爱华网基于GEME和运动控制系统的车载接收卫星电视天线自动跟踪系统的设计
中国科学院国家天文台
摘要
本文利用凌华的GEME模块作为运动控制系统的中央微处理器，结合卫星姿态测量和制导技术中的陀螺传感器，电子罗盘，GPS等技术的组合，对行驶中的车载卫星电视天线接收方向的变化，作出实时敏感的反应，并通过GEME模块的运算处理，再送三菱电机公司带编码器反馈的伺服电机，对经纬度两轴的变化来转动天线，使得天线中心轴在汽车行驶过程中始终对准卫星。并采取适当的方法对长时间行驶中产生的累积误差进行修正，确保移动中接收卫星电视正常工作。这种利用GEME模块的设计，可以广泛地应用在任何载体上（包括汽车，火车，轮船，飞机上）。
关键词：GEME，运动控制系统，陀螺传感器，电子罗盘，GPS， 姿态测量，制导技术。
1 引言
移动卫星多媒体业务的发展趋势
1.1 移动卫生电视系统（Satvision）
随着IT技术的发展一些发达国家的汽车，飞机等公司都将在他们的产品上安装移动接收卫星电视的天线自动跟踪系统，英国的出租车上移动接收卫星电视节目，已经在运行。
1.2 移动卫星通信系统（Sat Com）
由于移动卫星通信的费用低廉，尤其对数据远程通信更具无比优势，所以发展趋势很快。
1.3 移动卫星网络接入系统（Sat Net）
要完成全球信息化的“数字地球”工程，就必须发展移动卫星网络接入系统。
1.4 国内发展趋势，历届奥运会上一些运动员反映，在从宾馆到运动场路途的大巴上看不到当时的体育比赛实况（实时体育广播），因此当务之急须要的豪华大巴上装备有车载接收卫星电视的天线自动跟踪系统，为2008年北京的科技奥运增光添彩。
1.5 “十五”期间我国将建成大型豪华客车的生产基地，目前世界各大型豪华客车的生产厂商都已进驻了中国市场，但它们的客车上基本都只能收看光碟，因此在豪华客车上安装移动接收卫星电视是一个巨大的潜在市场。
1.6 目前技术条件已经成熟俱备，因为冷战结束后一些兵器工业萎缩，导致军用的高新技术纷纷转向民用领域，我们运用运动控制系统理论，把卫星姿态测量技术和制导技术，与凌华提供GEME（通用的嵌入式机械引擎）微处理中心，三菱电机提供的SSCNET（伺服系统控制网络）串行伺服技术，融合（Fusion）在一起建立一个稳定的平台，来隔离运动载体的摇摆和航向角的变化，实现接收卫星电视天线的波束中心快速，准确，简便地对准卫星，从而实现移动接收卫星电视节目的目的。[1]
2 天线自动跟踪系统的构成与工作原理
亚太地区上空已有70多颗不同类型，不同功能的卫星的静止的轨道上运行，目前我国已经用了其中的11颗，可以在陆海空不同领域的载体上接收这些卫星上的节目，前景十分看如。天线自动跟踪系统主要包括：GEME（通用嵌入式机电引擎）微处理中心，陀螺传感器，电子罗盘，编码器位置反馈伺服技术，它具有伺服运动控制卡，伺服驱动器，伺服电机，
1.2m30.3m横置偏馈抛物面天线（或采用微带线陈平面天线，单层裂缝平面天线[2][3]，以便降低整机高度和减轻重量），卫星电视接收机，电压/频率（V/F）转换器，GPS接收机模块和GPS天线，15英寸（或者8英寸16：9宽屏幕）TFT——LCD液晶显示器，充分利用GEME上提供的串行接口，鼠标接口，显示接口，USB接口，CF卡接口，外接软驱接口，外接光驱硬盘接口等，如图1所示。
2.1 GEME（通用型嵌入式机电引擎）微处理中心
它具有优良的广泛，灵活，通用性能，其配置完全满足运动控制系统的须求。
2它有低功耗的P3 800MHz的CPU。
2512KB 高速缓冲存储器
2系统内存为256MB。
2具有815E芯片组和PC104 PLUS总线结构。
2串行接口，以太网接口，USB接口，IEEE 1304 接口一应俱全。
2存储器有CF， 2.5英寸的HD。
2适应多种操作系统win CE， Linux, Embedded XP, win 2000.
2扩展总线 1MPC， 3PC104， 支持自堆层叠结构，增加层数可提高功能满足不同须求。
2.2 陀螺传感器
主要用来测量汽车行驶的航向角变化，它的价格昂贵，考虑到性能价格比一般均选用俄罗斯生产的全固体光纤陀螺传感器，或选用美国生产的微电子机械系统（MEMS）的惯性陀螺传感器，它们都具有体积小，重量轻，功耗低，启动快等特点。随机漂移∠1°/h；动态范围在±60°/5；标度因子的误差＜2%；因为陀螺传感器是以16nit数字信号形式输出运动载体航向角度变化的角速度，所以可以双学节送GEME的CPU（32bit）快速运算处理，通过对该信号进行积分就能求出汽车行驶中的航向角的变化度??
????0??k?Mi?1?M0?dt ii?1
式中：
K——陀螺传感器的标度系数。
Mi+1——陀螺传感器在i+1时间内角速率的输出量。
M0——陀螺传感器在静止状态时角速率的输出量。
?0——起始状态时的航向角。
2.3 电子罗盘
它主要是用来测量卫星电视天线跟踪系统的俯仰角和方位角的传感系统，我们选用的是美国霍尼威尔公司生产的电子罗盘，它是以NMEA格式经RS—232串口提供俯仰角，方位角和航偏变化量输出的，它响应时间快速，最高可达20Hz，响应时间为0.1S，航向精度为0.5°，分辨率为0.1°，可在恶劣环境中长期工作[5]。如图2所示。
2.4 伺服系统
它主要包括有伺服运动控制卡，伺服驱动器和伺服电机。我们采用日本三菱电机公司的伺服驱动器和伺服电机。由于它的体积小，配线少，能达到高速，高分辨率的伺服定位控制，可以作到数轴精确，稳定的同步控制，每轴编码器反馈精确定位。由于参照了SMD表面贴的设计，伺服电机分别可以作到极高定位精度，在100nm左右。
全数字化设计可以消除模拟量控制存在的漂移，还能承受启动时负载的冲击。如果采用直流伺服驱动器和马达，虽然也能够提供线性控制，角速度控制，位伸速度等各部份之间的良好同步，但直流电刷需经常更换，不利于售后服务与维修。
2.5 GPS接收机模块
它是用来测量汽车当前经纬度定位坐标的，因为陀螺传感器，电子罗盘长时间工作，它的零点漂移和随机漂移会产生累积误差，从而影响天线的跟踪精度。所以每隔工作一两个小时之后，都要用GPS接收机给出的汽车当前经纬度定位坐标和卫星电视接收机输出的自动增益控制（AGC）信号，来校正一次天线的位置，修正其误差，使它重新对准卫星。如果汽车行驶在隧道、高层楼群、高架桥下，密集森林等地段时，由于遮挡会使GPS定位失效，
导致更大的误差，这时就采取推算定位（Dead reckoning）进行自律导航[6]。有了GPS给出的汽车当前经纬度定位坐标，再利用同步卫星轨道的坐标，通过计算公式[4]就可以推导出卫星电视接收天线应该保持的航向角和俯仰角：
航向角：
??arctg
俯仰角：
tg?A???tgB
??arctgcosBcos1???0.15
其中：
A——汽车当前的经度。
B——汽车当前的纬度。
? ——卫星的经度。
由此给出的航向角范围在0—360°，俯仰角的范围在0—90°。详细计算请参阅参考文献[4]，这里不再赘述。
2.6 对卫星电视天线的选择
为保证在边远地区卫星电视信号场强比较弱的地方也能收看电视节目，我们选择的是口径为1.2m30.3m单偏置抛物面天线，馈源和高频头一体化与支撑一起遮挡最小，有较大的焦距直径比（f/d），从而使天线的纵向尺寸变大，短径降低，安装在车顶上有利于降低车勿高度，它具有较低的天线旁瓣电平和馈源极化辐射电平。外面覆盖一个玻璃钢天线罩，为满足小型化的需求，还可以选择微带线阵平面天线和单层裂缝天线[7][8][2][3]，韩国天线公司生产的0.35m园型正馈天线，它的馈源是有源的特制Ku波段，整体增益高，但价格都很昂贵。值得我们研究。
2.7 其它
显示器可选择专供车载用的电动翻转式TETLCD液晶显示终端，一般为15英寸，小轿车或机载可选用8英寸16:9宽屏幕的显示器。GEME中的CF（compact Flsh card）接口的电子盘可以存储我国已使用的11颗卫星轨道坐标的数据程序，作为智能识别卫星，动态中快速截获卫星，并实现一键选星和遥控选择频道用。在头等舱和软卧车厢中，参照有线电视方法为贵宾提供自己选择频道，避免广告的干扰。
整个系统的工作原理，它的初始条件是建立在以电子罗盘数据的输出为最高级别中断，并选择最高响应频率为20Hz的串行输出俯仰角和方位角的变化量，来保持与陀螺传感器测量到的航向角变化量同步，并送GEME的CPU进行处理后，以20Hz的频率传输到运动控制卡来驱动伺服驱动器，传动伺服电机，控制卫星电视天线的转动方向，实时对准卫星，从而实现移动接收，卫星电视接收机输出的模拟AGC信号，经V/F模块转换成频率后，也送GEME的CPU， 经处理后以50ms的定时中断，开始对V/F输出的频率计数，当信号最大时表示重新又捕获到已量，这样就完成了电子罗盘，陀螺传感器，GPS， AGC控制的四重精度的天线自动跟踪系统。
3 结束语
我们成功地移植了“凌华”和功能强大的通用嵌入式机械引擎（MEME）和“三菱电机”伺服系统控制技术，以及全世界共享的免费GPS资源，设计出在移动中接收卫星电视的天线自动跟踪系统，它不尽适用于移动接收卫星电视，它还在移动卫星通信，移动卫星宽带网络和多媒体业务上有着广阔市场，目前我们正为2008年北京科技奥运而工作着。
随着半导体技术的进步，一种很具开发价值的有源相控阵天线的关键器件，例如：滤波器，低噪音放大器，移相器等已经实现芯片化，整个直接辐射的有源相控阵天线可以做得更加小型化，轻便化，技术含量更高（尺寸大约有脸盆大小）我们要跟踪技术前沿。
参考文献
1．以光衡，惯性导航原理，航空工业出版社，1987
2．赵会平，微带线阵天线，中国电子学会论文集；1995年天线年会，225-230
3．赵会平编译，带有屏蔽板的小口径单层结构的径向裂缝天线，内部资料，1992。
4．Yi Lin Zhao Vehicle Location and Navigation systems, Artech House Ins. Beston. London; 43-78
5．北京联合欣华科技公司、传感器手册，2001。
6．赵会平，GPS民间应用的一个最大市场——汽车导航系统，中国工程院院刊：中国工程科学，2001（8）64-69。
7．杨可忠，杨智友，章日荣，现代面天线新技术，人民邮电出版社，1993
8．Handbook of Microstrip Antennas. Vol. 1, 2, Ed, by J R james & P S Hall, 1990
