車載接收衛(wèi)星電視直播節(jié)目的天線自動跟蹤系統(tǒng)

市場需求

“十五”期間我國將成為世界大型客車生產基地，但目前的豪華客車上都沒有裝備可移動接收衛(wèi)星電視節(jié)目的天線自動跟蹤系統(tǒng)，只能收看影碟。大型國際運動會上，運動員希望在乘車途中收看實時的電視轉播，所以實現(xiàn)在行駛的汽車上接收衛(wèi)星電視直接節(jié)目，是個急待開發(fā)的項目。

火車、輪船、飛機也是一個很大的使用市場，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，飛機要平衡等問題都需要建立穩(wěn)定的平臺。

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，充分利用導彈制導和衛(wèi)星姿態(tài)測量技術，開發(fā)車載接收衛(wèi)星電視天線的自動跟蹤系統(tǒng)。因為要想在移動中清晰地接收衛(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，此時要想提高精度，實時地跟蹤衛(wèi)星，使得天線中心軸始終對準衛(wèi)星，就必須采用姿態(tài)測量技術。

天線自動跟蹤系統(tǒng)的構成與工作原理

天線自動跟蹤系統(tǒng)主要由：陀螺傳感器， 電子羅盤，16bit CPU的單片機（因為陀螺傳感器是數(shù)字型16bit的串行輸出，所以單片機也選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)（包括伺服驅動器和伺服馬達），1.2米橫置偏饋衛(wèi)星電視接收天線，衛(wèi)星電視接收機，電壓/頻率（V/F）轉換模塊，GPS接收機模塊和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，考慮到性能價格比一般都選用俄羅斯生產的全固態(tài)光纖陀螺傳感器，或選美國生產的微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的慣性陀螺傳感器，它們都具有體積小、重量輕、功耗低、啟動快等優(yōu)點；隨機漂移小（1°/h），動態(tài)范圍在 ±60°/s，標度因子誤差2%；通過對陀螺傳感器輸出的汽車航向角變化的角速率進行積分，就能得到汽車行駛中的航向角變化量bigtriangleup;θ。還可以利用其手冊和說明書給出的方法，對其所采集的數(shù)據(jù)進行編程，并送單片機中的CPU進行處理。

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。它具有響應快速，最高可達20Hz，響應時間為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)境下長時間工作。

3．伺服系統(tǒng)包括了伺服驅動器和伺服馬達，考慮到車載條件下需長時間免維護工作，選用英國CT公司的微型交流無刷伺服馬達和伺服驅動系統(tǒng)，其驅動器由微處理器來控制所有功能，還有產生供逆變器專用的可調脈沖寬度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用模塊，能同時進行單軸或多軸控制。全數(shù)字化可以消除模擬量控制存在的漂移，還能承受啟動時負載的沖擊。如果選用直流伺服驅動器和直流伺服馬達，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，但是直流伺服馬達的電刷（即使是長壽命電刷）須經常更換，給售后服務、維修、備份帶來很多不便。

4．GPS接收機模塊，它是用來測量汽車當前經緯度定位坐標的，因為陀螺傳感器長時間工作會有零點漂移和隨機漂移，這樣會產生累積誤差，從而影響天線的跟蹤精度，所以每隔一兩個小時后就要用GPS給出的汽車當前經緯度定位坐標和衛(wèi)星電視按收機輸出的自動增益控制（AGC）信號來校正一次天線的位置，修正它的誤差使之重新對準衛(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，由于遮擋會使GPS定位失效，引入更大的誤差，這時就要采取推算定位（Dead Reckoning）進行自律導航。有了GPS給出的汽車當前經緯度定位坐標，再利用同步衛(wèi)星軌道的坐標，通過計算公式就可以推導出衛(wèi)星電視天線應保持的航向角和俯仰角。

等地段時，由于遮擋會使GPS定位失效，引入更大的誤差，這時就要采取推算定位（Dead Reckoning）進行自律導航。有了GPS給出的汽車當前經緯度定位坐標，再利用同步衛(wèi)星軌道的坐標，通過計算公式就可以推導出衛(wèi)星電視天線應保持的航向角和俯仰角。

航向角

　　　　　
俯仰角

　　　
其中B為汽車當前的緯度，L為汽車當前的經度，δ為衛(wèi)星的經度。

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，因為這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，折疊式設計可減小阻力，便于汽車行駛。

整個系統(tǒng)的初始化條件是以電子羅盤數(shù)據(jù)的輸出為最高級別中斷，并選擇最高響應頻率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，經單片機中的CPU處理后以20Hz頻率驅動伺服系統(tǒng)，控制天線轉動方向使天線中心軸始終對準衛(wèi)星，實現(xiàn)實時跟蹤。

衛(wèi)星電視接收機輸出的AGC模擬信號，經V/F模塊轉換成頻率后送單片機，以50ms定時中斷的單片機開始對V/F輸出的頻率計數(shù)，當信號最大時，表示又重新捕獲到衛(wèi)星。

結束語

采用姿態(tài)測量技術設計的車載天線自動跟蹤系統(tǒng)，改變其天線的跟蹤工作平臺，就可以適用于不同載體。它不僅適用于接收衛(wèi)星電視，也可以應用到衛(wèi)星通信、多媒體業(yè)務當中，市場前景十分廣闊。