减速器223；

以及设置在第三框架上的方位电机224和与其相连接的第二减速器225；

其中，所述第一框架，第二框架及第三框架通过相配合的转轴以层层套设的方式进行设置，进而通过驱动模块的作用带动卫星天线做在相应的角度调整。所述第一框架与底座之间设置有一电源模块226，且所述第一框架通过固定设置在其内的齿轮与方位电机的配合，进而实现第一框架在底座上360度的旋转，进行方位调节，所述第二框架通过一俯仰旋转轴及其配合的卡簧216设置在第一框架上，且基于俯仰电机的作用，使得第二框架可基于第一框架在空间上做俯仰动作，进行俯仰调节，且各所述电机通过相配合的弹垫7、平垫8、螺母9进而连接，以保持其连接的稳定性，采用这种方案通过相配合的电机、框架和转轴的配合，实现了在空间上的不同角度的调整，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图2所示，在另一种实例中，所述定位机构包括支撑件，所述底座上设置有可供支撑件的一端伸入并呈360度旋转的滑槽(未示出)，其以在支撑组件旋转时配合其旋转，并在任意旋转角度都能直到支撑作用，具有可实施效果好，可操作性强的效果，且

所述支撑件与滑槽相配合的一端设置有减震垫(未示出)，其用于支运动中的各部件进行减震保护，以使其具有更好的使用效果。采用这种方案具有稳定性好，实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改

如图1所示，另一种实例中，所述实时控制单元还包括与MCU通信连接的上位机35，其用于接收上传的位置信息和天线姿态信息，通过键盘和显示屏的人机监控界面实现操作，实现对室外单元的监控功能(RS422控制接口)，实现实时故障自动告警，通过IP口能够接受远程站监控管理及状态查询，同时还可以用于向MCU中预存数据或对其内部参数数据做适应性的调整；

所述支撑组件与MCU之间通过依次连接的极化编码器4、信号转化板5、接口转换模块6进而构成数据传输链路。采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图3所示，本发明的目的还可以进一步地由一种应用对运动中的卫星天线进行实时对星的装置的方法来实现，包括：

通过所述IMU以分别获取支撑组件实时的姿态角度信息、温度数据信息，进而经过MCU进行第一次数据融合处理，以得到卫星天线在不同温度环境下所需要补偿的角度值信息；

通过所述GPS和/或BD定位模块获取支撑组件的实时GPS信息，进而通过MCU与目标卫星的目标GPS信息进行比较判断，得到第一天线指向角信息；

通过所述MCU对上述的角度值信息和第一天线指向角信息进行第二次数据融合处理，以得到第二天线指向角信息，所述MCU基于第二天线指向角信息，通过伺服控制模块驱动所述驱动模块中的各电机做相应执行动作，进而实现运动中卫星天线的实时对星动作。而其的具体的实施主要需要进行三个步骤的工作：(1)利用IMU解析得出的载体实时姿态角度，通过坐标转换，计算出的为克服载体扰动影响，天线所需要的补偿的角度；(2)结合载体GPS和目标卫星GPS信息，推算出天线波束在地理坐标中的指向；(3)对前面两组角度信息，通过数据融合处理，包括：基准标定、数据滤波处理等，得到为实现天线指向目标卫星，需要框架轴转动的目标角度，采用这种方案具有稳定性好，精度高，可实施效果好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述姿态角度的数据信息获取包括：

通过所述IMU中的3轴加速度计和3轴速率陀螺，经MCU以每秒100次的提取处理得到5个与角度相关的第一参数变量，进而得到支撑组件的第一姿态角度信息和第二姿态角度信息；

所述温度数据信息通过所述温度计获取支撑组件当前的环境温度，进而通过MCU提取处理得到2个与温度相关的参数变量，进而计算得出相应的温度补偿值；

所述第一次数据融合处理包括：

所述MCU通过获取的第一姿态角度信息、第二姿态角度信息及温度补偿值，经坐标系基准标定转换、数据融合迭代处理、卡尔曼滤波后以得到支撑组件的角度值信息，其包括第一航向角、第一俯仰角、第一滚动角，第一速度参数。采用这种方案对载体姿态的解算，得到载体在特定地理坐标系中的俯仰、横滚、航向角信息，是实现天线波束指向控制的前提，也是天线跟星控制软件设计中的一个关键重要内容。该装置设计中，我们选择惯性测量单元IMU，其内部集成了三只加速度计和三只速率陀螺，通过三只与载体固连的加速度计，可以分别感测到加速度计所在平面与地面的角度关系，也就是横滚角和俯仰角；而陀螺仪的是用来测量相对惯性坐标系角速度信号的，通过对角速度积分，同样可得到载体的惯性姿态角度值；但两种器件各有固有的优缺点，陀螺仪具有长时间工作产生输出漂移误差的缺点，加速度计则在载体进行变速运动时，由于输出叠加了载体运动加速度，造成角度计算误差；我们采用对两种输出进行特定的数据融合处理，可以提高姿态角度解算的系统精度，其过程工作原理如附图4所示，具有可实施效果好，可操作性强，精度可控的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述GPS和/或BD定位模块通过一解调卡解调出其获取到的实时GPS信息，进而经MCU提取处理得到5个与角度相关的第二参数变量，所述第一天线指向角信息包括：第二航向角、第二俯仰角、第二滚动角，第二速度参数。采用这种方案以与惯性测量模块相配合，以进行二次数据整合，以得到更优的数据参数，进而得到更好的精准度的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述MCU基于与其连接的信标接收模块，以获得信标信号对应的电压信号，以与MCU中预先存储的信标门限值进行比对，若其高于信标门限值，则对其精确定位，否则对天线进行粗定位；

所述粗定位为在预定时间内，以预定方向±5度，俯仰±10度扫描范围内进行循环寻星；

所述精确定位为采用Z字找星法，调整方位俯仰角度向最大方向转动，并采用圆锥定位法在微小范围内进行方位、俯仰的实时调整与跟踪以实现寻星。采用这种方案的跟踪控制算法软件，是系统软件设计中最核心的部分，该软件实现动中通天线的开机自检、自动寻星、跟踪、换星、手动控制等整个过程，其详细的工作流程如附图5所示，而动中通卫星天线能够保持载体在高速、颠簸、冲击、摇摆等无规则的运动中高精度地跟踪卫星，启到关键作用的是高性能的跟踪算法，该算法包括姿态解析、坐标变换、动态对准、动态跟踪等关键点。姿态解析：对陀螺、加速度计和GPS数据进行实时采样后，进行组合解算，得到载体的方位、俯仰、横滚角等姿态信息。坐标变换：根据载体姿态信息解算出载体在地理坐标系中的姿态数据，通过坐标转换，解算得到天线坐标系中天线轴对准目标卫星的方位、俯仰、极化的角度数据。动态对准：由于动中通卫星天线初次加电时，载体处于无规则的运动中，导致载体的姿态初次解析过程比较复杂，需要引入扰动滤波和组合导航解算，对初始一段时间内的陀螺、加速度计和GPS输出数据进行积分，以快速地消除扰动影响，得到载体准确的初始姿态信息以及天线轴对准目标卫星的初始角度信息。动态跟踪：得到载体初始姿态后，载体仍然保持无规则的运动，利用陀螺、加速度计和GPS输出的实时数据进行连续滤波和解算，以保持动态姿态信息和天线轴对准目标卫星角度信息的实时跟踪，故具有可实施效果好，可操作性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图2-5所示，在另一种实例中，所述第二数据融合处理包括：所述MCU通过获取到的角度值信息和第一天线指向角信息，通过欧拉转化或四元素法，以得到天线框架各轴的欧拉转角，进一步地通过姿态数据融合和数据滤波得到相应的第二天线指向角信息；

所述MCU通过与其连接的上位机，实现其对内部存储参数数据的的配置，所述参数数据包括信标门限值，天线方位、俯仰、极化标定值，惯导航向、俯仰、横滚标定值。采用这种方案基于IMU的姿态解析，得到了载体在地理坐标系中的实时姿态角度，而结合载体上安装的GPS和目标卫星的GPS信息，可得到天线波束在地理坐标系中的目标指向角度，然后通过欧拉转化或者四元素法，得到天线框架各轴的欧拉转角，由伺服控制系统驱动电机轴转动，补偿载体运动而对天线指向的扰动影响，并实现天线对目标卫星的指向跟踪控制，其控制效果也是系统设计所考核的关键功能指标。具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

而本发明中的各种传感器数据采集(IMU、GPS/BD、信标等)、姿态解算、坐标旋转变换，以及寻星、动态跟星跟踪控制算法等，其详细划分见下图6所示，据此可知本发明的技术效果对于本领域的技术人员来说，可以通过本说明书的内容得以实施，“动中通”卫星通信是针对移动载体(如车、船等)通信需求的重要通信方式。现在，国内、外都有成熟产品，但价格高昂；推广遇到瓶颈，本装置使一种体积小、重量轻、功耗低、价格便宜的“动中通”卫星通信产品成为可能，对卫星通信产品广泛应用具有现实意义。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的对运动中的卫星天线进行实时对星的装置及应用方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。