基于GEME和運動控制系統(tǒng)的車載接收衛(wèi)星電視天線自動跟蹤系統(tǒng)

1、基于GEME和運動控制系統(tǒng)的車載接收衛(wèi)星電視天線自動跟蹤系統(tǒng)的設計    基于GEME和運動控制系統(tǒng)的車載接收衛(wèi)星電視天線自動跟蹤系統(tǒng)的設計趙會平中國科學院國家天文臺摘要本文利用凌華的GEME模塊作為運動控制系統(tǒng)的中央微處理器,結合衛(wèi)星姿態(tài)測量和制導技術中的陀螺傳感器,電子羅盤,GPS等技術的組合,對行駛中的車載衛(wèi)星電視天線接收方向的變化,作出實時敏感的反應,并通過GEME模塊的運算處理,再送三菱電機公司帶編碼器反饋的伺服電機,對經緯度兩軸的變化來轉動天線,使得天線中心軸在汽車行駛過程中始終對準衛(wèi)星.并采取適當?shù)姆椒▽﹂L時間行駛中產生的累積誤差進行修正,

2、確保移動中接收衛(wèi)星電視正常工作.這種利用GEME模塊的設計,可以廣泛地應用在任何載體上(包括汽車,火車,輪船,飛機上).關鍵詞:GEME,運動控制系統(tǒng),陀螺傳感器,電子羅盤,GPS,姿態(tài)測量,制導技術.1引言移動衛(wèi)星多媒體業(yè)務的發(fā)展趨勢1.1移動衛(wèi)生電視系統(tǒng)(Satvision)隨著IT技術的發(fā)展一些發(fā)達國家的汽車,飛機等公司都將在他們的產品上安裝移動接收衛(wèi)星電視的天線自動跟蹤系統(tǒng),英國的出租車上移動接收衛(wèi)星電視節(jié)目,已經在運行.1.2移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)(SatCom)由于移動衛(wèi)星通信的費用低廉,尤其對數(shù)據(jù)遠程通信更具無比優(yōu)勢,所以發(fā)展趨勢很快.1.3移動衛(wèi)星網(wǎng)絡接入系統(tǒng)(SatNet)要完成全

3、球信息化的"數(shù)字地球"工程,就必須發(fā)展移動衛(wèi)星網(wǎng)絡接入系統(tǒng).1.4國內發(fā)展趨勢,歷屆奧運會上一些運動員反映,在從賓館到運動場路途的大巴上看不到當時的體育比賽實況(實時體育廣播),因此當務之急須要的豪華大巴上裝備有車載接收衛(wèi)星電視的天線自動跟蹤系統(tǒng),為2008年北京的科技奧運增光添彩.1.5"十五"期間我國將建成大型豪華客車的生產基地,目前世界各大型豪華客車的生產廠商都已進駐了中國市場,但它們的客車上基本都只能收看光碟,因此在豪華客車上安裝移動接收衛(wèi)星電視是一個巨大的潛在市場.1.6目前技術條件已經成熟俱備,因為冷戰(zhàn)結束后一些兵器工業(yè)萎縮,導致軍用的高新技

4、術紛紛轉向民用領域,我們運用運動控制系統(tǒng)理論,把衛(wèi)星姿態(tài)測量技術和制導技術,與凌華提供GEME(通用的嵌入式機械引擎)微處理中心,三菱電機提供的SSCNET(伺服系統(tǒng)控制網(wǎng)絡)串行伺服技術,融合(Fusion)在一起建立一個穩(wěn)定的平臺,來隔離運動載體的搖擺和航向角的變化,實現(xiàn)接收衛(wèi)星電視天線的波束中心快速,準確,簡便地對準衛(wèi)星,從而實現(xiàn)移動接收衛(wèi)星電視節(jié)目的目的.12天線自動跟蹤系統(tǒng)的構成與工作原理亞太地區(qū)上空已有70多顆不同類型,不同功能的衛(wèi)星的靜止的軌道上運行,目前我國已經用了其中的11顆,可以在陸海空不同領域的載體上接收這些衛(wèi)星上的節(jié)目,前景十分看如.天線自動跟蹤系統(tǒng)主要包括:GEME(

5、通用嵌入式機電引擎)微處理中心,陀螺傳感器,電子羅盤,編碼器位置反饋伺服技術,它具有伺服運動控制卡,伺服驅動器,伺服電機,1.2m*0.3m橫置偏饋拋物面天線(或采用微帶線陳平面天線,單層裂縫平面天線23,以便降低整機高度和減輕重量),衛(wèi)星電視接收機,電壓/頻率(V/F)轉換器,GPS接收機模塊和GPS天線,15英寸(或者8英寸16:9寬屏幕)TFTLCD液晶顯示器,充分利用GEME上提供的串行接口,鼠標接口,顯示接口,USB接口,CF卡接口,外接軟驅接口,外接光驅硬盤接口等,如圖1所示.2.1GEME(通用型嵌入式機電引擎)微處理中心它具有優(yōu)良的廣泛,靈活,通用性能,其配置完全滿足運動控制系

6、統(tǒng)的須求.·它有低功耗的P3800MHz的CPU.·512KB高速緩沖存儲器·系統(tǒng)內存為256MB.·具有815E芯片組和PC104PLUS總線結構.·串行接口,以太網(wǎng)接口,USB接口,IEEE1304接口一應俱全.·存儲器有CF,2.5英寸的HD.·適應多種操作系統(tǒng)winCE,Linux,EmbeddedXP,win2000.·擴展總線1MPC,3PC104,支持自堆層疊結構,增加層數(shù)可提高功能滿足不同須求.2.2陀螺傳感器主要用來測量汽車行駛的航向角變化,它的價格昂貴,考慮到性能價格比一般均選用俄羅斯生產的全固

7、體光纖陀螺傳感器,或選用美國生產的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的慣性陀螺傳感器,它們都具有體積小,重量輕,功耗低,啟動快等特點.隨機漂移1°/h;動態(tài)范圍在±60°/5;標度因子的誤差<2%;因為陀螺傳感器是以16nit數(shù)字信號形式輸出運動載體航向角度變化的角速度,所以可以雙學節(jié)送GEME的CPU(32bit)快速運算處理,通過對該信號進行積分就能求出汽車行駛中的航向角的變化度式中:K陀螺傳感器的標度系數(shù).Mi+1陀螺傳感器在i+1時間內角速率的輸出量.M0陀螺傳感器在靜止狀態(tài)時角速率的輸出量.起始狀態(tài)時的航向角.2.3電子羅盤它主要是用來測量衛(wèi)星電視天線跟蹤

8、系統(tǒng)的俯仰角和方位角的傳感系統(tǒng),我們選用的是美國霍尼威爾公司生產的電子羅盤,它是以NMEA格式經RS232串口提供俯仰角,方位角和航偏變化量輸出的,它響應時間快速,最高可達20Hz,響應時間為0.1S,航向精度為0.5°,分辨率為0.1°,可在惡劣環(huán)境中長期工作5.如圖2所示.2.4伺服系統(tǒng)它主要包括有伺服運動控制卡,伺服驅動器和伺服電機.我們采用日本三菱電機公司的伺服驅動器和伺服電機.由于它的體積小,配線少,能達到高速,高分辨率的伺服定位控制,可以作到數(shù)軸精確,穩(wěn)定的同步控制,每軸編碼器反饋精確定位.由于參照了SMD表面貼的設計,伺服電機分別可以作到極高定位精度,在100

9、nm左右.全數(shù)字化設計可以消除模擬量控制存在的漂移,還能承受啟動時負載的沖擊.如果采用直流伺服驅動器和馬達,雖然也能夠提供線性控制,角速度控制,位伸速度等各部份之間的良好同步,但直流電刷需經常更換,不利于售后服務與維修.2.5GPS接收機模塊它是用來測量汽車當前經緯度定位坐標的,因為陀螺傳感器,電子羅盤長時間工作,它的零點漂移和隨機漂移會產生累積誤差,從而影響天線的跟蹤精度.所以每隔工作一兩個小時之后,都要用GPS接收機給出的汽車當前經緯度定位坐標和衛(wèi)星電視接收機輸出的自動增益控制(AGC)信號,來校正一次天線的位置,修正其誤差,使它重新對準衛(wèi)星.如果汽車行駛在隧道、高層樓群、高架橋下,密集森

10、林等地段時,由于遮擋會使GPS定位失效,導致更大的誤差,這時就采取推算定位(Deadreckoning)進行自律導航6.有了GPS給出的汽車當前經緯度定位坐標,再利用同步衛(wèi)星軌道的坐標,通過計算公式4就可以推導出衛(wèi)星電視接收天線應該保持的航向角和俯仰角:航向角:俯仰角:其中:A汽車當前的經度.B汽車當前的緯度.衛(wèi)星的經度.由此給出的航向角范圍在0360°,俯仰角的范圍在090°.詳細計算請參閱參考文獻4,這里不再贅述.2.6對衛(wèi)星電視天線的選擇為保證在邊遠地區(qū)衛(wèi)星電視信號場強比較弱的地方也能收看電視節(jié)目,我們選擇的是口徑為1.2m*0.3m單偏置拋物面天線,饋源和高頻頭一體

11、化與支撐一起遮擋最小,有較大的焦距直徑比(f/d),從而使天線的縱向尺寸變大,短徑降低,安裝在車頂上有利于降低車勿高度,它具有較低的天線旁瓣電平和饋源極化輻射電平.外面覆蓋一個玻璃鋼天線罩,為滿足小型化的需求,還可以選擇微帶線陣平面天線和單層裂縫天線7823,韓國天線公司生產的0.35m園型正饋天線,它的饋源是有源的特制Ku波段,整體增益高,但價格都很昂貴.值得我們研究.2.7 顯示器可選擇專供車載用的電動翻轉式TETLCD液晶顯示終端,一般為15英寸,小轎車或機載可選用8英寸16:9寬屏幕的顯示器.GEME中的CF(compactFlshcard)接口的電子盤可以存儲我國已使用的11顆衛(wèi)星軌

12、道坐標的數(shù)據(jù)程序,作為智能識別衛(wèi)星,動態(tài)中快速截獲衛(wèi)星,并實現(xiàn)一鍵選星和遙控選擇頻道用.在頭等艙和軟臥車廂中,參照有線電視方法為貴賓提供自己選擇頻道,避免廣告的干擾.整個系統(tǒng)的工作原理,它的初始條件是建立在以電子羅盤數(shù)據(jù)的輸出為最高級別中斷,并選擇最高響應頻率為20Hz的串行輸出俯仰角和方位角的變化量,來保持與陀螺傳感器測量到的航向角變化量同步,并送GEME的CPU進行處理后,以20Hz的頻率傳輸?shù)竭\動控制卡來驅動伺服驅動器,傳動伺服電機,控制衛(wèi)星電視天線的轉動方向,實時對準衛(wèi)星,從而實現(xiàn)移動接收,衛(wèi)星電視接收機輸出的模擬AGC信號,經V/F模塊轉換成頻率后,也送GEME的CPU,經處理后以5

13、0ms的定時中斷,開始對V/F輸出的頻率計數(shù),當信號最大時表示重新又捕獲到已量,這樣就完成了電子羅盤,陀螺傳感器,GPS,AGC控制的四重精度的天線自動跟蹤系統(tǒng).3結束語我們成功地移植了"凌華"和功能強大的通用嵌入式機械引擎(MEME)和"三菱電機"伺服系統(tǒng)控制技術,以及全世界共享的免費GPS資源,設計出在移動中接收衛(wèi)星電視的天線自動跟蹤系統(tǒng),它不盡適用于移動接收衛(wèi)星電視,它還在移動衛(wèi)星通信,移動衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡和多媒體業(yè)務上有著廣闊市場,目前我們正為2008年北京科技奧運而工作著.隨著半導體技術的進步,一種很具開發(fā)價值的有源相控陣天線的關鍵器件,例如:濾波器,低噪音放大器,移相器等已經實現(xiàn)芯片化,整個直接輻射的有源相控陣天線可以做得更加小型化,輕便化,技術含量更高(尺寸大約有臉盆大小)我們要跟蹤技術前沿.參考文獻1.以光衡,慣性導航原理,航空工業(yè)出版社,19872.趙會平,微帶線陣天線,中國電子學會論文集;1995年天線年會,225-2303.趙會平編譯,帶有屏蔽板的小口徑單層結構的徑向裂縫天線,內部資料,1992.4.YiLinZhaoVehicleLocationandNavigationsystems