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      車載衛(wèi)星電視天線自動跟蹤方法研究

      2014-09-18 00:16:18張樹行沈希忠陳圣杰厲榮宣
      電視技術(shù) 2014年19期
      關(guān)鍵詞:航向方位角慣性

      張樹行,沈希忠,陳圣杰,厲榮宣

      (上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院,上海200235)

      車載/船載衛(wèi)星電視在移動中保持實(shí)時通信,因此天線的跟蹤性能要求較高,特別是響應(yīng)速度要快和跟蹤穩(wěn)定。是否快速且準(zhǔn)確地對準(zhǔn)衛(wèi)星,標(biāo)志著車載天線性能的好壞,而選擇正確的衛(wèi)星跟蹤技術(shù)是天線跟蹤性能的基本體現(xiàn)。

      移動天線跟蹤技術(shù)有:手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤,自動跟蹤又包含以下3種跟蹤方法:步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描以及單脈沖跟蹤。程序跟蹤法的優(yōu)勢是跟蹤速度快,但受傳感器件精度高低的限制;步進(jìn)跟蹤法又被稱為極值跟蹤法,主要優(yōu)勢是可以搜尋到極大信號值,但其掃描搜索時間較長。

      本文將程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法進(jìn)行互補(bǔ),提出一種新的天線跟蹤對星方法——程序步進(jìn)跟蹤法。該方法可以兼顧程序跟蹤法動作快和步進(jìn)跟蹤法跟蹤可獲取信號極值的特點(diǎn),可比步進(jìn)跟蹤法動作速度快,比程序跟蹤法更能適應(yīng)微調(diào),使天線在汽車等移動載體上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定對衛(wèi)星的自動跟蹤。

      1 天線對星方法

      1.1 程序跟蹤法

      程序跟蹤法是已知目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)度,用GPS(全球定位系統(tǒng))測出載體當(dāng)前經(jīng)緯度,然后依據(jù)一定算法,計(jì)算機(jī)求出相對應(yīng)的方位角和俯仰角,再通過電子羅盤、傾角傳感器等測出天線當(dāng)前姿態(tài)參數(shù),系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前俯仰和方位角度差,驅(qū)動電機(jī)控制天線實(shí)現(xiàn)對星。該方法信標(biāo)電平不作為跟蹤信號,即使跟蹤天線受到遮擋,仍指向衛(wèi)星,遮擋消除通信恢復(fù)。但屬于開環(huán)控制,存在控制缺陷。性能取決于天線座架精度、GPS等組件的精度,長時間使用容易累積誤差[1],導(dǎo)致丟星現(xiàn)象發(fā)生。

      1.2 步進(jìn)跟蹤法

      步進(jìn)跟蹤法(又名極值跟蹤),控制天線一步一步地在方位面、俯仰面轉(zhuǎn)動,驅(qū)動天線一步步對準(zhǔn)衛(wèi)星,當(dāng)天線接收的信標(biāo)信號為極大值時,系統(tǒng)才進(jìn)入休息狀態(tài)。否則,系統(tǒng)始終處于掃描搜索狀態(tài)[2]。步進(jìn)跟蹤以接收信號電平判斷是否對準(zhǔn)衛(wèi)星,設(shè)備簡單,成本低。但跟蹤速度慢;信號電平變化幅度較大時,可能導(dǎo)致誤動作。

      2 改進(jìn)思想

      要提高程序跟蹤法的精度和保證跟蹤過程中不丟星,必須克服程序跟蹤法的不足:開環(huán)控制;而步進(jìn)跟蹤法恰是具有跟蹤精度,而沒有跟蹤速度??紤]到這里,程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法各有優(yōu)點(diǎn)和不足,但兩者之間的優(yōu)缺點(diǎn)可以互補(bǔ),把兩者的優(yōu)點(diǎn)迭加到對方的缺點(diǎn)上,形成互補(bǔ),即可得到一個更加理想的自動對星跟蹤方法。

      程序跟蹤法是開環(huán)控制,不采取信標(biāo)信號為跟蹤依據(jù),當(dāng)出現(xiàn)對星偏差時,就算天線驅(qū)動到計(jì)算出的角度位置,也不一定能保證會收到信號(或者收到信號比較弱,導(dǎo)致圖像中有馬賽克)。在這種情況下采用步進(jìn)跟蹤,就可有效地解決程序跟蹤無信號或信號微弱的問題。步進(jìn)跟蹤在程序跟蹤已確定對星大體位置的基礎(chǔ)上,一步一步搜尋,直至找到信號極大值。

      兩種方法的相互結(jié)合,形成良好互補(bǔ),既能通過程序跟蹤法保證對星的高效性,又能通過步進(jìn)跟蹤法保證對星的準(zhǔn)確性和獲得極大衛(wèi)星信號值。圖1為兩種方法結(jié)合在一起的框圖,實(shí)線中是程序跟蹤原理,虛線中是步進(jìn)跟蹤原理。

      圖1 改進(jìn)框圖

      3 程序步進(jìn)跟蹤

      通過上面的論述,此處提出新的跟蹤辦法——程序步進(jìn)跟蹤法。程序步進(jìn)跟蹤是在程序跟蹤法大體獲取天線方位角和俯仰角的基礎(chǔ)上,再利用步進(jìn)跟蹤法對程序跟蹤法的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ),使得程序跟蹤更加完美。簡單說,利用程序跟蹤彌補(bǔ)步進(jìn)跟蹤的速度缺陷,利用步進(jìn)跟蹤彌補(bǔ)程序跟蹤的精度缺陷。

      3.1 硬件部分

      通過圖1可以看出,程序步進(jìn)跟蹤法中所使用的硬件設(shè)施主要有GPS、電子羅盤、陀螺儀、電機(jī)驅(qū)動器和控制器等部分。

      GPS亦全球定位系統(tǒng),可接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并解算出天線所在的三維位置信息,實(shí)際應(yīng)用中,主要是用來獲取載體的地理位置經(jīng)緯度信息[3],為天線的方位、俯仰和極化角度計(jì)算做準(zhǔn)備工作。

      電子羅盤又稱數(shù)字指南針,安裝在天線姿態(tài)平臺上,主要是獲取天線實(shí)際的方位和俯仰角。并且還利用電子羅盤對天線進(jìn)行初始化規(guī)范,天線在上電瞬間的指向是隨機(jī)的,通過電子羅盤將天線的初始指向設(shè)置在正南。對天線進(jìn)行初始化規(guī)范,可簡化程序設(shè)計(jì)。

      陀螺儀屬姿態(tài)傳感器,天線穩(wěn)定平臺的關(guān)鍵器件,進(jìn)行角度補(bǔ)償。因?yàn)檩d體是移動的,姿態(tài)的變化不可知,通過陀螺儀對載體的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量和角度補(bǔ)償,以保證天線的指向穩(wěn)定。

      電機(jī)驅(qū)動器是天線的動力部分;可驅(qū)動天線進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整以獲取信號極大值,還可依據(jù)陀螺儀測取的角度數(shù)據(jù),控制電機(jī)對方位角、俯仰角及橫滾角進(jìn)行角度補(bǔ)償。

      控制器是整個系統(tǒng)的核心部分,主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理,指揮系統(tǒng)各部分正常協(xié)調(diào)的工作。

      3.2 軟件流程圖

      程序步進(jìn)跟蹤法流程圖如圖2所示。

      圖2 程序步進(jìn)跟蹤法流程圖

      3.3 程序步進(jìn)跟蹤的天線調(diào)整

      程序步進(jìn)跟蹤法中,主要的核心部分是:首先,獲取載體經(jīng)緯度以后進(jìn)行角度計(jì)算,即粗調(diào)整對星;其次,進(jìn)行步進(jìn)掃描調(diào)整,獲取極大信號值,即細(xì)調(diào)整對星。

      3.3.1 角度計(jì)算與粗調(diào)整

      以正北方向?yàn)槠鹗键c(diǎn),順時針旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星所在位置在水平面上的正投影線形成的夾角,叫方位角;仰望衛(wèi)星的視線與水平線所構(gòu)成的角,叫仰角;受所在地與衛(wèi)星定點(diǎn)地經(jīng)度差及地球曲率的影響,使得高頻頭相對于地面形成的傾角,稱為極化角。衛(wèi)星經(jīng)度已知的情況下,借助GPS獲取載體當(dāng)前的經(jīng)、緯度,再依據(jù)公式可求出粗調(diào)整對星所需的方位角A、俯仰角E和極化角P[4]。

      式中:α表示天線當(dāng)前經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度的差值;β表示天線當(dāng)前緯度。式(1)中,天線方位角以正北作為0°參考點(diǎn)。極化角操作是面向天線轉(zhuǎn)動高頻頭,P為正,高頻頭順時針旋轉(zhuǎn),P為負(fù),逆時針旋轉(zhuǎn)。以上公式是載體的俯仰和傾斜角均為0°時采用[5]。

      角度計(jì)算,利用程序跟蹤法對信號的快速初始捕獲,看作天線對星粗調(diào)整過程,即計(jì)算出天線的大體指向。其次要做的就是細(xì)調(diào)整,細(xì)調(diào)整利用步進(jìn)跟蹤法,下面將具體闡述細(xì)調(diào)整的過程。

      3.3.2 步進(jìn)細(xì)調(diào)整

      理論上,衛(wèi)星信號區(qū)域與信號強(qiáng)度呈錐形分布,如圖3所示;信號區(qū)域在二維坐標(biāo)系的曲線圖[6],如圖4所示。對星要驅(qū)動天線找到信號區(qū)域二維圖中方框以內(nèi)信號值的位置。下面針對方框中峰波波形,介紹步進(jìn)跟蹤一步步找到波峰極大值的過程。

      細(xì)調(diào)整依據(jù)步進(jìn)跟蹤法進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整對星,用來彌補(bǔ)角度計(jì)算誤差,驅(qū)動天線在衛(wèi)星信號區(qū)一步一步搜索,直到找到信號極大值才停止,是天線獲取信號極值的主要步驟。

      以方位角α搜索為例,假設(shè)經(jīng)過角度計(jì)算也就是粗對星之后,天線指向的信號強(qiáng)度為I(α0,β0),在此基礎(chǔ)上,天線方位角先左掃描一個角度α1,獲取一個信號值為I(α1,β0);再右掃描一個角度α2,獲取一個信號值為I(α2,β0);在對比兩次獲得的信號強(qiáng)度值之后,找出較大信號值I*=max{I(αi,β0),i=0,1,2},電機(jī)驅(qū)動天線向較大信號強(qiáng)度方向轉(zhuǎn)動一步。在確定好方位角αi(i=0,1,2)之后,保持住并進(jìn)行俯仰角β的調(diào)整,俯仰角的搜索步驟與方位角α的步驟類似。按照步驟找出一個理想的俯仰角βi(i=0,1,2)之后,再進(jìn)行方位角搜索,依次方位角--俯仰角的循環(huán)搜索下去,直到找到理想的信號值角度停止。

      天線在尋找極大值的過程中,掃描軌跡會出現(xiàn)3種不同情況。仍以方位角搜索為例,假設(shè)天線先向左掃描個角度α1時天線在P1點(diǎn)處,取信號值為A;向右掃描一個角度α2時天線在P2點(diǎn)處,取信號值為B。如果A<B,如圖5a所示,則電機(jī)驅(qū)動天線向右走一步;如果A>B,如圖5b所示,則驅(qū)動天線向左走一步;如果A=B,如圖5c所示,則天線不做動作,默認(rèn)天線已處在最佳位置。俯仰面的信號搜索,基本步驟和方位面搜索相似。

      圖5 天線極值掃描軌跡圖

      4 仿真

      圖6中橫坐標(biāo)表示時間,縱坐標(biāo)表示信號強(qiáng)度值,第5 min和第9 min表示移動載體航向發(fā)生變化,第5 min處表示航向小范圍變動的情況,第9 min表示航向較大變動(如載體在盤旋路面上行駛)的情況。

      圖6 3種方法仿真結(jié)果

      圖6中點(diǎn)劃線部分為步進(jìn)跟蹤法的跟蹤曲線,從圖中看出,步進(jìn)跟蹤對信號初始獲取需要的時間比較長,2 min左右,但步進(jìn)跟蹤最終捕獲到的信號是信號極值;在第5 min載體航向發(fā)生小范圍的變動時,步進(jìn)跟蹤的信號值變動很大,且對信號的再獲取需要較長時間;在第9 min載體航向發(fā)生大變化時,步進(jìn)跟蹤的信號強(qiáng)度值降到0,相當(dāng)于是天線上電的初始時刻,需要花大量時間對信號進(jìn)行重新掃描,但仍能夠獲取信號極值。由此看出,步進(jìn)跟蹤的效率較低,但是能夠?qū)崿F(xiàn)信號極值的獲取。

      圖6中虛線部分為程序跟蹤法的跟蹤曲線,與步進(jìn)跟蹤法的跟蹤曲線相比有明顯的優(yōu)勢。信號初始獲取的速度比較快,大約是步進(jìn)跟蹤信號獲取時間的一半,但程序跟蹤法是開環(huán)控制,所以捕獲到的信號值不是極值;在第5 min航向發(fā)生小范圍的變動時,由于程序跟蹤具有陀螺慣性姿態(tài)補(bǔ)償模塊,可以很快地實(shí)現(xiàn)信號的再次捕獲,由于慣性元件本身存在精度缺陷,跟蹤到信號值會發(fā)生一定的偏差;在第9 min航向大范圍變動時,仍借助慣性元件實(shí)現(xiàn)信號的快速跟蹤捕獲,但在慣性元件精度的影響下,獲取的信號值再次發(fā)生偏差。長此以往慣性元件誤差累積越來越大,最終會導(dǎo)致天線丟星。由此可知,程序跟蹤具有對衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)快速捕獲的優(yōu)勢,但慣性元件存在精度缺陷,長時間的誤差積累最終會導(dǎo)致天線出現(xiàn)丟星現(xiàn)象。

      圖6中實(shí)線部分為程序步進(jìn)跟蹤法的跟蹤曲線,與上面兩種方法相比較,其對信號的初始捕獲速度與程序跟蹤法基本一致,不同之處是可以獲取到信號極值;程序步進(jìn)跟蹤法不僅采用慣性元件補(bǔ)償姿態(tài)還有包含信號極值跟蹤部分,因此,第5 min和第9 min出現(xiàn)航向變化時,陀螺慣性元件完成快速信號捕獲,極值跟蹤用以補(bǔ)償慣性元件自身存在的誤差,因此能很快捕獲信號且獲取信號極值。因此可知,程序步進(jìn)跟蹤可很快實(shí)現(xiàn)信號的初始捕獲,并借助慣性元件實(shí)現(xiàn)快速跟蹤和依據(jù)極值跟蹤獲取信號極值,集前面兩種跟蹤方法的優(yōu)勢于一體。

      綜上可知,程序跟蹤能夠很快實(shí)現(xiàn)信號的捕獲,在航向發(fā)生變化時,在慣性元件的作用下能很快地實(shí)現(xiàn)信號的再次獲取,但是由于慣性元件存在誤差,長期累積會導(dǎo)致天線丟星現(xiàn)象的發(fā)生;步進(jìn)跟蹤對信號的初始捕獲需要較長時間,但捕獲到的信號是信號極值,航向小范圍變化時,不會丟星但需要長時間才能捕獲到信號極值,若是大范圍的航向變動,會導(dǎo)致天線丟星,信號需重新進(jìn)行掃描;程序步進(jìn)跟蹤即可快速實(shí)現(xiàn)初始信號的捕獲,在航向變動時,借助慣性元件的作用實(shí)現(xiàn)信號的再次捕獲和極值跟蹤模塊對慣性元件誤差進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)快速跟蹤和信號極值捕獲。

      與程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法相比,程序步進(jìn)跟蹤具有步進(jìn)跟蹤獲取信號極值和程序跟蹤快速捕獲信號以及穩(wěn)定跟蹤的特點(diǎn),比步進(jìn)跟蹤法動作速度快,比程序跟蹤法更能適應(yīng)微調(diào)。

      5 結(jié)語

      綜合移動天線的兩種對星方法(程序跟蹤法和步進(jìn)跟蹤法)各自的優(yōu)點(diǎn),將兩者結(jié)合形成新的天線跟蹤方法——程序步進(jìn)跟蹤法,該方法不僅保持程序跟蹤搜索快速性的優(yōu)勢,還具有步進(jìn)跟蹤追尋衛(wèi)星極大信號值的優(yōu)勢,既可保證對星的效率,又可提高信號強(qiáng)度的質(zhì)量。最后,通過仿真比較驗(yàn)證方法的可行性。

      :

      [1]劉杰,孫海祥.衛(wèi)星跟蹤技術(shù)[J].廣播與電視技術(shù),2008(8):140-142.

      [2]馮亮.車載衛(wèi)星電視天線自動對星系統(tǒng)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

      [3]江濤,董海瑞.車載衛(wèi)星通信站天線自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2001,25(11):34-35.

      [4]沈永明.衛(wèi)星電視接收完全 DIY[M].北京:北京郵電出版社,2007.

      [5]興濤.一種靜中通衛(wèi)星天線對星策略[J].電視技術(shù),2011,35(7):126-127.

      [6]趙晨.靜中通衛(wèi)星天線座自動對星微機(jī)控制器[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2008.

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