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市場(chǎng)需求 “十五”期間我國將成為世界大型客車(chē)生產(chǎn)基地，但目前的豪華客車(chē)上都沒(méi)有裝備可移動(dòng)接收衛星電視節目的天線(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統，只能收看影碟。大型國際運動(dòng)會(huì )上，運動(dòng)員希望在乘車(chē)途中收看實(shí)時(shí)的電視轉播，所以實(shí)現在行駛的汽車(chē)上接收衛星電視直接節目，是個(gè)急待開(kāi)發(fā)的項目。 火車(chē)、輪船、飛機也是一個(gè)很大的使用市場(chǎng)，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(chē)要過(guò)山洞，飛機要平衡等問(wèn)題都需要建立穩定的平臺。 要想滿(mǎn)足市場(chǎng)的這些需求，就必須移植姿態(tài)測量中的高新技術(shù)，充分利用導彈制導和衛星姿態(tài)測量技術(shù)，開(kāi)發(fā)車(chē)載接收衛星電視天線(xiàn)的自動(dòng)跟蹤系統。因為要想在移動(dòng)中清晰地接收衛星電視直播節目，天線(xiàn)增益要求就高，這樣天線(xiàn)的波束就很窄，此時(shí)要想提高精度，實(shí)時(shí)地跟蹤衛星，使得天線(xiàn)中心軸始終對準衛星，就必須采用姿態(tài)測量技術(shù)。 天線(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統的構成與工作原理 天線(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統主要由：陀螺傳感器，電子羅盤(pán)，16bit CPU的單片機（因為陀螺傳感器是數字型16bit的串行輸出，所以單片機也選16bit的CPU，這樣數據可以一次性地由數據總線(xiàn)讀入），伺服系統（包括伺服驅動(dòng)器和伺服馬達），1.2米橫置偏饋衛星電視接收天線(xiàn)，衛星電視接收機，電壓/頻率（V/F）轉換模塊，GPS接收機模塊和GPS天線(xiàn)等組成，如右圖所示。 1．陀螺傳感器主要是用來(lái)測量汽車(chē)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)的微電子機械系統（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)；隨機漂移�。�<1°/h），動(dòng)態(tài)范圍在±60°/s，標度因子誤差<2%；通過(guò)對陀螺傳感器輸出的汽車(chē)航向角變化的角速率進(jìn)行積分，就能得到汽車(chē)行駛中的航向角變化量△θ。還可以利用其手冊和說(shuō)明書(shū)給出的方法，對其所采集的數據進(jìn)行編程，并送單片機中的CPU進(jìn)行處理。 2．電子羅盤(pán)主要是用來(lái)測量衛星電視天線(xiàn)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(pán)，它是以NMEA格式，通過(guò)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(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(cháng)時(shí)間工作。 3．伺服系統包括了伺服驅動(dòng)器和伺服馬達，考慮到車(chē)載條件下需長(cháng)時(shí)間免維護工作，選用英國CT公司的微型交流無(wú)刷伺服馬達和伺服驅動(dòng)系統，其驅動(dòng)器由微處理器來(lái)控制所有功能，還有產(chǎn)生供逆變器專(zhuān)用的可調脈沖寬度PWM輸出的ASIC芯片，用ASIC的輸出來(lái)控制IGBT逆變器，它們是都封裝在一起的應用模塊，能同時(shí)進(jìn)行單軸或多軸控制。全數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)負載的沖擊。如果選用直流伺服驅動(dòng)器和直流伺服馬達，雖然能夠提供線(xiàn)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(cháng)壽命電刷）須經(jīng)常更換，給售后服務(wù)、維修、備份帶來(lái)很多不便。 4．GPS接收機模塊，它是用來(lái)測量汽車(chē)當前經(jīng)緯度定位坐標的，因為陀螺傳感器長(cháng)時(shí)間工作會(huì )有零點(diǎn)漂移和隨機漂移，這樣會(huì )產(chǎn)生累積誤差，從而影響天線(xiàn)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(chē)當前經(jīng)緯度定位坐標和衛星電視按收機輸出的自動(dòng)增益控制（AGC）信號來(lái)校正一次天線(xiàn)的位置，修正它的誤差使之重新對準衛星。但汽車(chē)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)行自律導航。有了GPS給出的汽車(chē)當前經(jīng)緯度定位坐標，再利用同步衛星軌道的坐標，通過(guò)計算公式就可以推導出衛星電視天線(xiàn)應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)行自律導航。有了GPS給出的汽車(chē)當前經(jīng)緯度定位坐標，再利用同步衛星軌道的坐標，通過(guò)計算公式就可以推導出衛星電視天線(xiàn)應保持的航向角和俯仰角。 航向角 俯仰角 其中B為汽車(chē)當前的緯度，L為汽車(chē)當前的經(jīng)度，δ為衛星的經(jīng)度。 由此給出的航向角范圍在0～360°，俯仰角的范圍在0～90°。詳細的推算方法在此不再贅述。 5．車(chē)載衛星電視天線(xiàn)選擇的是單偏置拋物面天線(xiàn)，因為這種天線(xiàn)的饋源及其支撐遮擋最小，并且有較大的焦距直徑比f(wàn)/D，從而使天線(xiàn)的縱向尺寸變大，短徑降低，還能降低天線(xiàn)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(chē)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(chē)行駛。 整個(gè)系統的初始化條件是以電子羅盤(pán)數據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(lái)保持與陀螺傳感器測量到的航向角變化量同步，經(jīng)單片機中的CPU處理后以20Hz頻率驅動(dòng)伺服系統，控制天線(xiàn)轉動(dòng)方向使天線(xiàn)中心軸始終對準衛星，實(shí)現實(shí)時(shí)跟蹤。 衛星電視接收機輸出的AGC模擬信號，經(jīng)V/F模塊轉換成頻率后送單片機，以50ms定時(shí)中斷的單片機開(kāi)始對V/F輸出的頻率計數，當信號最大時(shí)，表示又重新捕獲到衛星。 結束語(yǔ) 采用姿態(tài)測量技術(shù)設計的車(chē)載天線(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統，改變其天線(xiàn)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星電視，也可以應用到衛星通信、多媒體業(yè)務(wù)當中，市場(chǎng)前景十分廣闊。 |
