车载接收卫星电视直播节目的天线自动跟踪系统

车载接收卫星电视直播节目的天线自动跟踪系统

利用姿态测量技术，用陀螺传感器对汽车行驶中航向角的变化量进行测量，单片机对测得的数据进行处理后控制伺服系统驱动伺服马达，转动天线使得天线中心轴始终对准卫星，确保汽车在行驶过程中接收卫星电视直播节目能正常工作，并对长时间行驶累积的误差进行修正。
　　关键词：陀螺传感器；电子罗盘；姿态测量；卫星电视；天线自动跟踪系统

市场需求
　　“十五”期间我国将成为世界大型客车生产基地，但目前的豪华客车上都没有装备可移动接收卫星电视节目的天线自动跟踪系统，只能收看影碟。大型国际运动会上，运动员希望在乘车途中收看实时的电视转播，所以实现在行驶的汽车上接收卫星电视直接节目，是个急待开发的项目。
　　火车、轮船、飞机也是一个很大的使用市场，但是它们使用的工作环境又各自不同，轮船左右摇摆，前后仰角幅度大，火车要过山洞，飞机要平衡等问题都需要建立稳定的平台。
　　要想满足市场的这些需求，就必须移植姿态测量中的高新技术，充分利用导d制导和卫星姿态测量技术，开发车载接收卫星电视天线的自动跟踪系统。因为要想在移动中清晰地接收卫星电视直播节目，天线增益要求就高，这样天线的波束就很窄，此时要想提高精度，实时地跟踪卫星，使得天线中心轴始终对准卫星，就必须采用姿态测量技术。

天线自动跟踪系统的构成与工作原理
　　天线自动跟踪系统主要由：陀螺传感器，电子罗盘，16bit CPU的单片机（因为陀螺传感器是数字型16bit的串行输出，所以单片机也选16bit的CPU，这样数据可以一次性地由数据总线读入），伺服系统（包括伺服驱动器和伺服马达），1.2米横置偏馈卫星电视接收天线，卫星电视接收机，电压/频率（V/F）转换模块，GPS接收机模块和GPS天线等组成，如右图所示。
　　1．陀螺传感器主要是用来测量汽车行驶的航向角，考虑到性能价格比一般都选用俄罗斯生产的全固态光纤陀螺传感器，或选美国生产的微电子机械系统（MEMS）的惯性陀螺传感器，它们都具有体积小、重量轻、功耗低、启动快等优点；随机漂移小（<1°/h），动态范围在±60°/s，标度因子误差<2%；通过对陀螺传感器输出的汽车航向角变化的角速率进行积分，就能得到汽车行驶中的航向角变化量△θ。还可以利用其手册和说明书给出的方法，对其所采集的数据进行编程，并送单片机中的CPU进行处理。
　　2．电子罗盘主要是用来测量卫星电视天线的俯仰角和横滚角变化量的传感器，可以选用美国霍尼威尔公司生产的电子罗盘，它是以NMEA格式，通过RS232串口提供俯仰角、横滚角和航偏变化量的输出。它具有响应快速，最高可达20Hz，响应时间为0.1s，航向精度为±0.5°，分辨率为0.1°，倾斜角(俯仰、横滚)在±40°，精度为±0.1°，可在恶劣环境下长时间工作。
　　3．伺服系统包括了伺服驱动器和伺服马达，考虑到车载条件下需长时间免维护工作，选用英国CT公司的微型交流无刷伺服马达和伺服驱动系统，其驱动器由微处理器来控制所有功能，还有产生供逆变器专用的可调脉冲宽度PWM输出的ASIC芯片，用ASIC的输出来控制IGBT逆变器，它们是都封装在一起的应用模块，能同时进行单轴或多轴控制。全数字化可以消除模拟量控制存在的漂移，还能承受启动时负载的冲击。如果选用直流伺服驱动器和直流伺服马达，虽然能够提供线性控制、角速度控制、拉伸速率之间的良好同步，但是直流伺服马达的电刷（即使是长寿命电刷）须经常更换，给售后服务、维修、备份带来很多不便。
　　4．GPS接收机模块，它是用来测量汽车当前经纬度定位坐标的，因为陀螺传感器长时间工作会有零点漂移和随机漂移，这样会产生累积误差，从而影响天线的跟踪精度，所以每隔一两个小时后就要用GPS给出的汽车当前经纬度定位坐标和卫星电视按收机输出的自动增益控制（AGC）信号来校正一次天线的位置，修正它的误差使之重新对准卫星。但汽车行驶在隧道、高层楼群、高架桥下以及密林等地段时，由于遮挡会使GPS定位失效，引入更大的误差，这时就要采取推算定位（Dead Reckoning）进行自律导航。有了GPS给出的汽车当前经纬度定位坐标，再利用同步卫星轨道的坐标，通过计算公式就可以推导出卫星电视天线应保持的航向角和俯仰角。

等地段时，由于遮挡会使GPS定位失效，引入更大的误差，这时就要采取推算定位（Dead Reckoning）进行自律导航。有了GPS给出的汽车当前经纬度定位坐标，再利用同步卫星轨道的坐标，通过计算公式就可以推导出卫星电视天线应保持的航向角和俯仰角。
　　航向角
　　　　　　
　　俯仰角
　　　　　　

　　其中B为汽车当前的纬度，L为汽车当前的经度，δ为卫星的经度。
　　由此给出的航向角范围在0～360°，俯仰角的范围在0～90°。详细的推算方法在此不再赘述。
　　5．车载卫星电视天线选择的是单偏置抛物面天线，因为这种天线的馈源及其支撑遮挡最小，并且有较大的焦距直径比f/D，从而使天线的纵向尺寸变大，短径降低，还能降低天线旁瓣电平和改善馈源的极化辐射电平。如果横向安装在汽车顶上有利用降低整体高度，折叠式设计可减小阻力，便于汽车行驶。
　　整个系统的初始化条件是以电子罗盘数据的输出为最高级别中断，并选择最高响应频率20Hz串行输出俯仰角和横滚角的变化量，来保持与陀螺传感器测量到的航向角变化量同步，经单片机中的CPU处理后以20Hz频率驱动伺服系统，控制天线转动方向使天线中心轴始终对准卫星，实现实时跟踪。
　　卫星电视接收机输出的AGC模拟信号，经V/F模块转换成频率后送单片机，以50ms定时中断的单片机开始对V/F输出的频率计数，当信号最大时，表示又重新捕获到卫星。

结束语
　　采用姿态测量技术设计的车载天线自动跟踪系统，改变其天线的跟踪工作平台，就可以适用于不同载体。它不仅适用于接收卫星电视，也可以应用到卫星通信、多媒体业务当中，市场前景十分广阔。