車載接收衛(wèi)星電視直播節(jié)目的天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

市場需求

“十五”期間我國將成為世界大型客車生產(chǎn)基地，但目前的豪華客車上都沒有裝備可移動(dòng)接收衛(wèi)星電視節(jié)目的天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，只能收看影碟。大型國際運(yùn)動(dòng)會(huì)上，運(yùn)動(dòng)員希望在乘車途中收看實(shí)時(shí)的電視轉(zhuǎn)播，所以實(shí)現(xiàn)在行駛的汽車上接收衛(wèi)星電視直接節(jié)目，是個(gè)急待開發(fā)的項(xiàng)目。

火車、輪船、飛機(jī)也是一個(gè)很大的使用市場，但是它們使用的工作環(huán)境又各自不同，輪船左右搖擺，前后仰角幅度大，火車要過山洞，飛機(jī)要平衡等問題都需要建立穩(wěn)定的平臺(tái)。

要想滿足市場的這些需求，就必須移植姿態(tài)測量中的高新技術(shù)，充分利用導(dǎo)彈制導(dǎo)和衛(wèi)星姿態(tài)測量技術(shù)，開發(fā)車載接收衛(wèi)星電視天線的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。因?yàn)橐朐谝苿?dòng)中清晰地接收衛(wèi)星電視直播節(jié)目，天線增益要求就高，這樣天線的波束就很窄，此時(shí)要想提高精度，實(shí)時(shí)地跟蹤衛(wèi)星，使得天線中心軸始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，就必須采用姿態(tài)測量技術(shù)。

天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要由：陀螺傳感器， 電子羅盤，16bit CPU的單片機(jī)（因?yàn)橥勇輦鞲衅魇菙?shù)字型16bit的串行輸出，所以單片機(jī)也選16bit的CPU，這樣數(shù)據(jù)可以一次性地由數(shù)據(jù)總線讀入），伺服系統(tǒng)（包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服馬達(dá)），1.2米橫置偏饋衛(wèi)星電視接收天線，衛(wèi)星電視接收機(jī)，電壓/頻率（V/F）轉(zhuǎn)換模塊，GPS接收機(jī)模塊和GPS天線等組成，如 右圖所示。

1．陀螺傳感器主要是用來測量汽車行駛的航向角，考慮到性能價(jià)格比一般都選用俄羅斯生產(chǎn)的全固態(tài)光纖陀螺傳感器，或選美國生產(chǎn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的慣性陀螺傳感器，它們都具有體積小、重量輕、功耗低、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)；隨機(jī)漂移?。?°/h），動(dòng)態(tài)范圍在 ±60°/s，標(biāo)度因子誤差2%；通過對(duì)陀螺傳感器輸出的汽車航向角變化的角速率進(jìn)行積分，就能得到汽車行駛中的航向角變化量bigtriangleup;θ。還可以利用其手冊(cè)和說明書給出的方法，對(duì)其所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，并送單片機(jī)中的CPU進(jìn)行處理。

2．電子羅盤主要是用來測量衛(wèi)星電視天線的俯仰角和橫滾角變化量的傳感器，可以選用美國霍尼威爾公司生產(chǎn)的電子羅盤，它是以NMEA格式，通過 RS232串口提供俯仰角、橫滾角和航偏變化量的輸出。它具有響應(yīng)快速，最高可達(dá)20Hz，響應(yīng)時(shí)間為0.1s，航向精度為± 0.5°，分辨率為0.1°，傾斜角(俯仰、橫滾)在±40°，精度為±0.1°，可在惡 劣環(huán)境下長時(shí)間工作。

3．伺服系統(tǒng)包括了伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服馬達(dá)，考慮到車載條件下需長時(shí)間免維護(hù)工作，選用英國CT公司的微型交流無刷伺服馬達(dá)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)器由微處理器來控制所有功能，還有產(chǎn)生供逆變器專用的可調(diào)脈沖寬度PWM輸出的ASIC芯片，用ASIC的輸出來控制IGBT逆變器，它們是都封裝在一起的應(yīng)用模塊，能同時(shí)進(jìn)行單軸或多軸控制。全數(shù)字化可以消除模擬量控制存在的漂移，還能承受啟動(dòng)時(shí)負(fù)載的沖擊。如果選用直流伺服驅(qū)動(dòng)器和直流伺服馬達(dá)，雖然能夠提供線性控制、角速度控制、拉伸速率之間的良好同步，但是直流伺服馬達(dá)的電刷（即使是長壽命電刷）須經(jīng)常更換，給售后服務(wù)、維修、備份帶來很多不便。

4．GPS接收機(jī)模塊，它是用來測量汽車當(dāng)前經(jīng)緯度定位坐標(biāo)的，因?yàn)橥勇輦鞲衅鏖L時(shí)間工作會(huì)有零點(diǎn)漂移和隨機(jī)漂移，這樣會(huì)產(chǎn)生累積誤差，從而影響天線的跟蹤精度，所以每隔一兩個(gè)小時(shí)后就要用GPS給出的汽車當(dāng)前經(jīng)緯度定位坐標(biāo)和衛(wèi)星電視按收機(jī)輸出的自動(dòng)增益控制（AGC）信號(hào)來校正一次天線的位置，修正它的誤差使之重新對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。但汽車行駛在隧道、高層樓群、高架橋下以及密林等地段時(shí)，由于遮擋會(huì)使GPS定位失效，引入更大的誤差，這時(shí)就要采取推算定位（Dead Reckoning）進(jìn)行自律導(dǎo)航。有了GPS給出的汽車當(dāng)前經(jīng)緯度定位坐標(biāo)，再利用同步衛(wèi)星軌道的坐標(biāo)，通過計(jì)算公式就可以推導(dǎo)出衛(wèi)星電視天線應(yīng)保持的航向角和俯仰角。

等地段時(shí)，由于遮擋會(huì)使GPS定位失效，引入更大的誤差，這時(shí)就要采取推算定位（Dead Reckoning）進(jìn)行自律導(dǎo)航。有了GPS給出的汽車當(dāng)前經(jīng)緯度定位坐標(biāo)，再利用同步衛(wèi)星軌道的坐標(biāo)，通過計(jì)算公式就可以推導(dǎo)出衛(wèi)星電視天線應(yīng)保持的航向角和俯仰角。

航向角

　　　　　
俯仰角

　　　
其中B為汽車當(dāng)前的緯度，L為汽車當(dāng)前的經(jīng)度，δ為衛(wèi)星的經(jīng)度。

由此給出的航向角范圍在0～360°，俯仰角的范圍在0～90°。詳細(xì)的推算方法在此不再贅述。

5．車載衛(wèi)星電視天線選擇的是單偏置拋物面天線，因?yàn)檫@種天線的饋源及其支撐遮擋最小，并且有較大的焦距直徑比f/D，從而使天線的縱向尺寸變大，短徑降低，還能降低天線旁瓣電平和改善饋源的極化輻射電平。如果橫向安裝在汽車頂上有利用降低整體高度，折疊式設(shè)計(jì)可減小阻力，便于汽車行駛。

整個(gè)系統(tǒng)的初始化條件是以電子羅盤數(shù)據(jù)的輸出為最高級(jí)別中斷，并選擇最高響應(yīng)頻率20Hz串行輸出俯仰角和橫滾角的變化量，來保持與陀螺傳感器測量到的航向角變化量同步，經(jīng)單片機(jī)中的CPU處理后以20Hz頻率驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向使天線中心軸始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。

衛(wèi)星電視接收機(jī)輸出的AGC模擬信號(hào)，經(jīng)V/F模塊轉(zhuǎn)換成頻率后送單片機(jī)，以50ms定時(shí)中斷的單片機(jī)開始對(duì)V/F輸出的頻率計(jì)數(shù)，當(dāng)信號(hào)最大時(shí)，表示又重新捕獲到衛(wèi)星。

結(jié)束語

采用姿態(tài)測量技術(shù)設(shè)計(jì)的車載天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，改變其天線的跟蹤工作平臺(tái)，就可以適用于不同載體。它不僅適用于接收衛(wèi)星電視，也可以應(yīng)用到衛(wèi)星通信、多媒體業(yè)務(wù)當(dāng)中，市場前景十分廣闊。