CN104267739A - 一种卫星信号跟踪装置及其跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星信号跟踪装置及其跟踪方法，包括中央处理器、用于伺服控制的伺服控制单元、用于检测卫星信号强度的信号检测单元、用于测量***位置及状态的传感器单元和用于接收卫星信号的信号接收单元，伺服控制单元包括方位驱动装置、方位电机、俯仰驱动装置和俯仰电机。本发明中中央处理器可将信号反馈修正并与导航传感器的信息和姿态传感器的信息融合，实时校正姿态传感器航向漂移，提高了姿态传感器的航向精度，姿态传感器以与天线电轴成一定夹角，以便输出数据精度最高，姿态传感器固定安装在天线的后面，随天线***一起转动，即可以提高***跟踪卫星信号的精度，又可以简化***连线。

Description

一种卫星信号跟踪装置及其跟踪方法

技术领域

本发明涉及卫星信号跟踪技术领域，尤其涉及一种高精度、低成本的卫星信号跟踪装置及其跟踪方法。

背景技术

在卫星信号的跟踪应用领域，卫星信号跟踪装置能够在运动中实时地接收语音、数据、动态图像、传真等多媒体信息，在信号接收方面具有不可替代的优势。由于载体在运动，其姿势及位置都在不断的变换，现如今民用产品中的卫星信号跟踪方式大多采用陀螺稳定或捷联的数学平台。捷联的数学平台方式需要将姿态传感器安装于载体上，通信数据需要经过滑环传输至控制模块，存在***复杂，生产、维护成本高的问题，并且需要姿态传感器与***的轴系平行；陀螺方式随着使用时间的增加，存在漂移现象，校准复杂，从而导致卫星信号跟踪效果不理想。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种低成本、高精度的卫星信号跟踪装置及其跟踪方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种卫星信号跟踪装置，包括中央处理器、用于伺服控制的伺服控制单元、用于检测卫星信号强度的信号检测单元、用于测量***位置及状态的传感器单元和用于接收卫星信号的信号接收单元，伺服控制单元包括方位驱动装置、方位电机、俯仰驱动装置和俯仰电机。传感器单元包括用于检测当前位置经纬度信息的导航传感器和用于检测当前姿态信息的姿态传感器，导航传感器的信号端与中央处理器的导航信号端连接，姿态传感器的信号端与中央处理器的姿态信号端连接。信号接收单元包括天线和将天线接收到的卫星信号一分为二的功分器，功分器的第一路信号输出端与信号检测单元的信号输入端连接，天线通过方位电机和俯仰电机进行位置调节。

具体的，所述导航传感器与所述中央处理器之间、所述姿态传感器与所述中央处理器之间均通过RS232接口对接。

具体的，所述信号接收单元还包括高频头和接收机，所述功分器的第二路信号输出端与所述接收机的信号输入端连接，所述功分器将接收到的卫星信号分为两路信号，所述功分器的第一路信号送至所述信号检测单元用于跟踪，所述功分器的第二路信号送至所述接收机用于视频或者语音，所述功分器的信号输入端与所述高频头的信号输出端连接，所述高频头的信号输入端与所述天线的信号输出端连接。

具体的，所述信号检测单元包括数字或模拟检波器和信号处理模块，所述数字或模拟检波器的信号输出端与所述中央处理器的检波信号输入端连接，所述数字或模拟检波器的信号输入端与所述信号处理模块的信号输出端连接，所述信号处理模块的信号输入端作为所述信号检测单元的信号输入端并与所述功分器的第一路信号输出端连接。

具体的，所述导航传感器为GPS传感器、GLONASS传感器、伽利略传感器和北斗传感器中的一种。

为降低成本，所述姿态传感器采用航向精度较低，但***精度足够要求，而价格低廉的MEMS传感器，为提高所述姿态传感器测量的精度，同时简化***连线，所述姿态传感器固定安装在所述天线的后面，并与所述天线的电轴形成一定的夹角，该夹角保证姿态传感器处于其输出数据精度最高的安装位置，所述姿态传感器能够随着天线运动。

一种利用前述的卫星信号跟踪装置进行卫星信号跟踪的方法，通过以下步骤完成对卫星信号的跟踪：

A1：***上电后，等待所述导航传感器锁定，所述导航传感器锁定后给出***所处的经度及纬度信息并将其传递到所述中央处理器；同时所述姿态传感器初始化并校正，并将当前***姿态信息传递给所述中央处理器。

A2：所述中央处理器根据经度及纬度，通过地理坐标系三角函数公式的算法计算出所述天线所需的俯仰角，并通过所述俯仰驱动装置驱动所述俯仰电机将天线转向所需的俯仰位置；若所述中央处理器接收到***姿态信息，则转至步骤A4，若所述中央处理器没有接收到***姿态信息时，则转至步骤A3。

A3：所述中央处理器等待所述姿态传感器的***姿态信息，当所述中央处理器接收到***姿态信息，则转至步骤A4，若没有则继续等待。

A4：所述中央处理器根据***姿态信息调整所述天线的俯仰角度，使所述天线的仰角更精确的指向接收卫星。

A5：所述中央处理器根据***姿态传感器数据利用坐标转换公式计算，并控制所述方位电机和所述俯仰电机运行用以稳定所述天线的方位及俯仰角度，同时通过所述方位驱动装置主动驱动所述方位电机使所述天线进行方位转圈扫描。

A6：所述信号接收单元将接收到的卫星信号分为两路，一路送至所述接收机用于语音或视频，另一路通过所述信号检测单元转化成幅度信号送至所述中央处理器，所述中央处理器根据幅度信号找到幅度最大的方位位置，然后由所述中央处理器通过所述方位驱动装置驱动所述方位电机将所述天线转到此方位进行卫星信号锁定跟踪，并且实时根据信号反馈修正所述姿态传感器的航向漂移；若信号丢失，则转至步骤A7。

A7：若信号丢失，则所述中央处理器首先保持当前的对星位置一段时间，超出该时间后***开始扫描在原对星位置附近搜索信号，找到信号后调整所述天线使之精确的指向接收卫星进行信号锁定跟踪，若长时间信号丢失，则转至步骤A4。

A8：***断电时，所述中央处理器锁定所述方位电机和所述俯仰电机的当前状态，并进行断电保护。

为弥补所述姿态传感器的航向精度不足，存在漂移的问题，所述中央处理器将信号反馈修正并与所述导航传感器的信息和所述姿态传感器的信息融合，实时校正所述姿态传感器输出数据。

具体的，所述姿态传感器和所述导航传感器实时传回***的位置信息和姿态信息到所述中央处理器，所述中央处理器根据该数据稳定所述天线，并利用所述导航传感器和信号反馈，判断出所述姿态传感器的漂移，并补偿此漂移，由此达到有效隔离载体运动对所述天线带来的指向精度误差，达到稳定跟踪卫星信号的目的。

本发明为卫星信号跟踪装置及其跟踪方法，其有益效果在于：

1、由于姿态传感器与天线电轴以一定夹角安装在天线的后面，随天线***一起转动，直接反馈天线的姿态角，使得姿态传感器的精度最高，同时减少了***连线，***轴系与姿态传感器安装轴系平行度要求不用很高，极大简化了***的生产、安装、维护，非常有利于批量生产；且这种安装方式既可以提高***跟踪卫星信号的精度，又可以使稳定计算公式极大的简化，提高了***的计算处理时间，降低对处理器的要求，降低了硬件设备的成本。

2、由于***采用MEMS姿态传感器，降低了成本，且没有陀螺仪的带来的俯仰和横滚的漂移问题。

3、为弥补航向漂移，提高姿态传感器的航向精度，中央处理器可将信号反馈修正并与导航传感器的信息和姿态传感器的信息融合，实时校正姿态传感器航向数据。

附图说明

图1是本发明实施例中所述卫星信号跟踪装置及其跟踪方法的原理框图；

图2是本发明实施例中所述姿态传感器安装的结构示意图；

图中：1-天线，2-高频头，3-姿态传感器，4-中央处理器，5-数字或模拟检波器，6-信号检测单元，7-信号处理模块，8-信号接收单元，9-接收机，10-功分器，11-导航传感器，12-传感器单元，13-俯仰电机，14-伺服控制单元，15-俯仰驱动装置，16-方位电机，17-方位驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述的卫星信号跟踪装置，包括中央处理器4、用于伺服控制的伺服控制单元14、用于检测卫星信号强度的信号检测单元6、传感器单元12和用于接收卫星信号的信号接收单元8，伺服控制单元14包括方位驱动装置17、方位电机16、俯仰驱动装置15和俯仰电机13，传感器单元12包括用于检测当前位置经纬度信息的导航传感器11和用于检测当前姿态信息的姿态传感器3，导航传感器11的信号端与中央处理器4的导航信号端连接，姿态传感器3的信号端与中央处理器4的姿态信号端连接，信号接收单元8包括天线1、高频头2、接收机9和将天线1接收到的卫星信号一分为二的功分器10，功分器10的第一路信号输出端与信号检测单元6的信号输入端连接，功分器10的第二路信号输出端与接收机9的信号输入端连接，功分器10将接收到的卫星信号分为两路信号，功分器10的第一路信号送至信号检测单元6用于跟踪，功分器10的第二路信号送至接收机9用于视频或者语音，功分器10的信号输入端与高频头2的信号输出端连接，高频头2的信号输入端与天线1的信号输出端连接。天线1通过方位电机16和俯仰电机13进行位置调节。

在本实施例中，导航传感器11与中央处理器4之间、姿态传感器3与中央处理器4之间均通过RS232接口对接。信号检测单元6包括数字或模拟检波器5和信号处理模块7，数字或模拟检波器5的信号输出端与中央处理器4的检波信号输入端连接，数字或模拟检波器5的信号输入端与信号处理模块7的信号输出端连接，信号处理模块7的信号输入端作为信号检测单元6的信号输入端并与功分器10的第一路信号输出端连接。导航传感器11选用GPS传感器、GLONASS传感器、伽利略传感器和北斗传感器中的一种。

如图2所示，姿态传感器3安装在天线1的后面，与天线1的电轴成一定夹角，该夹角保证姿态传感器3输出数据精度最高，并且姿态传感器3能够随着天线1一起运动，这样就可以提高姿态传感器3测量的精度，简化***连线，实时掌握天线1的姿态信息更快更好的捕获卫星信号。同时为降低成本，姿态传感器3采用价格低廉但航向精度足够要求的MEMS传感器。

本发明所述的卫星信号跟踪方法的工作步骤如下：

A1：***上电后，等待导航传感器11锁定，导航传感器11锁定后给出***所处的经度及纬度信息并将其传递到中央处理器4；同时姿态传感器3初始化并校正，并将当前***姿态信息传递给中央处理器4。

A2：中央处理器4根据经度及纬度，通过地理坐标系三角函数公式的算法计算出天线1所需的俯仰角，并通过俯仰驱动装置15驱动俯仰电机13将天线1转向所需的俯仰位置；若中央处理器4接收到***姿态信息，则转至步骤A4，若中央处理器4没有接收到***姿态信息时，则转至步骤A3。

A3：中央处理器4等待姿态传感器3的***姿态信息，当中央处理器4接收到***姿态信息，则转至步骤A4，若没有则继续等待。

A4：中央处理器4根据***姿态信息调整天线1的俯仰角度，使天线1的仰角更精确的指向接收卫星。

A5：中央处理器4根据***姿态传感器3数据利用坐标转换公式计算，并控制方位电机16和俯仰电机13运行用以稳定天线1的方位及俯仰角度，同时通过方位驱动装置17主动驱动方位电机16使天线1进行方位转圈扫描。

A6：信号接收单元8将接收到的卫星信号分为两路，一路送至接收机9用于语音或视频，另一路通过信号检测单元6转化成幅度信号送至中央处理器4，中央处理器4根据幅度信号找到幅度最大的方位位置，然后由中央处理器4通过方位驱动装置17驱动方位电机16将天线1转到此方位进行卫星信号锁定跟踪，并且实时根据信号反馈修正姿态传感器3的航向漂移；若信号丢失，则转至步骤A7。

A7：若信号丢失，则中央处理器4首先保持当前的对星位置一段时间，超出该时间后***开始扫描在原对星位置附近搜索信号，找到信号后调整天线1使之精确的指向接收卫星进行信号锁定跟踪，若长时间信号丢失，则转至步骤A4。

A8：***断电时，中央处理器4锁定方位电机16和俯仰电机13的当前状态，并进行断电保护。

为方便信号丢失后迅速找回，同时提高姿态传感器3的航向精度，姿态传感器3和导航传感器11实时传回载体的当前的姿态信息及经度和纬度信息到中央处理器4，中央处理器4将信号反馈修正并与导航传感器11的信息和姿态传感器3的信息融合，实时校正姿态传感器3的输出数据。中央处理器4根据该数据稳定天线1，隔离载体运动对天线1带来指向误差，达到稳定跟踪卫星信号的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种卫星信号跟踪装置，包括中央处理器、用于伺服控制的伺服控制单元和用于检测卫星信号强度的信号检测单元，所述伺服控制单元包括方位驱动装置、方位电机、俯仰驱动装置和俯仰电机，其特征在于：所述卫星信号跟踪装置还包括用于测量***位置及状态的传感器单元和用于接收卫星信号的信号接收单元，所述传感器单元包括用于检测当前位置经纬度信息的导航传感器和用于检测当前姿态信息的姿态传感器，所述导航传感器的信号端与所述中央处理器的导航信号端连接，所述姿态传感器的信号端与所述中央处理器的姿态信号端连接，所述信号接收单元包括天线和将所述天线接收到的卫星信号一分为二的功分器，所述功分器的第一路信号输出端与所述信号检测单元的信号输入端连接，所述天线通过所述方位电机和所述俯仰电机进行位置调节。

2.根据权利要求1所述的卫星信号跟踪装置，其特征在于：所述导航传感器与所述中央处理器之间、所述姿态传感器与所述中央处理器之间均通过RS232接口对接。

3.根据权利要求1所述的卫星信号跟踪装置，其特征在于：所述信号接收单元还包括高频头和接收机，所述功分器的第二路信号输出端与所述接收机的信号输入端连接，所述功分器将接收到的卫星信号分为两路信号，所述功分器的第一路信号送至所述信号检测单元用于跟踪，所述功分器的第二路信号送至所述接收机用于视频或者语音，所述功分器的信号输入端与所述高频头的信号输出端连接，所述高频头的信号输入端与所述天线的信号输出端连接。

4.根据权利要求1所述的卫星信号跟踪装置，其特征在于：所述信号检测单元包括数字或模拟检波器和信号处理模块，所述数字或模拟检波器的信号输出端与所述中央处理器的检波信号输入端连接，所述数字或模拟检波器的信号输入端与所述信号处理模块的信号输出端连接，所述信号处理模块的信号输入端作为所述信号检测单元的信号输入端并与所述功分器的第一路信号输出端连接。

5.根据权利要求1所述的卫星信号跟踪装置，其特征在于：所述导航传感器为GPS传感器、GLONASS传感器、伽利略传感器和北斗传感器中的一种。

6.根据权利要求1所述的卫星信号跟踪装置，其特征在于：所述姿态传感器为MEMS传感器，所述姿态传感器固定安装在所述天线的后面，并与所述天线的电轴形成一定的夹角，该夹角保证所述姿态传感器处于输出数据精度最高的姿态，所述姿态传感器能够随着天线运动。

7.一种利用权利要求1-6中任何一项所述的卫星信号跟踪装置进行卫星信号跟踪的方法，其特征在于：包括以下步骤：

A1：***上电后，等待所述导航传感器锁定，所述导航传感器锁定后给出***所处的经度及纬度信息并将其传递到所述中央处理器；同时所述姿态传感器初始化并校正，并将当前***姿态信息传递给所述中央处理器；

A2：所述中央处理器根据经度及纬度，通过地理坐标系三角函数公式的算法计算出所述天线所需的俯仰角，并通过所述俯仰驱动装置驱动所述俯仰电机将天线转向所需的俯仰位置；若所述中央处理器接收到***姿态信息，则转至步骤A4，若所述中央处理器没有接收到***姿态信息时，则转至步骤A3；

A3：所述中央处理器等待所述姿态传感器的***姿态信息，当所述中央处理器接收到***姿态信息，则转至步骤A4，若没有则继续等待；

A4：所述中央处理器根据***姿态信息调整所述天线的俯仰角度，使所述天线的仰角更精确的指向接收卫星；

A5：所述中央处理器根据***姿态传感器数据利用坐标转换公式计算，并控制所述方位电机和所述俯仰电机运行用以稳定所述天线的方位及俯仰角度，同时通过所述方位驱动装置主动驱动所述方位电机使所述天线进行方位转圈扫描；

A6：所述信号接收单元将接收到的卫星信号分为两路，一路送至所述接收机用于语音或视频，另一路通过所述信号检测单元转化成幅度信号送至所述中央处理器，所述中央处理器根据幅度信号找到幅度最大的方位位置，然后由所述中央处理器通过所述方位驱动装置驱动所述方位电机将所述天线转到此方位进行卫星信号锁定跟踪，并且实时根据信号反馈修正所述姿态传感器的航向漂移；若信号丢失，则转至步骤A7；

A7：若信号丢失，则所述中央处理器首先保持当前的对星位置一段时间，超出该时间后***开始扫描在原对星位置附近搜索信号，找到信号后调整所述天线使之精确的指向接收卫星进行信号锁定跟踪，若长时间信号丢失，则转至步骤A4；

A8：***断电时，所述中央处理器锁定所述方位电机和所述俯仰电机的当前状态，并进行断电保护。

8.根据权利要求7所述的卫星信号跟踪方法，其特征在于：所述中央处理器将信号反馈修正并与所述导航传感器的信息和所述姿态传感器的信息融合，实时校正所述姿态传感器输出数据。

9.根据权利要求7所述的卫星信号跟踪方法，其特征在于：为隔离载体运动对所述天线带来指向误差，达到稳定跟踪卫星信号的目的，所述姿态传感器和所述导航传感器实时传回***的姿态信息及经纬度信息至所述中央处理器。