动中通卫星天线圆锥扫描算法研究与应用

动中通卫星天线圆锥扫描算法研究与应用陈汝军【摘要】在动中通卫星天线中,最重的就是随动,即在载体(比如船、车或者飞机)摇晃的过程中,保持卫星天线的指向始终对准同步通信卫星. 圆锥扫描就是在卫星天线搜索到卫星的信标信号之后,通过在较小的范围内转动天线,使得天线指向轨迹呈椭圆状,每转一圈,通过传感器(信标机)记录下在椭圆的上下左右四个点的信号强度,根据这四点的信号强度找到卫星信号最强的点(即卫星的正真位置),再驱动电机使得天线绕该点画椭圆,最终使得卫星位置置于椭圆的中心. 怎样通过上下左右四点的信号强度,准确、迅速地调整天线指向,使得椭圆的中心与卫星信号最强的点重合,这是圆锥扫描过程至关重要的一点. 文中通过数据采集、曲线拟合、实践分析等方法找到了一种调整椭圆中心的算法,实践证明,该算法有很好的实用性.%In on-the-move satellite antenna,the most important is servo which means follow-up in the carrier ( such as ships,car or plane) in the process of shaking,keep the satellite antenna pointing always on synchronous communication satellite. Conical scan is such a method,after satellite antenna detected the satellite beacon signals,rotating antenna in small scale,which makes the antenna pointing track a oval. Each round,through the sensor ( beacon) to record the signal strength of four points of up and down,left and right direction in a ova,according to the signal intensity of four points,find the strongest point of antenna signal ( i. e. ,the real antenna position) ,then the motor makes the antenna painting oval around the point,eventually making the satellite position at the center of the ellipse. How to ad-just the antenna pointing accurately and quickly through the four signal intensity,whichmakes the center of the ellipse in the position of the strongest point of the satellite signal,this is what conical scanning process do. In thispaper,propose an algorithm through collecting data,curve fitting and practice analysis to adjust the center of the ellipse. Practice has proved that the algorithm has a good practicability.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2015(025)012【总页数】5页(P201-205)【关键词】动中通;卫星天线;随动;圆锥扫描;圆心调整【作者】陈汝军【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京 210000【正文语种】中文【中图分类】TP301.6动中通卫星天线的工作状态可分为以下几种：初始化、瞄准、搜索、跟踪。

前三个状态主要是让天线搜索到卫星，最后一个状态就是保持卫星天线始终对准同步通信卫星。

在正常工作的情况下，跟踪状态的时间是最长的。

除非需要换星，否者前三个状态完成之后，天线将一直保持跟踪状态[1]。

跟踪状态至关重要，在跟踪的过程中，如果天线指向没有实时、准确地指向通信卫星，将导致通信质量变差，偏差较大的话，就会丢星，直接导致通信中断[2]。

比如天线指向偏离通信卫星3度的话，卫星信号基本淹没在噪声中，具体的门限角度可以通过天线的防线图直接测量出来。

因此怎样通过天线的各种传感器和电机驱动系统保持天线在载体剧烈运动的情况下始终对准卫星，保持信号强度有尽可能小的波动，一直是动中通卫星通信系统追求的性能指标[3]。

动中通与静中通的电机控制系统有着本质的区别。

静中通搜索到卫星之后，保持天线静止就可以保证天线失踪对准卫星，保证通信的流畅[4]。

动中通之所以会偏离已经搜索到的卫星，是因为动中通的载体是运动的。

为了隔离载体的运动，除了位置传感器之外，动中通天线上安装了角速度传感器，即陀螺仪。

陀螺仪与天线面保持相对静止，这样就能感知天线指向的变化。

陀螺仪最大的优点在于实时性，陀螺仪测量得到的速度延迟不会超过1 ms。

通过对陀螺仪测量到的角速度进行积分，就可以得到角度。

以这个角度作为误差输入，驱动电机，最终使得这个角度为0，就可以保持天线始终指向一个位置。

陀螺仪的主要缺陷在于零点漂移。

陀螺仪在完全静止时输出的电压即为陀螺仪的零点。

这个零点的值不是固定的，会随着空气湿度、温度等因素而变化[5]。

例如本项目使用的陀螺仪crs03，它在静止时的电压为2.5 V，电压差与角速度的比例关系为20 mV/(deg/sec)。

不失一般性，以方位为例：天线静止时，方位陀螺采样到的电压值为2.5 V，当方位以1度每秒的速度转动时，陀螺采样到的电压值为2.52 V。

但是如果陀螺仪的零点发生了漂移，真正的零点电压为2.52 V，这样在天线静止时认为天线正在以1度每秒的速度转动，而当天线正在以1度每秒的速度转动时，却误以为天线静止或者正在以2度每秒的速度转动。

这样就给控制系统错误的控制信息，使得天线在跟踪卫星的同时，始终向一个方向缓慢的转动，最终会导致丢星。

综上所述，通信过程中天线指向偏离卫星是由载体晃动引起的，为了实时调整使用了陀螺仪，但是陀螺仪的零点会漂移，表现在天线上就是天线缓慢地往一个方向移动。

在这样的情况下，利用圆锥扫描的方法克服陀螺仪的零点漂移。

在说明如何使天线指画椭圆之前，先来看一下天线的机械结构。

如图1所示，天线有3个轴：方位、俯仰、横滚。

其中横滚轴在天线初始化完成之后，始终保持与水平线平行。

天线需要指向三维空间中任意一点只需要两轴就可以了，横滚轴的存在仅仅是为了让天线可以有正确的极化角[6]。

因此只讨论方位和俯仰轴。

要使得天线指向呈椭圆状运动，要分别研究方位和俯仰轴。

在圆锥扫描的过程中，单独的方位运动呈正弦曲线，俯仰呈余弦曲线[7]。

让天线每一秒转一圈，程序如下：if(CurrentTime-MarkTime>=10){MarkTime=CurrentTime;AZ_Error+=SinTable[i];EL_Error+=CosTable[i];if(++i>=TABLE_SIZE){i=0;}}其中各个变量的含义分别为：CurrentTime：当前系统时间，即单片机通电以来的毫秒数。

MarkTime：时间标记，用它与CurrentTime比较，差值即为上次控制AZ_Error 和EL_Error到现在已经经过的时间，单位为ms。

AZ_Error：方位的目标所在角度与当前真正角度之差，用这个值作为PID算法的输入，产生方位电机的控制信号，最终使得这个值为0，天线的方位指向就指导了目标所在角度。

需要注意的是，这个值不能突变，否者单片机可能会让电机在短时间内不停地切换电机方向，这样很容易损坏电机或者电机的驱动电路与驱动芯片。

在后面研究圆锥扫描过程中调整椭圆中心时还会提到这一点。

SinTable[]和CosTable[]：正弦函数表和余弦函数表，这个表是自己做出来的，将一个周期分成了TABLE_SIZE份，直接通过索引i(0≤i≤TABLE_SIZE)来获取正弦和余弦值。

TABLE_SIZE：正弦和余弦表的大小，这是一个宏定义，值为100。

这样，每10 ms取下一个正弦和余弦值，取100个值就完成一个周期，所以实际运作时，每一秒钟完成一个周期。

这样一来，方位走的路线为正弦曲线的积分，即为余弦曲线；俯仰走的路线为余弦曲线的积分，即为正弦曲线。

将方位和俯仰走的曲线在空间上合成，变成了一个完整的椭圆[7]，见图2。

在让卫星天线的天线指向以每秒一圈的速度在空中画椭圆之后，就可以测得天线在椭圆上面所有点的AGC值(AGC值即从接收机得到的电压值，从这个电压值可以直接看出卫星信号的强弱)[8]。

现在要做的就是，调整椭圆中心，使它与AGC的最大值所在的位置重合，即调整方位、俯仰，使其对准卫星。

怎样才能找到卫星信号最强的点，即AGC最大的点，怎样将天线指向的中心调整到这个点，这就成为要解决的主要问题。

要找到AGC最大的点，要从天线的方向图着手。

图3是用卫星天线测试监控软件测得的方位方向图。

以AGC最大的点为中心，左右各取20度，每隔0.1度取一个采样点，共200个采样点。

在程序中，认为AGC值低于2 000则视为丢星，因此需要研究的仅仅是以最大的AGC为中心，左右各20个点(即左右各2度)范围。

仅仅观察这么小的范围时，发现这段曲线很像是一条抛物线，带着这样的猜想，将左右各2度的数据取出，用二次曲线进行拟合，得到图4。

从图中可以看出，在±2度范围内，AGC变化曲线与拟合出来的多项式几乎完全重合，R2=0.999 1，也说明了拟合程度很高。

这样一来，就可以近似认为在方向图的顶端，AGC的变化曲线为一条抛物线[9]。

在实际的系统当中，圆锥扫描的半径为0.2度，可以在圆锥扫描的同时，记录上下左右四点的AGC值，以便调整圆心，记上下左右四点的AGC值分别为：L_AGC，R_AGC，U_AGC，D_AGC。

这样，就方位而言，圆锥扫描每转一圈，就得到了方向图中相差0.4度的两点的AGC值。

这样很容易得到一个圆心调整策略：比较左右两点的AGC值，哪边大就将椭圆的中心向哪边调整一个固定的角度[9]，实现程序如下：if(i==0)R_AGC=CurrentAGC;if(i==TABLE_SIZE/4)D_AGC=CurrentAGC;if(i==TABLE_SIZE/2)L_AGC=CurrentAGC;if(i==TABLE_SIZE/4*3)U_AGC=CurrentAGC;if(++i>=TABLE_SIZE){i=0;if(R_AGC>L_AGC){AZ_Error+=DEGREE0_1;}else if(R_AGC<L_AGC){AZ_Error-=DEGREE0_1;}if(U_AGC>D_AGC){EL_Error+=DEGREE0_1;}else if(U_AGC<D_AGC){EL_Error-=DEGREE0_1;}}这样做的本质就是，圆锥扫描每转一圈，方位和俯仰的中心位置就调整一个固定的角度，这角度既不能取得太大，也不能太小。