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[導讀]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

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?。?lt;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。

 

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