Ku波段卫星通信便携站天线自动对星装置和方法

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别涉及Ku波段卫星通信便携站天线，以及北斗 /GPS(Global Positioning System，GPS)卫星导航定位技术、自适应控制技术和机电一体化 技术。

Ku波段卫星通信便携站是卫星通信的重要站型，因其结构紧凑简单、架设撤收方便，具 有极强的便携性和机动性，可应用于陆上、空中及海上的固定通信和紧急情况下的应急通信， 非常适合应急处突、抢险救灾、勘探科考、新闻采访以及军事通信等重要机动场合。一般地， 原卫星便携站配备的是0.9米单偏置抛物面天线，由于Ku波段波束窄，天线对星精度要求较 高，但因该天线设计为手工对星方式，即采用磁罗盘辅助定位，调整天线的方位角和俯仰角， 通过转动天线中心轴和调节仰角锁定杆来实现对星，对星时存在以下问题和不足：1)磁罗盘 指示受周围电磁环境影响比较大。如高压线、变电站、铁矿山等，都会对磁罗盘指针的指示 产生影响，从而引起不可接受的偏差，不利于准确对星；2)夜间对星时磁罗盘不便于观测。 由于夜间光线不足、视线不良，磁罗盘指针读数不便于观察和测量，给准确对星带来很大的 困难；3)现有对星方法不能直观确定对星精度，需要观察卫星接收信号的Eb/N0读数，反复 调整天线方位角和俯仰角直到使读数最大为止，至少需要两人配合操作才能完成，对星过程 耗时较长，一般为5～10分钟，夜间会更长。显然，这种手工对星方式对于通信时效性要求 高、联络任务非常急迫的场合根本不能适应，急需加以改进。参见：(《卫星通信系统》，蔡 剑铭等著，人民邮电出版社，1994年出版)和(http://www.satbase/d271099793.htm，0.9m 偏馈背负式便携卫星天线)。在获取天线所在地位置信息方面，一种有效的方法是采用卫星导 航定位技术。过去一般采用GPS(Global Positioning System，GPS)系统，现在，我国自主开 发的北斗导航定位系统已能提供服务，为增加定位可靠性，可以采用北斗/GPS双模定位技术， 获得本地经纬度，结合同步卫星经度可计算出对星所需的方位角和俯仰角。参见：(《卫星导 航定位工程》，谭述森著，国防工业出版社，2007出版)。为实现对星过程自动化，可以采用 先进的自适应控制技术，通过对原天线进行改造，在获取经纬度信息后自动计算出天线方位 角和俯仰角，驱动伺服电机自动搜索对星，并获取反馈控制信号，实现一键准确对星。参见： (《反馈控制系统设计与分析》，薛定宇著，清华大学出版社，2000年出版)和(基于圆锥扫 描的舰载卫星电视天线跟踪系统，邹丽娟，黄建国，现代雷达，Vol.26，No.10，2004，pp68‑70)。

传统的0.9米单偏置抛物面天线已批量生产，并配备到Ku波段卫星通信便携站的各种使 用场合，如何以最低成本、最小改动，使其具有快速自动对星功能，是一个急需解决的课题， 这一问题的解决相信将会带来较大的经济和社会效益。

本发明提出一种Ku波段卫星通信便携站天线自动对星装置和方法，在原有天线基础上 进行较小改动，实现快速、自动、精确的一键对星，使对星时间缩短到1分钟左右，并通过 LED显示对星精度，尤其带来夜间对星的便利性，该发明可充分发挥原有天线的使用效能和 潜力，大幅度提高现有卫星便携站通信联络的时效性。

本发明的目的是提出一种Ku波段卫星通信便携站天线自动对星装置和方法，可实现快速、 自动、精确的一键对星，提高卫星便携站通信的时效性。

本发明的特征在于，该装置包括：

步进方位电机、俯仰直流电机、倾角仪、自动控制器，其中自动控制器又包括：主控模 块、北斗/GPS双模定位模块、卫星接收信号检测模块、方位和俯仰电机驱动伺服模块、LED 显示及按键模块和电源模块组成；

本发明的特征还在于，该方法依次按以下步骤实现：

步骤(1)，对0.9米Ku波段卫星通信天线原方位结构和俯仰结构进行以下改造：

方位向原结构为天线面固定在一个中心旋转轴套上，旋转轴套绕固定中心轴进行旋转， 本发明在原结构的基础上，增加一个小型步进电机和相应的机械结构部件，步进电机水平向 右放置，天线面的旋转中心轴外部直接固定一对传动齿轮，通过十字交叉减速装置与电机相 联接，实现方位向的旋转动作；

俯仰向原结构为由一个仰角调节锁定杆支撑天线面，即一个长轴在套筒内进行伸缩，搜 到星后通过手动拧紧方式固定长轴与套筒的相对位置，本发明在原结构基础上，不改变本体 结构，在原安装位置上换装一个电动推杆，替代原来的仰角调节锁定杆，通过直流电机提供 动力，电动推杆与天线两端的固定方式不变，伸缩行程与原结构行程相同；

步骤(2)，在原来天线馈源组件支撑杆上加装倾角仪；

步骤(3)，在天线背负架及基座上安装自动控制器；

从卫星终端设备电池盒输出口连接24V电源至自动控制器，将卫星终端设备中频监测口 输出的下行中频70MHz信号通过射频电缆连接至自动控制器，将北斗/GPS天线连接至自动控 制器，将倾角仪连接至自动控制器，将自动控制器的方位和俯仰两个方向伺服电机驱动信号 分别连接至方位电机和俯仰电机；

步骤(4)，系统上电初始化；

步骤(5)，北斗/GPS定位数据解析；

步骤(6)，通过一键启动进入自动寻星，包括自动计算方位角和俯仰角，驱动电机搜索 卫星，检测卫星接收信号，当信号大于门限值时进入锁定状态，并通过点亮LED显示，同时 蜂鸣器发出急促的声音。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过对0.9米Ku波段卫星天线进行方位和俯仰方向电动改造，并增加自动伺服控制电路， 借助北斗/GPS双模定位模块获得天线所在地点经纬度，结合卫星经度由主控电路自动计算出 方位角和俯仰角，并驱动电机进行自动搜索卫星，实现了自动、快速、精确的一键对星功能， 使对星时间由原来的白天5～10分钟、夜间不可预知，缩短到1分钟左右，大大提高了Ku波 段卫星通信便携站开通的时效性，满足了应急通信快速沟通的要求。

图1是Ku波段卫星通信便携站自动对星装置框图。

图2是软件程序状态图。

图3是方位步进电机控制流程图。

图4是俯仰直流电机控制流程图。

图5是卫星接收中频信号检测电路框图。

图6是方位结构示意图

图7是俯仰结构示意图

对附图中的标志说明如下：

A/M     自动/手动

DC/DC   直流/直流变换器

GPS     全球定位系统

KEY     控制按键

LED     发光二极管

MCU     微控制器单元

POWER   电源

TUNER   中频信号检测单元

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一 步地详细描述。

本发明提出一种Ku波段卫星通信便携站天线自动对星装置，可实现快速、自动、精确的 一键对星，提高卫星便携站通信的时效性。其特征在于，该装置包括如下模块，如图1所示：

步进方位电机、俯仰直流电机、倾角仪、自动控制器，其中自动控制器又包括：主控模 块、北斗/GPS双模定位模块、卫星接收信号检测模块(如图5所示)、方位和俯仰电机驱动 伺服模块、LED显示及按键模块和电源模块组成；

本发明同时提出一种Ku波段卫星通信便携站天线自动对星方法，

本发明的特征还在于，该方法依次按以下步骤实现：

步骤(1)，对0.9米Ku波段卫星通信天线原方位结构和俯仰结构进行以下改造：

方位向原结构为天线面固定在一个中心旋转轴套上，旋转轴套绕固定中心轴进行旋转， 本发明在原结构的基础上，增加一个小型步进电机和相应的机械结构部件，步进电机水平向 右放置，天线面的旋转中心轴外部直接固定一对传动齿轮，通过十字交叉减速装置与电机相 联接，实现方位向的旋转动作，如图6所示；

俯仰向原结构为由一个仰角调节锁定杆支撑天线面，即一个长轴在套筒内进行伸缩，搜 到星后通过手动拧紧方式固定长轴与套筒的相对位置，本发明在原结构基础上，不改变本体 结构，在原安装位置上换装一个电动推杆，替代原来的仰角调节锁定杆，通过直流电机提供 动力，电动推杆与天线两端的固定方式不变，伸缩行程与原结构行程相同，如图7所示；

步骤(2)，在原来天线馈源组件支撑杆上加装倾角仪；

步骤(3)，在天线背负架及基座上安装自动控制器；

从卫星终端设备电池盒输出口连接24V电源至自动控制器，将卫星终端设备中频监测口 输出的下行中频70MHz信号通过射频电缆连接至自动控制器，将北斗/GPS天线连接至自动控 制器，将倾角仪连接至自动控制器，将自动控制器的方位和俯仰两个方向伺服电机驱动信号 分别连接至方位电机和俯仰电机；

步骤(4)，系统上电初始化；

步骤(5)，北斗/GPS定位数据解析；

步骤(6)，通过一键启动进入自动寻星(如图2所示)，包括自动计算方位角和俯仰角， 驱动电机搜索卫星(如图3、图4所示)，检测卫星接收信号，当信号大于门限值时进入锁定 状态，并通过点亮LED显示，同时蜂鸣器发出急促的声音。

上面对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例。在本发 明权利要求的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。