一种基于平板天线的移动卫星通信装置 【技术领域】
本发明涉及卫星通讯技术领域， 特别是涉及一种基于平板天线的移动卫星通信装置。 背景技术 卫星通信具有传输距离远、 覆盖范围大、 不受地形地貌影响的优点， 无论高山、 丘 陵、 大河、 荒漠、 草原， 只要在卫星波束覆盖范围内， 都可进行话音、 数据及图像通信， 而且具 有通信质量好、 信道稳定、 误码率低、 组网方式灵活、 通信费用与通信距离无关的优点 ； 因 而， 卫星通信成为无线通信的主要手段， 在现代信息传输中起着越来越重要的作用。 移动卫 星通信装置， 因其具有灵活、 机动、 通信距离远、 保密性强的优点， 在军用和民用领域， 都是 一种发展潜力大、 经济效益显著的卫星通信系统。
现有的车载移动卫星通信技术主要基于抛物面天线和伺服稳定平台构成。但是， 抛物面天线由于尺寸较大， 为满足公路运输限高 4.3m 的要求， 需要对车体进行改造、 代价 较大 ； 并且， 由于其重量较大， 很大程度上提高了对伺服系统的要求。另外， 由于载体在运
动过程中， 运动方式受到外界环境的影响， 会有较大扰动出现， 为了能够实时隔离扰动， 实 现天线的快速稳定对星， 保证良好的通信效果， 这不仅要求装置具有快速实时处理的能力， 还要有高效稳定的控制策略。 目前市场上的产品因采用较为传统的数据处理方法和控制策 略， 使得在载体移动过程中出现长时间的遮挡和干扰信号导致丢星时， 重新跟踪卫星的过 程较长， 甚至无法重新找到卫星， 无法满足快速响应的实际需求。因此， 载体移动过程中的 快速寻星、 对准和稳定跟踪是目前产品急需解决的一大技术难题。
为此有必要设计一款具有低剖面、 易共形、 稳定跟踪能力强的移动通信装置。 发明内容 本发明要解决的技术问题是提供一种基于平板天线的移动卫星通信装置， 用以解 决现有技术存在的上述问题。
为解决上述技术问题， 一方面， 本发明提供一种基于平板天线的移动卫星通信装 置， 安装在移动载体上， 所述装置包括 ：
平板天线， 用于接收卫星信号， 并通过功分器将所述卫星信号分为通信信号和信 标跟踪信号， 其中， 所述通信信号提供给用户设备使用， 所述信标跟踪信号反馈给信号获取 单元 ；
信号获取单元， 用于接收所述信标跟踪信号， 以及获取所述装置所处位置的经、 纬 度定位信息、 所述装置要跟踪卫星的经度、 纬度坐标信息和所述载体的姿态信息 ；
信号处理单元， 用于根据所述信号获取单元获取的信息， 计算所述平板天线对准 所述卫星的指令角 ；
伺服控制单元， 用于根据所述指令角， 控制所述平板天线对准所述卫星。
进一步， 所述信号获取单元包括 ：
信标接收机， 用于接收所述信标跟踪信号 ；
卫星信号接收机， 用于获取所述装置所处位置的经、 纬度定位信息 ；
天线控制单元 ACU， 用于获取所述装置要跟踪卫星的经度、 纬度坐标信息 ；
捷联惯导， 用于获取所述载体的姿态信息。
进一步， 所述伺服控制单元包括 ：
方位电机， 用于调整所述平板天线的方位方向 ；
俯仰电机， 用于调整所述平板天线的俯仰方向 ；
伺服驱动器， 用于根据所述指令角， 控制所述方位电机和俯仰电机的旋转。
进一步， 所述装置还包括 ：
极化调整器， 用于在所述信号处理单元的控制下， 调整所述平板天线的极化角， 使 其与所述卫星信号的极化角度匹配。
进一步， 所述信号处理单元包括 ：
主控 CPU， 计算所述平板天线对准所述卫星的初指令角， 以及负责跟踪环路和极值 跟踪环路的切换控制和对方位电机的控制 ；
从控 CPU， 接收来自所述主控 CPU 的指令， 负责对俯仰电机的控制 ；
信息结算 CPU， 用于实时采集捷联惯导和卫星信号接收机的信息， 完成所述装置的 初始化， 以及利用捷联惯导获取的载体的姿态信息构成系统的前馈控制环路。
进一步， 所述载体的姿态信息包括所述载体的航向、 纵摇和横滚姿态信息。
进一步， 所述卫星信号经低噪声下变频器 LNB 低噪声放大之后， 由功分器分为通 信信号和信标跟踪信号两路。
进一步， 所述卫星信号接收机通过接收全球定位系统 GPS 卫星信号或北斗卫星信 号来获取所述装置所处位置的经、 纬度定位信息。
本发明有益效果如下 ：
本发明采用平板天线接收卫星信号， 具有低轮廓、 轻质量的优点， 在实际应用中不 需要对载体做大量修改， 有利于与载体实现共形设计 ； 本装置在高速运行状态下采用信标 跟踪和惯导稳定跟踪相结合的天线控制策略， 具有跟踪稳定度高、 扫描速度快、 对星精度 高、 成本低的特点。 附图说明
图 1 是本发明实施例中信息处理单元采用三片 CPU 阵列的功能处理示意图 ； 图 2 是本发明实施例中一种基于平板天线的移动卫星通信装置的结构示意图 ； 图 3 是本发明实施例中一种基于平板天线的移动卫星通信装置的对星处理流程 图 4 是本发明实施例中一种基于平板天线的移动卫星通信装置俯仰方向控制示图；
意图。 具体实施方式
本发明提供了一种基于平板天线的移动卫星通信装置， 以下结合附图以及实施 例， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不限定本发明。
本发明的目的在于提供一种基于平板天线的快速移动平台上实时与卫星通信的 装置， 该装置具有低轮廓、 轻质量、 高效稳定跟踪的特性， 同时具备高速的数据通信能力， 可 以为政府应急通信、 企事业机构移动通信、 安全部门紧急通信领域提供有力保障。 其低轮廓 特性使其可以与高铁、 滑艇、 车辆等载体实现无缝共形。 本发明实施例主要是针对车载移动 平台开发的一种在车辆载体移动过程中可以实现与卫星实时、 不间断的通信， 对视频图像、 语音及其他数据信息进行传输的装置。
本发明实施例涉及一种基于平板天线的移动卫星通信装置， 安装在移动载体上， 该装置包括 ：
平板天线， 用于接收卫星信号， 并通过功分器将所述卫星信号分为通信信号和信 标跟踪信号， 其中， 所述通信信号提供给用户设备使用， 所述信标跟踪信号反馈给信号获取 单元 ；
信号获取单元， 用于接收所述信标跟踪信号， 以及获取所述装置所处位置的经、 纬 度定位信息、 所述装置要跟踪卫星的经度、 纬度坐标信息和所述载体的姿态信息 ；
信号处理单元， 用于根据所述信号获取单元获取的信息， 计算所述平板天线对准 所述卫星的初指令角 ； 伺服控制单元， 用于根据所述指令角， 控制所述平板天线对准所述卫星。
其中， 平板天线物理指标为 1000mm( 长 )×250mm( 宽 )×70mm( 厚 )， 平板天线在有 效口径与抛物面天线相同的情况下， 可以有效降低装置的高度， 从而满足低剖面的特性。 并 且具有低轮廓、 轻质量的优点， 在实际应用中不需要对载体做大量修改， 有利于与载体实现 共形设计。
本实施例装置的信号获取单元包括 ：
信标接收机， 用于接收所述信标跟踪信号 ；
卫星信号接收机， 用于获取所述装置所处位置的经、 纬度定位信息 ； 卫星信号接收 机可以接收 BD( 北斗卫星定位系统 ) 或 GPS(Global Positioning System， 全球定位系统 ) 卫星信号进行定位， 来确定装置所处位置的地理坐标。
天线控制单元 (ACU， Antenna Control Unit)， 用于获取所述装置要跟踪卫星的经 度、 纬度坐标信息 ；
捷联惯导， 用于获取所述载体的姿态信息。 移动载体在行驶过程中， 由于受到各种 因素影响， 经常出现偏航、 纵摇或横滚， 所以， 可利用捷联惯导测量载体的航向、 纵摇和横滚 姿态信息。
信号处理单元计算平板天线对准所述卫星的指令角， 具体如下 ：
首先， 解算出地理坐标系下天线的方位角、 俯仰角 ：
地理坐标系 OXgYgZg 的原点在车辆载体的重心处， OZg 轴垂直于大地水平面， 向上为 正； XgOYg 与经过原点的大地水平面重合 ； OXg 轴指向正东 ； OYg 轴指向正北 ； 又称为东北天坐 标系， 地理坐标系通常简称为 g 系。
由于需要跟踪的卫星为同步卫星， 位于地球赤道上空， 因此其纬度为零度， 设经度
同步卫星距地面的高度为 H ； GPS 测得的载体当前所在地的经度为 λp， 纬度为 为 λs， 面距地心的距离为 R， 则天线在地理坐标系下的俯仰角 ELg 为 ：6地102347791 A CN 102347810
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当 R ＝ 6378km 时， 上式可简化为 ：
天线在地理坐标系下的方位角 AZg 为 ：
由于反正切的取值范围是 [-90°， 90° ]， 而方位角 AZg 的取值范围是 [0°， 360° ]， 因此真实的方位角 AZ 与 AZg 的关系如下 ： 当地球站位于北半球时 ：
当地球站位于南半球时 ：这里， 我们得到的天线的方位角和俯仰角为地理坐标系下的角度。
然后， 利用捷联惯导敏感到的姿态信息， 实现天线方位角和俯仰角由地理坐标系 到载体坐标系的转变， 生成平板天线对卫星的初始指令角。
对于运动载体而言， 常用的坐标系主要有地球坐标系、 地理坐标系和载体坐标系 ； 分别定义如下 ：
1、 地球坐标系 OXeYeZe ：
地球坐标系 OXeYeZe 的原点在地心处， OZe 轴指向北极 ； XeOTe 在赤道平面内， OXe 轴 指向零子午线， OYe 轴指向东经 90 度方向。
2、 地理坐标系 OXgYgZg ：
地理坐标系 OXgYgZg 的原点在车辆载体的重心处， OZg 轴垂直于大地水平面， 向上为 正； XgOYg 与经过原点的大地水平面重合 ； OXg 轴指向正东 ； OYg 轴指向正北 ； 又称为东北天坐 标系， 地理坐标系通常简称为 g 系。
3、 载体坐标系 OXbYbZb ：
载体坐标系 OXbYbZb 的原点在载体重心处， OZb 轴垂直载体平面， OYb 轴沿着载体首 尾方向并指向头部， OXb 轴指向载体的右侧。
移动载体在行驶过程中， 由于受到各种因素影响， 经常出现偏航、 纵摇或横滚， 为 了确定载体相对于当地地理坐标系的角位置， 需要建立载体坐标系， 载体坐标系通常称为 b 系。
对于天线而言， OXb 轴是横滚轴， OYb 轴为俯仰轴， OZb 轴为方位轴。
在计算天线的指令角之前， 我们需要将地理坐标系转换到载体坐标系， 在已知载 体的航向角 Ψ、 俯仰角 θ 和横滚角 γ 的情况下， 地理坐标系经过三次转动后与载体坐标 系重合， 其过程如下 ： 地理坐标系绕 OZg 轴旋转 ( 遵循右手法则， 下同 )Ψ， 再绕 OYg 轴旋转 θ， 最后绕 OXg 旋转 γ， 得到从地理坐标系转换到载体坐标系的转换矩阵为 ：
载体运动过程中， 信息处理单元实时采集捷联惯导和信标接收机的输出信息， 利 用稳定环跟踪和极值跟踪两种策略， 驱动天线在地理坐标系下的对星角度保持不变。
为了实现在运动状态下快速寻星和稳定跟踪能力， 需要克服系统动态响应时延、 闭环信号受干扰等问题。 如图 1 所示， 本实施例装置的信息处理单元采用三片 ARM 处理器构 成 CPU(Central Processing Unit， 中央处理器 ) 阵列， 每一片 CPU 负责不同的功能。主控 CPU， 负责装置主体控制算法的实现， 计算平板天线对准所述卫星的初指令角， 以及负责跟 踪环路和极值跟踪环路的切换控制和对方位电机的控制 ； 从控 CPU， 接收来自所述主控 CPU 的指令， 负责对俯仰电机的控制 ； 信息结算 CPU， 用于实时采集捷联惯导和卫星信号接收机 的信息， 完成所述装置的初始化工作， 以及利用捷联惯导获取的载体的姿态信息构成系统 的前馈控制环路。
本实施例装置的伺服控制单元包括 ：
方位电机， 用于调整所述平板天线的方位方向 ；
俯仰电机， 用于调整所述平板天线的俯仰方向 ；
伺服驱动器， 用于根据所述指令角， 控制所述方位电机和俯仰电机的旋转。
本实施例装置还包括极化调整器， 用于在所述信号处理单元的控制下， 调整所述 平板天线的极化角， 使其与所述卫星信号的极化角度匹配。
电磁波的极化是指电磁波瞬时电场矢量在与电波传播方向垂直的平面内的变化 轨迹。电场矢量的方向就是电磁波的极化方向。极化方式的判别也是由其运动轨迹的型状 来判别， 主要是看电场矢量投影在与传播方向垂直的平面的运动轨迹。运动轨迹是圆就称 为圆极化， 投影轨迹是直线就称为线极化， 由此说明极化的概念实质就是电磁波的电场矢 量在与传播方向垂直的平面内的变化方式。就目前来讲， 我国国内和区域性专用卫星大都 采用线极化方式， 线极化又分为水平极化和垂直极化。
卫星辐射极化波的极化与地面接收天线的极化定义的基准是不同的， 卫星辐射的 极化定义是以卫星轴系为基准。卫星运动的轨迹近似为圆， 如果电场矢量与卫星所在点的 圆切线方向一致则称为水平极化， 如果电场矢量方向卫星运动轨迹平面垂直 ( 与赤道平面 垂直 ) 称作垂直极化。
地面接收天线极化是指在主波束轴线上所辐射电磁波的极化， 即电场矢量方向。 对于天线系统， 其辐射和接收应为相同极化， 即极化匹配， 为此某种特定的天线只能接收相
同极化状态的入射波。
图 2 是本发明实施例实现的一个具体实施例， 如图 2 所示， 平板天线 10 接收透过 天线罩的卫星信号， 经 LNB(low noise block downconverter， 低噪声下变频器 )11 进行低 噪声放大， 由功分器 12 实现对接收信号的功率分配， 将卫星下行信号分为通信信号和信标 跟踪信号两路。通信信号通过双工器 13 传送给用户通信设备 14， 服务于用户终端 15。信 标跟踪信号作为装置寻星依据， 发送给信标接收机 3。信息处理单元 4 采集卫星信号 (BD/ GPS) 接收机 2 输出的本地经、 纬度定位信息和 ACU5 提供的卫星经、 纬度信息， 解算出地理坐 标系下平板天线 10 的方位角、 俯仰角， 然后利用捷联惯导 1 检测到的载体的姿态信息， 实现 平板天线 10 方位角和俯仰角由地理坐标系到载体坐标系的转变， 生成平板天线 10 对星的 初始指令角， 最后通过伺服驱动器 6 驱动方位电机 8、 俯仰电机 7 使天线对准卫星， 并通过极 化调整器 9 使平板天线 10 的极化角与卫星信号极化角度匹配。
图 2 所示装置的工作流程图如图 3 所示， 主要工作流程如下 ：
第一步， 系统上电， 首先进行设备自检， 检测各个设备是否正常工作， 如果发现问 题则发出警告提示， 装置自动切断主要部件电源进入修复模式。
第二步， 信息处理单元接收 BD/GPS 接收机输出的导航数据和捷联惯导设备敏感 到的姿态信息， 并解算出天线在地理坐标系下的对星角度， 然后经过坐标变换， 解算出天线 对星指令角， 并驱动电机带动天线在方位和俯仰两个方向旋转完成初始对星工作， 发送指 令到极化调整器， 使天线极化特性与卫星信号极化特性相匹配 ；
第三步， 在载体移动过程中， 系统实时采集信标接收机敏感到的信标信号强度， 当 信号强度大于跟踪阈值时， 系统进入极值跟踪方式， 实现高精度对星 ； 当信号强度小于跟踪 阈值时， 系统进入基于惯导的稳定跟踪方式， 实现初步对星。 通过极值跟踪方式和极值跟踪 方式的不断循环工作， 达到使系统实现高可靠性、 高精度对星工作的目的。同时， 在系统长 时间不能对准卫星的情况下， 信息融合解算单元会及时采集 BD/GPS 的导航数据与惯导的 姿态信息进行融合， 使装置可以快速重新对准卫星。
由于载体在运动过程中俯仰方向的运动剧烈， 装置采用的捷联惯导设备可以实时 输出载体在俯仰方向的旋转角速度， 所以在俯仰方向采用前馈控制技术， 结合角速度内环、 位置闭环的控制调整技术， 可以实现装置在俯仰方向上的快速稳定跟踪。
如图 4 所示， 本实施例装置在俯仰方向上的控制具体如下 ：
第一步， 根据公式 (1) 计算俯仰指令角 ；
第二步， 将捷联惯导实时采集到载体在俯仰方向上的姿态信息， 作为俯仰指令角 的修正量进行反馈， 实现装置在俯仰方向上的前馈控制 ；
第三步， 利用编码器反馈的装置在俯仰方向上旋转的角度和速度信息， 构成双环 PID 控制器， 实现对电机转速和转动范围的控制。
本实施例装置采用电机反馈的速度、 角度信息构成系统在俯仰方向上的速度闭环 和位置闭环控制， 同时利用惯导实时反馈的载体姿态变化信息构成系统在俯仰方向上的前 馈控制， 通过速度闭环、 位置闭环和前馈控制技术可以有效提高装置的跟踪精度、 速度和稳 定性。
由上述实施例可以看出， 本发明采用平板天线形式， 具有低轮廓、 轻质量的优点， 在实际应用中不需要对载体做大量修改， 有利于与载体实现共形设计 ； 本装置在高速运行状态下采用信标跟踪和惯导稳定跟踪相结合的天线控制策略， 具有跟踪稳定度高、 扫描速 度快、 对星精度高、 成本低的特点 ； 本装置采用 CPU 阵列构成主处理器， 每一片 CPU 承担不 同任务， 相互协作可以有效提高响应速度、 增强实时性 ； 本装置采用前馈控制技术与速度内 环、 位置外环控制相结合的控制方法， 可以有效增强装置快速稳定跟踪的能力， 提高跟踪的 稳定性和实时性。本装置兼容 BD 和 GPS 两种信号， 可以根据应用场合、 用户需求进行选择 使用 ； 本装置采用 Memes 低精度惯导可有效降低系统成本。
尽管为示例目的， 已经公开了本发明的优选实施例， 本领域的技术人员将意识到 各种改进、 增加和取代也是可能的， 因此， 本发明的范围应当不限于上述实施例。