本文原創(chuàng)作者：OpenATShttps://www.freebuf.com/articles/wireless/112380.html

　　一、說在前面

　　SDR的出現(xiàn)讓四線步進電機接線圖我們窮人用上了高大上的東西四線步進電機接線圖，可以用SDR做很多電臺做不了的事情，改變了我們對無線電通信的認知。

　　玩無線電的可能都知道，在跟衛(wèi)星進行通信的時候，由于很多衛(wèi)星是非靜止的，這時候就需要一個自動追蹤天線。市面上也有商業(yè)成品的追蹤天線，比如八重洲的某某系列，當然還有更高級的。

　　但是商業(yè)的成品價格較高，讓我們窮人望而止步。國外的愛好者們，都可以用自動追蹤天線來追蹤衛(wèi)星，不僅僅局限于無線電通聯(lián)等簡單項目，還可以接收氣象衛(wèi)星的高清HRPT云圖等等，而我們國內(nèi)的玩家們，大部分人還沒有一款自動天線，即使有的，也局限于無線電通聯(lián)。

　　谷歌后發(fā)現(xiàn)，國外的開源項目也有，鮑勃的基于樹莓派的CNCTRK等等，還有國內(nèi)精度不高的使用攝像機云臺制作的追蹤天線。攝像機云臺，精度不高，成本低，如果你僅僅想用作無線電通聯(lián)等項目，完全可以按照那個制作就可以。但現(xiàn)在我想要一款精度更高，控制更好，更適合未來無線電研究的天線。而國外的CNCTRK也不錯，基于樹莓派的LinuxCNC開源系統(tǒng)，也算是很好的一個開源項目了。需要了解的可以自己去找一下資料。但本人感覺界面不夠直觀，不夠靈活，還是不太滿意。于是決定自己動手從頭制作。

　　經(jīng)過各方面查找資料，最后確定用開源的硬件平臺Arduino來完成這個項目，然后更多的困難在等著我，之前從沒有接觸過Arduino，開始學習Arduino編程，還好是基于C語言的還比較好上手的，再緊接著，機械系統(tǒng)采用什么電機？伺服？步進？什么是伺服，什么又是步進，之前的我從沒有接觸過這些東西。從頭開始學習，一點兒一點兒累積，這個過程很艱難。我開始明白為什么全球那么多人，那么多愛好者，沒幾個人能做出這么一個簡單的追蹤系統(tǒng)了，表面看起來非常簡單，但卻牽扯的知識太多太多，包括電腦編程、電氣知識、單片機編程、機械設計、地理知識、無線電知識等等。

　　下圖是方位角圖示，一周360度。

　　越是困難，越要解決。

　　起初我的設計是想用便宜的大功率直流電機加上精密的電位器做角度傳感器，來相當于DIY一個伺服電機。為什么這么選擇，因為我手上有一個廢棄的船用衛(wèi)星通訊天線，日本JRC公司的，它自帶的便是三洋的直流電機和高精度電位器來組成了閉環(huán)控制，可以相當于伺服電機啦，既然他們能實現(xiàn)，我也可以啊。于是到處查找如何用電位器和直流電機來做閉環(huán)控制，代碼例子也找了很多。于是開始了漫長的程序設計、編程過程。最后終于寫完了，然后搭建硬件測試，這時候傻眼了。由于天線慣性太大，我的這個系統(tǒng)根本不能剎車，簡直沒法用，一無是處。DIY伺服需要硬件的支持才可以，而不僅僅是依靠Arduino當控制器。而國內(nèi)有DIY伺服用的電路板，價格也是非常高。于是被迫放棄這個方案。后來轉向了定位精度高的步進電機。對步進電機成本、定位精度等都非常滿意。但還是更多困難接連而來，步進是開環(huán)，沒有反饋。天線如何來復位？如何來防止丟步？于是便開始寫程序，程序中帶有步進電機記步功能，可以記錄所走的所有步數(shù)，然后進行復位。丟步只能通過預防、經(jīng)常校準天線等其它方法來完成。我也想用伺服電機，更好的機動控制，更好的角度控制，但是伺服太貴。整個系統(tǒng)做完后成本高昂，根本不能普及。

（下圖中電機非成品中電機，圖中電機安裝后動力不足，更換了0.9N.m的加長42步進電機）

　　后來研究Arduino如何來控制工業(yè)使用的步進電機，國內(nèi)的文章，大多都是用Arduino玩一些小的電機。很少有人控制工業(yè)的步進電機。即使有，也幾乎代碼非常簡單，能控制旋轉就不錯了。連如何將Arduino跟工業(yè)步進驅動器鏈接，都很少有資料。自帶的步進庫連同時控制兩個步進電機都是奢望。這對于一個新手來說是個悲劇的過程。然后開始混跡于Arduino論壇里找資料，找代碼。非常困難的過程，身邊沒有人能幫助你，只能從國內(nèi)論壇，國外論壇，使用百度、谷歌搜索資料。好不容易寫完了，后來代碼可以實現(xiàn)簡單的功能了，但是不巧，發(fā)現(xiàn)了開源的更好的步進電機控制庫AccelStepper，這時候，猛然感覺相見恨晚。因為這個庫非常好，帶有加速減速本身帶有記步功能，也就是說，使用這個庫，你根本不用考慮那些問題，僅僅跟程序說，你想旋轉到多少角度就可以了！

　　又是一次大修代碼，說是大修改，還不如說都刪掉重新寫…

　　先是實驗如何來控制步進電機，如何來應用加速度。最后開始設計整個系統(tǒng)。用現(xiàn)有的追蹤軟件來做上位機（追蹤平臺）可以大大降低我的工作量。并且現(xiàn)在的追蹤軟件都非常好。確定好用現(xiàn)有的電腦追蹤軟件平臺入手后，開始找個合適的軟件做上位機控制器，追蹤軟件又有好多：Orbitron、WXtrack、Xtracker等等免費的衛(wèi)星追蹤軟件，都很不錯。國內(nèi)的圈子局限于Orbitron，Orbitron雖然表現(xiàn)不錯，但已經(jīng)很久沒有維護更新了，支持的追蹤器協(xié)議也是非常少。而WXtrack個人人為是目前最好的衛(wèi)星追蹤軟件，國外很多玩家也是如此認為。本人之前一直用WXtrack來追蹤衛(wèi)星。作者大衛(wèi).泰勒雖然一大把年紀也一直在對軟件進行更新、支持，真是感謝無線電領域的這位大佬所做的貢獻。

　　以下是WXtrack的追蹤界面

　　確定了WXtrack作為追蹤軟件后，便開始深入研究了WXtrack。要使用WXtrack默認支持的追蹤器協(xié)議來做我的系統(tǒng)，那就更簡單了。研究了所有WXtrack自帶的控制協(xié)議，選中了其中的兩個，一個是EasyComm，一個是KVH。

　　EasyComm的串口發(fā)送的角度數(shù)據(jù)直觀，但是假如不注冊軟件的話，所發(fā)送的數(shù)據(jù)只能是整數(shù)，不能精確到小數(shù)點兒后的數(shù)據(jù)。通過Twitter聯(lián)系了作者David.Taylor后，聊了很多，作者說最新將推出的測試版已經(jīng)免費加入了這個功能。比較失望的是這么好的一個軟件，可惜不是開源的，代碼不公開。KVH的協(xié)議數(shù)據(jù)通過抓取串口數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它所發(fā)送的角度值是保留了小數(shù)點兒后1位，雖然是整數(shù)，但是把小數(shù)點兒往前面移動一位既可以得到一個精確到0.1的角度，非常好。而不太完美的地方就是，它發(fā)送的數(shù)據(jù)，是分開發(fā)送的。一個數(shù)據(jù)是AZ（方位角），再單獨另外發(fā)送一個EL（仰角），如此循環(huán)。這樣導致的后果就是，如果我在Arduino編程控制上不做人為控制，那么天線運動就會先轉方位角，再轉仰角，再轉方位角再轉仰角…換句話說，太難看啦，一點兒流暢性都沒有！甚至，細心的人會想到，如果這樣旋轉的話，精度會大大降低啊！根本對不準衛(wèi)星！

　　然后又轉向了EasyComm，邪惡的心想到了有沒有破解版的WXtrack。谷歌后的確有WXtrack

　　3.8.28版本的注冊機，可以完全破解，便下載了下來進行實驗，發(fā)現(xiàn)破解后的確可以輸出更高的精度，我保留了小數(shù)點兒后兩位。當然這種行為的確是劣質的，但對于貧窮的我們中國人來說，我只能說聲對不起那個無私奉獻的David.Taylor了，實在是抱歉。假如你條件允許，請購買正版序列號，支持作者的奉獻，假如你感覺這樣做不好，請將代碼的EasyComm部分注釋掉，使用KVH模式，這種模式是不需要注冊的，并且也能滿足大部分人的需求。

　　為了做一個更完美的天線，想到了很多事情。加入了手動控制功能，這樣可以更靈活地來控制我們的天線，讓我們的天線更加完美。說了這么多自己的想法還有過程，如果看完的人，真心表示感謝，以上就是我制作這個系統(tǒng)的簡略過程，更多的細節(jié)就不一一描述了。由于本人也有工作，一個普通流水線的工人，所以這個過程經(jīng)歷了好幾個月的努力，無論過程多么困難，幸運的是，系統(tǒng)還是做出來了。

　　這個系統(tǒng)完全免費開源，起了個比較霸氣的名字：OpenATS（Open Antenna Tracking System），接近OpenBTS…

　　這系統(tǒng)還可以發(fā)展到無人機追蹤領域，無線電雷達等等，只需定義輸出數(shù)據(jù)格式為方位角和仰角就行。擴展方便。任何人都可以免費使用。

　　本來天線早已做成，但一直沒有公開，存在一點兒私心。完成了此天線，我已經(jīng)有條件接收NOAA、我國的風云氣象衛(wèi)星的HRPT高清云圖了，使用Hackrf通過GNU Radio來輸出.RAW16無線電數(shù)據(jù)文件，再通過Taylor的HRPT Reader軟件便可以輸出高清衛(wèi)星云圖，秒殺那些抄襲了多年的APT衛(wèi)星云圖。

　　想接收國內(nèi)業(yè)余無線電的第一張高清HRPT格式的云圖后再發(fā)布此天線。但是，本人現(xiàn)在的居住環(huán)境沒有地方架天線，電磁環(huán)境也是差得要命。想了一下，不能自私下去了，盡早讓大家都能建起自己的自動天線吧！在下面放出國外著名的玩家接收的HRPT高清云圖，用的就是Hackrf加Gnu Radio 加 HRPT Reader來解碼出來的。希望更多的人來壯大我國的業(yè)余無線電群體。

　　更多高清云圖，請自行谷歌，我網(wǎng)盤中也會有一部分。

　　祝大家都能制作出自己的追蹤天線！

　　二、制作/使用過程需要的硬件：

　　電腦一臺，用來運行WXtrack衛(wèi)星跟蹤軟件。

　　Arduino，山寨或者正版都可以，正版可以購買Genuino，分Nano和Mega等版本，建議Mega，擁有更好的處理能力和內(nèi)存，并且以后擴展好。國內(nèi)正版版本大概140元左右。Nano大概80左右，山寨30-50左右。山寨也正常，我的實驗平臺就是在山寨上運行的

　　步進電機2個，最好用57步進電機，扭距選擇大一些的，2.0Nm以上最好，當然還可以通過減速機來增大扭矩。

　　步進電機驅動器2個，分別控制步進電機的。1套驅動器配1個步進電機，57步進套裝在200-300左右，當然可以淘二手的。

　　24V開關電源一個，工業(yè)上用的即可，淘寶很多，具體功率要根據(jù)你兩個步進電機的功率之和來決定。如果選57大功率的步進電機的話，就要選擇最少10A以上的電源。

　　再一個不起眼但很重要的，XY軸可以旋轉的支架。這個不好購買，可以自己制作，成本不太好估計。如果不算支架的話，僅需要幾百塊錢就可以完成所實現(xiàn)的功能，加上支架成本，不到2k元人民幣應該足夠了。具體看你用沒用減速機還有支架配件等等，有的配件，我們身邊都有。

搭建過程：

　　所有程序和代碼，已經(jīng)分享到我的百度網(wǎng)盤，地址：https://pan.baidu.com/s/1jHYw80u

　　1. 把Arduino驅動程序arduino-1.6.8-windows.exe下載安裝，把AccelStepper庫下載解壓縮，解壓縮后的整個AccelStepper文件夾拷貝到安裝后Arduino程序的libraries文件夾下。

　　最后將追蹤天線代碼復制到IDE中，上傳到Arduino開發(fā)板中。

　　2. 搭建硬件，具體硬件接線很簡單，就是用Arduino的PWM接口，來發(fā)送脈沖。AZ方位角的控制接口是3，dir方向控制是5，EL仰角的控制接口是6，dir方向控制是9。采用共陰接法或者共陽接法都可以（當然你可以自己修改代碼中的接口，對應外圍電路也對應接口）。

　　AZ方位角的CLK+(有的驅動器上也叫PUL+)接到Arduino的數(shù)字接口3，CW+(有的也叫DIR+）接到數(shù)字口5，EL仰角的CLK+接到6，CW+接到9上

　　AZ方位角驅動器上的CLK-，CW-接到一起，再接到arduino的一個GND接口。EL仰角驅動器的CLK-，CW-接到一起，再接到Arduino的另一個GND接口。

　　剩余的EN+（有的也叫ENA+）還有EN-我們都不接。

　　3. 步進電機與驅動器的接線，步進電機比如常見的2相四線電機，分A+,A-,B+,B-接線，在驅動器上都有標識，自行按照自己步進電機的線顏色定義接上即可。驅動器上的電源接開關電源的輸出即可，開關電源給兩個驅動器供電24V電壓。

　　注意正負極。

　　電路圖如下：

　　使用說明：

　　（一）自動追蹤

　　自動追蹤，去我的網(wǎng)盤下載WXtrack3.8.28帶注冊機版本運行并破解軟件（必須注冊或者破解軟件，也可以使用Tylor放出的最新測試版），更新星歷，星歷更新會提示聯(lián)不上網(wǎng)或者更新失敗，我們手動去下載星歷文件放到程序的文件夾下面即可。

　　電腦運行WXtrack軟件，找到頂部菜單，Tracker–Options便打開設置天線追蹤器界面：

　　然后我們點擊選中EasyComm I COM port。

　　pass start可以設置1，意思是1分鐘之前就喚醒天線。

　　Pass end就是追蹤完成后發(fā)送什么指令，我們輸入我們天線的復位指令：“S”當然“0”也可以，Parking意思是停車天線

　　我們選中Park antenna。再切換到Port setup菜單，選中你的arduino對應的COM口，比如COM4，速率選中程序中設置的9600

　　然后是進入Tracker-specific options菜單，將EasyComm precision（精確度控制）設置為2，這樣程序輸出的串口數(shù)據(jù)會保留小數(shù)點2位，否則是整數(shù)，整個系統(tǒng)精確度很低。

　　電腦軟件我們就設置完成了。調(diào)試好角度后，就可以自動追蹤啦！

　　（二）手動控制

　　如果手動控制，請打開Arduino的IDE自帶的串口監(jiān)視器或者用別的可以發(fā)送串口數(shù)據(jù)的軟件（各種串口調(diào)試工具都可以，請自己百度下載）

　　設置你的Arduino對應的串口編號（系統(tǒng)管理里面有），然后設置波特率9600。

　　在發(fā)送角度命令時，按照如下格式：方位角 仰角（AZ EL），中間為空格，數(shù)據(jù)為浮點數(shù)或者整數(shù)，比如發(fā)送：20 40，則天線方位角轉到20度，仰角到40度。等同于：20.0 40.0 可以輸入小數(shù)點兒，細分大的話，程序的識別能力可以精確到0.1度。如果僅僅輸入一位數(shù)字，則只調(diào)動方位角，仰角便為0。比如：20則天線默認將方位角轉到20度，仰角為0度。輸入S或者0都可以將天線復位，即方位角仰角都為0度。

　　修正功能

　　此功能是最后加入的，由于天線已經(jīng)放入了儲藏室，測試起來不方便了，所以沒有進行測試，只大概寫了代碼。

　　所以此功能，等待以后待開發(fā)，不知道代碼好用不好用。錄制視頻時，代碼跟現(xiàn)在代碼不一樣，所以視頻中的串口窗口內(nèi)命令跟現(xiàn)在不一樣。

　　在長時間運轉后，天線可能會由于電機的丟步，造成的精度不準，這時候可以輸入命令來進行校準。為了簡單明了來調(diào)整天線，AZ跟EL分開調(diào)整。

　　調(diào)整方位角的命令為：AA23 就是大寫字母AA后面緊跟一個數(shù)字，可以是浮點數(shù)也可以是整數(shù)。就是把天線當前的角度調(diào)整為23度。

　　調(diào)整仰角的命令便為：EE56 原理同上。

　　最后說一點兒比較重要的，架設天線時，需要將天線仰角水平（這個用水平儀就可以），還需要將0度對準AZ方位角的正北方向，不是磁北。所以如何來找出正北方向是個難題，本人想用太陽在一天中本地時間12點時的方向為正南來確定。注意不是北京時間是當前經(jīng)度的時間。可以用高精度的GPS來獲取精準的本地時間，再根據(jù)太陽投影方法確定正北方向。有更好、更精準的方法希望大家共享出來。

　　三、已知缺點/問題

　　1、自動追蹤過程中，不能關掉軟件切換到手動追蹤，否則斷掉自動追蹤的時候，天線默認停止那個位置為0點位置。

　　斷電重新通電也是如此。

　　2、由于此追蹤是靠軟件實現(xiàn)，不能跟國家衛(wèi)星天線那樣靠信號增益來追蹤，所以精度只能滿足我們業(yè)余無線電愛好者。在實際建好后，還需要仔細調(diào)校，程序、機械裝置的延遲，我們可以將上位機的系統(tǒng)時間提前幾秒來補償。具體根據(jù)多次試驗來調(diào)試自己天線的最佳狀態(tài)。還可以適當降低加速度參數(shù)，提前系統(tǒng)時間來讓天線運行起來更平滑。

　　期待更多人來完善。

　　完成的細節(jié)圖片：

綁了一個紅酒盒子的作用是保持重量平衡，否則仰角電機將會吃很大的力。以后會將紅酒盒子換成拋物線天線。

　　完成后測試視頻：