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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星電視節目的天線自動跟蹤系統，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，所以實現在行駛的汽車上接收衛星電視直接節目，是個急待開發的項目。 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定的平臺。 要想滿足市場的這些需求，就必須移植姿態測量中的高新技術，充分利用導彈制導和衛星姿態測量技術，開發車載接收衛星電視天線的自動跟蹤系統。因為要想在移動中清晰地接收衛星電視直播節目，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，實時地跟蹤衛星，使得天線中心軸始終對準衛星，就必須采用姿態測量技術。 天線自動跟蹤系統的構成與工作原理 天線自動跟蹤系統主要由：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讀入），伺服系統（包括伺服驅動器和伺服馬達），1.2米橫置偏饋衛星電視接收天線，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光纖陀螺傳感器，或選美國生產的微電子機械系統（MEMS）的慣性陀螺傳感器，它們都具有體積小、重量輕、功耗低、啟動快等優點；隨機漂移小（<1°/h），動態范圍在±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△θ。還可以利用其手冊和說明書給出的方法，對其所采集的數據進行編程，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°，可在惡劣環境下長時間工作。 3．伺服系統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，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，再利用同步衛星軌道的坐標，通過計算公式就可以推導出衛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，再利用同步衛星軌道的坐標，通過計算公式就可以推導出衛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。 整個系統的初始化條件是以電子羅盤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，控制天線轉動方向使天線中心軸始終對準衛星，實現實時跟蹤。 衛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，當信號最大時，表示又重新捕獲到衛星。 結束語 采用姿態測量技術設計的車載天線自動跟蹤系統，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星電視，也可以應用到衛星通信、多媒體業務當中，市場前景十分廣闊。 |
