一種衛(wèi)星電視快速自動(dòng)定位和跟蹤系統(tǒng)

高麗娟,王鳴,周鵬飛

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖241000）

一種衛(wèi)星電視快速自動(dòng)定位和跟蹤系統(tǒng)

高麗娟,王鳴,周鵬飛

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖241000）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的快速搜索和高精度指向,提出一種利用三維電子羅盤(pán)對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位的系統(tǒng).通過(guò)對(duì)步進(jìn)跟蹤過(guò)程的分析,結(jié)合系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)思路,分析和設(shè)計(jì)了自動(dòng)定位系統(tǒng)的硬件模塊和軟件中的控制算法.為提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力和跟蹤精度,采用空間坐標(biāo)式跟蹤來(lái)代替十字跟蹤,從而快速準(zhǔn)確地進(jìn)行衛(wèi)星定位.

三維電子羅盤(pán)；步進(jìn)跟蹤；十字跟蹤；空間坐標(biāo)

由于我國(guó)地域遼闊、地理氣候復(fù)雜,所以建立完善的網(wǎng)絡(luò)通信所需周期較長(zhǎng)、成本較高,因而很難實(shí)現(xiàn)[1].如今西部地區(qū)游牧民族或是地質(zhì)勘探隊(duì)等在野外所使用的衛(wèi)星電視,要隨住所頻繁調(diào)動(dòng)重新尋找衛(wèi)星.常用的“十字”步進(jìn)跟蹤采用方位面和俯仰面交替調(diào)整方式,容易受干擾的影響引起誤動(dòng)作,造成跟蹤效果差,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致跟蹤失敗.想要準(zhǔn)確地接收到天上的某顆衛(wèi)星的信號(hào),最簡(jiǎn)單常用的方法是一人在室外利用人手轉(zhuǎn)動(dòng)衛(wèi)星電視接收天線,而另一人在室內(nèi)電視前看著接收的衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度大小,既費(fèi)時(shí)間、又費(fèi)人力,且很難快速準(zhǔn)確地找到某顆衛(wèi)星的位置和確定信號(hào)的最佳強(qiáng)度[2].

本文對(duì)衛(wèi)星電視原有的步進(jìn)跟蹤技術(shù)加以改進(jìn),提出一種基于三維電子羅盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星電視自動(dòng)定位系統(tǒng)的2個(gè)重要角度（俯仰角和方位角）實(shí)時(shí)測(cè)量的方法[3],使人們能快速、準(zhǔn)確地找到某衛(wèi)星的位置,且成本低廉、使用較為方便.

1 整體設(shè)計(jì)

自動(dòng)定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總框圖Fig.1 The system block diagram

其中各模塊主要設(shè)計(jì)和功能如下：

（1）天線底座,由天線和支撐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置構(gòu)成.天線俗稱(chēng)大鍋,是一個(gè)金屬拋物面.它的作用是在高頻電流和電磁波之間進(jìn)行能量交換,既可作為發(fā)射裝置也可作為接收裝置.本系統(tǒng)選用的是采用天線偏置技術(shù)的偏置饋源天線,在提高天線的效率的同時(shí)也不會(huì)阻擋主波束.天線外形見(jiàn)圖2.

圖2 天線Fig.2 Antenna

（2）電機(jī),在整個(gè)系統(tǒng)中,主要通過(guò)方位、俯仰2個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)天線底座按預(yù)定方向搜索對(duì)星.由于整個(gè)對(duì)星過(guò)程要求快速精準(zhǔn),所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)要求可控性好,反應(yīng)速度快且穩(wěn)定性高.

（3）控制裝置模塊用于測(cè)量天線的姿態(tài)和位置.GPS接收機(jī)模塊用來(lái)測(cè)量整個(gè)定位系統(tǒng)當(dāng)前經(jīng)緯度定位坐標(biāo).三維電子羅盤(pán)模塊用于測(cè)量天線所在地的實(shí)時(shí)方位、俯仰姿態(tài)信息.此模塊由三軸磁阻傳感器和三軸重力加速度傳感器模塊組成.如圖3所示.

圖3 控制系統(tǒng)Fig.3 Block diagram of control system

（4）電視主要用于查看收索信號(hào)的強(qiáng)度.

（5）信標(biāo)接收機(jī)的主要作用是將天線接收到的信標(biāo)信號(hào)或DVB信號(hào)通過(guò)下變頻器、A/D變換、濾波等處理后檢測(cè)出一個(gè)與信標(biāo)能量值成正比的AGC電平值.當(dāng)天線處于不同的方位俯仰時(shí),AGC電平大小會(huì)隨所對(duì)應(yīng)的信標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度變化,而控制系統(tǒng)則通過(guò)AGC的電平控制自動(dòng)對(duì)星.

2 基本工作原理

2.1 衛(wèi)星跟蹤原理

每一個(gè)通信衛(wèi)星都有一個(gè)唯一的信標(biāo)信號(hào)或DVB信號(hào),地面天線跟蹤就是追蹤信標(biāo)信號(hào)或DVB信號(hào),天線的反射面不斷調(diào)整對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所在的位置,最終反射面精準(zhǔn)的鎖定衛(wèi)星后,衛(wèi)星跟蹤過(guò)程結(jié)束.隨著衛(wèi)星的跟蹤技術(shù)不斷地改進(jìn),衛(wèi)星跟蹤大致分為手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤3類(lèi).綜合比較,系統(tǒng)采用自動(dòng)跟蹤的步進(jìn)跟蹤方法來(lái)搜索衛(wèi)星信號(hào).控制系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的天線對(duì)星性能決定系統(tǒng)的通信質(zhì)量.為了實(shí)現(xiàn)在野外高精度快速對(duì)星,系統(tǒng)采用先粗后細(xì)的跟蹤方法.粗跟蹤主要用來(lái)預(yù)搜索,細(xì)跟蹤主要用來(lái)畫(huà)框跟蹤和空間坐標(biāo)式步進(jìn)跟蹤對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)逼近.信號(hào)搜索過(guò)程如圖4所示.

圖4 信號(hào)搜索過(guò)程Fig.4 Signal searching process

2.2 預(yù)搜索

預(yù)搜索包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、目標(biāo)衛(wèi)星設(shè)定以及天線自動(dòng)走到理論方位等步驟,如圖5所示.

圖5 預(yù)搜索過(guò)程Fig.5 Pre-search process

2.2.1 目標(biāo)衛(wèi)星本文選擇的目標(biāo)衛(wèi)星是同步軌道衛(wèi)星,所以只需知道衛(wèi)星所處的經(jīng)度,這樣利用GPS測(cè)量天線所在的經(jīng)度和緯度.同步衛(wèi)星S與天線所在地理位置A之間的幾何關(guān)系如圖6所示.

圖6 S與A的幾何關(guān)系Fig.6 The target satellite S and the antenna where the geometric relationship between the location of A

圖6 中,A為地面上天線位置,S為同步衛(wèi)星,B為A⌒的經(jīng)線與赤道的交點(diǎn).⌒C是O與S的連線⌒在地球表面上的交點(diǎn).地球表面上通過(guò)A點(diǎn)與C點(diǎn)的弧線AC稱(chēng)為方位線,AN為AC的切線,AM為AB的切線,面OAS為方位面,D為切線AM與赤道平面的交點(diǎn),E為切線AN與赤道平面的交點(diǎn).

方位角又稱(chēng)地平經(jīng)度（Azimuth；Az）,是在平面上量度物體之間的角度差的方法之一.是從某點(diǎn)的指北方向線起,依順時(shí)針?lè)较虻侥繕?biāo)方向線之間的水平夾角[6].如圖6,∠MAN為方位角,俯仰角就是AC與AS的夾角.

2.2.2 方位角、俯仰角計(jì)算設(shè)天線A的經(jīng)度和緯度分別為φ1和θ1,目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)度是φ2.經(jīng)度差△φ=φ1-φ2.如下推導(dǎo)方位角φa和俯仰角φe的過(guò)程[9].

對(duì)于方位角,如圖6中

由式（1）到式（3）可以得到天線方位角

由于大多數(shù)方位角的計(jì)算都是以正北方向?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn),而上面方位角是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)求得,所以式（4）還需轉(zhuǎn)化[7].若天線A位于北半球,則方位角=180-φa（A在東側(cè)）或方位角=180+φ（aA在西側(cè)）.若A位于南半球,則方位角=φ（aA在東側(cè)）或方位角=360-φa（A在西側(cè)）.

同樣,對(duì)于俯仰角,得

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制得到方位角和俯仰角的值后,需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,驅(qū)動(dòng)使其又快又好地到達(dá)期望的位置.天線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)微處理器不斷采集信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平值,該值反饋至天線控制器,并與設(shè)定的搜索門(mén)限值進(jìn)行比較、判斷.如圖5所示的流程圖,當(dāng)AGC電平值大于搜索門(mén)限后,結(jié)束預(yù)搜索狀態(tài),進(jìn)入跟蹤狀態(tài)（畫(huà)框搜索和空間坐標(biāo)式搜索）,否則就繼續(xù)進(jìn)行預(yù)搜索.

2.3 天線的跟蹤算法

經(jīng)過(guò)預(yù)搜索的粗對(duì)準(zhǔn),天線就能進(jìn)入收到目標(biāo)衛(wèi)星信號(hào)的范圍,但此時(shí)收到的信號(hào)強(qiáng)度較弱,距離信號(hào)最強(qiáng)還有一定的角度偏差.為了使信號(hào)的接受效果最佳,需進(jìn)入細(xì)跟蹤狀態(tài),即畫(huà)框跟蹤和空間坐標(biāo)式跟蹤.

畫(huà)框跟蹤的過(guò)程是方位先以Az的步長(zhǎng)左移一步,同時(shí)俯仰方向不變,方位每移動(dòng)一步讀取當(dāng)前AGC電平值,并與上次的AGC電平值比較.若當(dāng)前AGC電平值較大或者相等,原跟蹤方向上以原步長(zhǎng)跟蹤.若此次的AGC值較小,則方位方向不變,俯仰方向上以El的步長(zhǎng)移動(dòng)一步,并在此方向上按照上述規(guī)則跟蹤（當(dāng)前AGC大則原方向跟蹤,小則改變方向）.跟蹤方向的改變遵循一定規(guī)律,一般沿順時(shí)針?lè)较蚧蚰鏁r(shí)針?lè)较騕8].

在步進(jìn)跟蹤過(guò)程中,天線的移動(dòng)方向一般采用方位面和俯仰面交替調(diào)整方式,類(lèi)似畫(huà)“十字”過(guò)程[10].例如：保持俯仰方向軸不動(dòng)調(diào)整方位角,在保持方位方向軸不動(dòng)調(diào)整俯仰角,反復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量,直到天線接收的信號(hào)達(dá)到最大后才停止跟蹤.

圖3所示，與細(xì)胞對(duì)照組比較，ST攻擊抗ST多抗血清誘導(dǎo)的RBL-2H3細(xì)胞發(fā)生脫顆粒，胞外β-HEX含量增加（P＜0.01）；與模型組比較，0.5%，1.0%和2.0%SHLI均明顯抑制ST攻擊致敏的RBL-2H3細(xì)胞β-HEX的釋放，熒光強(qiáng)度分別下降16%，31%和51%（P＜0.01）。

空間坐標(biāo)法搜索過(guò)程邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單,易編程,原理清晰但易受干擾的影響引起誤動(dòng)作.為彌補(bǔ)“十字”搜索的不足并提高搜索過(guò)程的抗干擾能力[4],本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用空間坐標(biāo)法搜索.它基于信號(hào)電平、方位偏角、俯仰偏角的三維立體關(guān)系設(shè)計(jì).搜索示意圖見(jiàn)圖7.

圖7 空間坐標(biāo)法搜索示意Fig.7 Space coordinate method to search the design schematic diagram

假設(shè)方位方向的搜索步長(zhǎng)為l1,俯仰方向的搜索步長(zhǎng)為l2,大致如下搜索方式：設(shè)當(dāng)前位置為坐標(biāo)A點(diǎn),獲取vA；向上移動(dòng)l2,達(dá)到坐標(biāo)B點(diǎn),獲取vB；向左移動(dòng)l1,為坐標(biāo)C點(diǎn),獲取vC；向下移動(dòng)l2,為坐標(biāo)D點(diǎn),獲取vD.然后判斷電平相互之間的強(qiáng)弱關(guān)系,確定方位面與俯仰面的調(diào)整方向和具體調(diào)整步距,最后驅(qū)動(dòng)天線方位面和俯仰面同時(shí)向場(chǎng)強(qiáng)變大的方向調(diào)整,實(shí)現(xiàn)快速跟蹤.

假設(shè)此跟蹤容差是ε,則

（1）當(dāng)ξ1≤ε時(shí),停止方位面的調(diào)整；

（2）當(dāng)ξ2≤ε時(shí),停止俯仰面的調(diào)整；

（3）當(dāng)上述兩個(gè)條件都滿(mǎn)足時(shí),可認(rèn)為任意取的4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)已經(jīng)跟頂,跟蹤完成.空間坐標(biāo)搜索流程見(jiàn)圖8.

圖8 空間坐標(biāo)式跟蹤Fig.8 Space coordinate tracking

3 仿真及分析

在步進(jìn)跟蹤技術(shù)中,步長(zhǎng)的取值對(duì)整個(gè)衛(wèi)星跟蹤技術(shù)影響非常大.若要提高對(duì)星速度,則需要步長(zhǎng)較大.若要提高對(duì)星精度,則需要步長(zhǎng)較小.而步長(zhǎng)的變化是根據(jù)AGC的差值進(jìn)行改變的[5].關(guān)系式見(jiàn)式（5）.

式（5）中α、β為大于零的常數(shù),L（n）為可變的步長(zhǎng),e（n）為歸一化的信號(hào)強(qiáng)度指向性誤差,它直接影響到每一步步長(zhǎng)的變化量.如：當(dāng)指向誤差很小,信號(hào)強(qiáng)度變化率也很小,此時(shí)應(yīng)采用較小步長(zhǎng)；當(dāng)指向誤差大時(shí),信號(hào)強(qiáng)度變化率也很大,此時(shí)應(yīng)采用較大步長(zhǎng).

由公式可知：式中參數(shù)β決定曲線的取值范圍,式中參數(shù)α決定曲線的形狀.若α、β越大,L（n）的曲線隨｜e（n）｜變化就越陡峭；若α、β越小,L（n）的曲線隨｜e（n）｜變化就越緩和.下面將分別通過(guò)控制變量法來(lái)繪制步長(zhǎng)與AGC值的關(guān)系.

圖9 步長(zhǎng)與信號(hào)強(qiáng)度的曲線變化Fig.9 Variation curves of step and the signal strength

由圖9可知,α、β越大,步長(zhǎng)越大,跟蹤速度越快.但在實(shí)際中考慮到精度,所以α、β的選取要合理,要保證步長(zhǎng)的取值真實(shí)反映指向誤差的變化.圖9（a）中取α分別為9、4、1,取β為定值0.25.對(duì)比發(fā)現(xiàn),實(shí)線的變化過(guò)于陡峭,步長(zhǎng)的變化率大,虛線的變化過(guò)于緩和,步長(zhǎng)的變化率小.圖9（b）中取α為定值5,取β取值為0.5、0.3、0.2.對(duì)比發(fā)現(xiàn),實(shí)線步長(zhǎng)范圍變化較大,這樣的曲線容易忽略跟蹤的精度,虛線步長(zhǎng)范圍變化較小,這樣的曲線容易忽略跟蹤的速度.所以圖9中所示的點(diǎn)線變化最為適中,根據(jù)AGC的變化能適當(dāng)?shù)恼{(diào)整步長(zhǎng)的大小從而提高跟蹤的精度.

4 小結(jié)

隨著衛(wèi)星自動(dòng)搜索定位系統(tǒng)日益的完善,自動(dòng)跟蹤技術(shù)已在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于模塊化的硬件設(shè)計(jì)和高精度的步進(jìn)跟蹤技術(shù),較好地實(shí)現(xiàn)天線對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的自動(dòng)搜索與跟蹤,在穩(wěn)定性和對(duì)星精準(zhǔn)度等方面有了明顯的改善.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

A satellite TV locate automatically and track fast system

Gao Lijuan,Wang Ming,Zhou Pengfei
（Anhui Polytechnic University,Anhui Provincial Key Laboratory of Electric and Control, Wuhu 241000,China）

In order to achieve the satellite signals quick search and precision pointing,utilizing three-dimensional electronic compass to achieve automatic positioning satellite was presented in this paper.Through analyzing stepping tracking process and combine the system with modular design ideas,the hardware module of automatic positioning system and control algorithm of software were analyzed and designed.In order to improve anti-jamming capability and tracking accuracy of the entire system,space coordinate tracking was used instead of cross track,which can realized satellite positioning fast and accurately.

three-dimensional electronic compass；stepping tracking；cross-track；space coordinate

TN943.3

A

1008-7516（2014）06-0068-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.06.014

2014-09-11

高麗娟（1986—）,女,安徽蕪湖人,碩士研究生.主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置研究.