態(tài)相關(guān)，計(jì)算量較小，應(yīng)用廣 泛，本實(shí)用新型移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)的電機(jī)控制算法也是基于增量式PID函數(shù)為 模型的。
[0033] 2)、天線航向與俯仰角的計(jì)算：
[0034]天線指向相對(duì)地理坐標(biāo)系的航向角和俯仰角稱為天線對(duì)衛(wèi)星的視角，天線指向相 對(duì)載體坐標(biāo)系得航向角和俯仰角稱為天線跟蹤衛(wèi)星時(shí)的目標(biāo)角度。
[0035] a.地理坐標(biāo)系中的航向與俯仰角計(jì)算：
[0036]由于所需對(duì)準(zhǔn)跟蹤的同步衛(wèi)星在地球赤道上空，煒度為零，因此，地面接收點(diǎn)P與 衛(wèi)星S之間的距離為：
[0037]
[0038] 式中：κ為地面站距地心的距離（一般取值地球平均半徑： 6378km)，H為衛(wèi)星高度，λ = λρ-λ8，λρ為當(dāng)前所在地?zé)樁?，As為衛(wèi)星煒度，％為當(dāng)前所在地?zé)?度。
[0039]天線在地理坐標(biāo)系下的俯仰角為：
[0040]
[0041]航向角為接收點(diǎn)P和赤道上空衛(wèi)星S間的連線與水平面的夾角；從接收點(diǎn)看，指向 位于赤道上空的衛(wèi)星的航向角是地面天線的航向角，有cosAz =sin^cosA,即：
[0042] 3)、載體坐標(biāo)系中的航向與俯仰角計(jì)算：
[0043]已知天線在地理坐標(biāo)系中的方位俯仰角，就可以通過(guò)坐標(biāo)變換得到天線在載體坐 標(biāo)系中的方位角Az和俯仰角El，因此有必要得到地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系這兩個(gè)正交笛卡 兒坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，它們之間的相互關(guān)系可用一個(gè)方向余弦表來(lái)表示，用矩陣形式 來(lái)表示的方向余弦表則稱為旋轉(zhuǎn)矩陣<。
[0044] 地理坐標(biāo)系到水平坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換為：
[0045]
[0046] 展開(kāi)可得：
[0047]
[0048]
[0049] 只要控制系統(tǒng)控制天線的航向和俯仰角度分別與衛(wèi)星相對(duì)于載體坐標(biāo)系的航向 角Az和俯仰角El相一致，則表示天線的指向?qū)?zhǔn)了衛(wèi)星，從而達(dá)到了天線跟蹤衛(wèi)星的目的。 因此我們稱航向角Az和俯仰角El為載體天線跟蹤衛(wèi)星時(shí)的目標(biāo)角度，也稱之為天線指向的 目標(biāo)角度。
[0050] 從上面的分析可以看出，只要已知載體相對(duì)地理坐標(biāo)系的航向角Φ、俯仰角Θ和橫 滾角Y，就可以求出天線指向的目標(biāo)角度Az和El，并將它們提供給控制系統(tǒng)，對(duì)天線指向進(jìn) 行控制。在實(shí)際應(yīng)用中方位角需要調(diào)整，調(diào)整的方法是:利用慣導(dǎo)系統(tǒng)得到載體縱軸與北向 的夾角，然后將此夾角與航向角Az之相加得到的航向角才是天線驅(qū)動(dòng)所需的角度。天線的 指向相對(duì)于載體坐標(biāo)系的航向角和俯仰角是可以由角度傳感器檢測(cè)到并由控制系統(tǒng)控制 的。
[0051 ] 4)、步進(jìn)搜索與跟蹤：
[0052]在步進(jìn)跟蹤中，天線的運(yùn)動(dòng)可以分為搜索步和調(diào)整步兩種。搜索步的功能是確定 天線轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，調(diào)整步則是在該方向上轉(zhuǎn)動(dòng)天線一步。通常需要經(jīng)過(guò)若干次搜索步搜索， 才能確定天線應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。此后，天線就回到原來(lái)的位置，然后向搜索步確定的方向轉(zhuǎn) 動(dòng)一步，這最后的一步就稱為調(diào)整步。調(diào)整步與搜索步的主要區(qū)別在于經(jīng)過(guò)調(diào)整步后，天線 不會(huì)回到原來(lái)位置;而搜索步則不一樣，不管搜索步動(dòng)作多少次，只要完成規(guī)定的搜索次數(shù) 后，天線就會(huì)回到原來(lái)位置，接著天線就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)調(diào)整步。
[0053]本實(shí)用新型采用多傳感器的數(shù)據(jù)融合和卡爾曼(Kalman)濾波技術(shù)，克服了單一導(dǎo) 航系統(tǒng)的缺陷，在北斗信號(hào)丟失的情況下依然實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。利用移動(dòng)天線載體的導(dǎo)航參數(shù)，經(jīng) 過(guò)計(jì)算給出天線指向某一衛(wèi)星的航向角和俯仰角，按一定的控制算法，通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng) 天線轉(zhuǎn)動(dòng)，直至達(dá)到目標(biāo)。該項(xiàng)目可以廣泛應(yīng)用于車載和船載天線的穩(wěn)定與控制。
[0054]本實(shí)用新型移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
[0055] (1)將組合導(dǎo)航系統(tǒng)和控制技術(shù)結(jié)合，解決了移動(dòng)天線的固定指向問(wèn)題，保證了天 線在運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的增益。在分析MEMS慣性傳感器誤差模型的基礎(chǔ)上，組建捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)， 由于慣導(dǎo)系統(tǒng)自主性、輸出穩(wěn)定、不受干擾，缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間累積。而北斗2號(hào)衛(wèi)星的定位 精度高，誤差不累積，但易受干擾，甚至可能在短時(shí)間內(nèi)失去信號(hào)。兩者結(jié)合起來(lái)，將北斗信 息作為外部測(cè)量輸入，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)不斷修正慣導(dǎo)來(lái)控制其誤差隨時(shí)間的積累，可以 提高制導(dǎo)精度，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)天線基座的低成本慣性測(cè)量問(wèn)題。
[0056] (2)結(jié)合載體的運(yùn)動(dòng)特性和慣性傳感器的輸出，確定基于地理坐標(biāo)系下的移動(dòng)天 線的穩(wěn)定與跟蹤算法，解決了天線靜止中穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的快速響應(yīng)性和指向精度。 由于船載或車載天線是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)。當(dāng)載體靜止時(shí)要求天線指向精度 高且穩(wěn)定；當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求天線的跟蹤速度要快，指向精度要滿足天線接收衛(wèi)星信號(hào)的 要求。載體的運(yùn)動(dòng)特性和慣性傳感器的輸出信號(hào)特點(diǎn)，確定基于地理坐標(biāo)系下的移動(dòng)天線 的穩(wěn)定與跟蹤算法。
[0057] (3)結(jié)合組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信號(hào)和衛(wèi)星信號(hào)的特點(diǎn)，建立適合衛(wèi)星信號(hào)搜索的 步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的控制算法，保證移動(dòng)天線的實(shí)時(shí)指向性功能。由于是位置隨動(dòng)系統(tǒng)， 天線的指向要隨移動(dòng)物體的變換而變化，必須建立適合衛(wèi)星信號(hào)搜索的步進(jìn)電機(jī)和伺服電 機(jī)的控制算法，該算法是利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信號(hào)和衛(wèi)星的信標(biāo)(AGC信號(hào))信號(hào)，建立 起來(lái)的雙閉環(huán)的PID算法。算法即要保證天線正常工作時(shí)的實(shí)時(shí)指向性精度要求;又要保證 衛(wèi)星信號(hào)不好或受到擾動(dòng)時(shí)天線能自動(dòng)搜索衛(wèi)星信號(hào)。
[0058] (4)基于一個(gè)DSP設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)、處理、解算和控制指令于一體，使系統(tǒng) 的性價(jià)比最高、功耗最小。
[0059] 本實(shí)用新型一種移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，是針對(duì)中國(guó)衛(wèi)星資源現(xiàn)況和現(xiàn)有 船載衛(wèi)星通訊接收設(shè)備情況而專門(mén)設(shè)計(jì)的，應(yīng)用系統(tǒng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化、模塊化、智 能化、小型化和低成本化，對(duì)水上應(yīng)用環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，適用于中國(guó)近海、內(nèi)河、遠(yuǎn)洋 等各種使用環(huán)境。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置于衛(wèi)星通訊接收端的三 軸陀螺儀（1 )、三軸加速度計(jì)（2 )、三軸地磁傳感器(3 )，所述三軸陀螺儀（1 )、三軸加速度計(jì) (2)、三軸地磁傳感器(3)均依次通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(5)、A/D轉(zhuǎn)換器(6)后連接至DSP控制器 (8)，所述DSP控制器(8)又與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9)的輸出端分為兩路，一路 與航向電機(jī)(1 〇)連接后連接至二自由度天線體（12 )，所述航向電機(jī)（10)用于控制二自由度 天線體（12)的方位旋轉(zhuǎn)，另一路與俯仰電機(jī)（11)連接后也連接至二自由度天線體（12)，所 述俯仰電機(jī)（11)用于控制二自由度天線體（12)的俯仰角，所述航向電機(jī)（10)和俯仰電機(jī) (11)還分別又與DSP控制器(8)反控制連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述DSP控 制器(8)的輸入端還與設(shè)置于衛(wèi)星通訊接收端的北斗接收機(jī)(4)連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述DSP控 制器(8)內(nèi)還設(shè)置有卡爾曼濾波模塊(7)。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種移動(dòng)衛(wèi)星天線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，包括設(shè)置于衛(wèi)星通訊接收端的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸地磁傳感器，三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸地磁傳感器均依次通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器后連接至DSP控制器，DSP控制器又與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端分為兩路，一路與航向電機(jī)連接后連接至二自由度天線體，航向電機(jī)用于控制二自由度天線體的方位旋轉(zhuǎn)，另一路與俯仰電機(jī)連接后也連接至二自由度天線體，俯仰電機(jī)用于控制二自由度天線體的俯仰角，航向電機(jī)和俯仰電機(jī)還分別又與DSP控制器反控制連接，本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的移動(dòng)衛(wèi)星通訊接收系統(tǒng)安裝成本高、空間局限大的問(wèn)題。
【IPC分類】H01Q3/08
【公開(kāi)號(hào)】CN205248448
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521014701
【發(fā)明人】李永連, 邢顯國(guó), 吳捷
【申請(qǐng)人】陜西瑞特測(cè)控技術(shù)有限公司
【公開(kāi)日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2015年12月8日