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

　　一、說(shuō)在前面

　　SDR的出現(xiàn)讓我們窮人用上57步進(jìn)電機(jī)功率多大了高大上的東西57步進(jìn)電機(jī)功率多大，可以用SDR做很多電臺(tái)做不了的事情，改變了我們對(duì)無(wú)線電通信的認(rèn)知。

　　玩無(wú)線電的可能都知道，在跟衛(wèi)星進(jìn)行通信的時(shí)候，由于很多衛(wèi)星是非靜止的，這時(shí)候就需要一個(gè)自動(dòng)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(dāng)然還有更高級(jí)的。

　　但是商業(yè)的成品價(jià)格較高，讓我們窮人望而止步。國(guó)外的愛好者們，都可以用自動(dòng)追蹤天線來(lái)追蹤衛(wèi)星，不僅僅局限于無(wú)線電通聯(lián)等簡(jiǎn)單項(xiàng)目，還可以接收氣象衛(wèi)星的高清HRPT云圖等等，而我們國(guó)內(nèi)的玩家們，大部分人還沒(méi)有一款自動(dòng)天線，即使有的，也局限于無(wú)線電通聯(lián)。

　　谷歌后發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的開源項(xiàng)目也有，鮑勃的基于樹莓派的CNCTRK等等，還有國(guó)內(nèi)精度不高的使用攝像機(jī)云臺(tái)制作的追蹤天線。攝像機(jī)云臺(tái)，精度不高，成本低，如果你僅僅想用作無(wú)線電通聯(lián)等項(xiàng)目，完全可以按照那個(gè)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(lái)無(wú)線電研究的天線。而國(guó)外的CNCTRK也不錯(cuò)，基于樹莓派的LinuxCNC開源系統(tǒng)，也算是很好的一個(gè)開源項(xiàng)目了。需要了解的可以自己去找一下資料。但本人感覺(jué)界面不夠直觀，不夠靈活，還是不太滿意。于是決定自己動(dòng)手從頭制作。

　　經(jīng)過(guò)各方面查找資料，最后確定用開源的硬件平臺(tái)Arduino來(lái)完成這個(gè)項(xiàng)目，然后更多的困難在等著我，之前從沒(méi)有接觸過(guò)Arduino，開始學(xué)習(xí)Arduino編程，還好是基于C語(yǔ)言的還比較好上手的，再緊接著，機(jī)械系統(tǒng)采用什么電機(jī)？伺服？步進(jìn)？什么是伺服，什么又是步進(jìn)，之前的我從沒(méi)有接觸過(guò)這些東西。從頭開始學(xué)習(xí)，一點(diǎn)兒一點(diǎn)兒累積，這個(gè)過(guò)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(méi)幾個(gè)人能做出這么一個(gè)簡(jiǎn)單的追蹤系統(tǒng)了，表面看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但卻牽扯的知識(shí)太多太多，包括電腦編程、電氣知識(shí)、單片機(jī)編程、機(jī)械設(shè)計(jì)、地理知識(shí)、無(wú)線電知識(shí)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(shè)計(jì)是想用便宜的大功率直流電機(jī)加上精密的電位器做角度傳感器，來(lái)相當(dāng)于DIY一個(gè)伺服電機(jī)。為什么這么選擇，因?yàn)槲沂稚嫌幸粋€(gè)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(jī)和高精度電位器來(lái)組成了閉環(huán)控制，可以相當(dāng)于伺服電機(jī)啦，既然57步進(jìn)電機(jī)功率多大他們能實(shí)現(xiàn)，我也可以啊。于是到處查找如何用電位器和直流電機(jī)來(lái)做閉環(huán)控制，代碼例子也找了很多。于是開始了漫長(zhǎng)的程序設(shè)計(jì)、編程過(guò)程。最后終于寫完了，然后搭建硬件測(cè)試，這時(shí)候傻眼了。由于天線慣性太大，我的這個(gè)系統(tǒng)根本不能剎車，簡(jiǎn)直沒(méi)法用，一無(wú)是處。DIY伺服需要硬件的支持才可以，而不僅僅是依靠Arduino當(dāng)控制器。而國(guó)內(nèi)有DIY伺服用的電路板，價(jià)格也是非常高。于是被迫放棄這個(gè)方案。后來(lái)轉(zhuǎn)向了定位精度高的步進(jìn)電機(jī)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)成本、定位精度等都非常滿意。但還是更多困難接連而來(lái)，步進(jìn)是開環(huán)，沒(méi)有反饋。天線如何來(lái)復(fù)位？如何來(lái)防止丟步？于是便開始寫程序，程序中帶有步進(jìn)電機(jī)記步功能，可以記錄所走的所有步數(shù)，然后進(jìn)行復(fù)位。丟步只能通過(guò)預(yù)防、經(jīng)常校準(zhǔn)天線等其它方法來(lái)完成。我也想用伺服電機(jī)，更好的機(jī)動(dòng)控制，更好的角度控制，但是伺服太貴。整個(gè)系統(tǒng)做完后成本高昂，根本不能普及。

（下圖中電機(jī)非成品中電機(jī)，圖中電機(jī)安裝后動(dòng)力不足，更換了0.9N.m的加長(zhǎng)42步進(jìn)電機(jī)）

　　后來(lái)研究Arduino如何來(lái)控制工業(yè)使用的步進(jìn)電機(jī)，國(guó)內(nèi)的文章，大多都是用Arduino玩一些小的電機(jī)。很少有人控制工業(yè)的步進(jìn)電機(jī)。即使有，也幾乎代碼非常簡(jiǎn)單，能控制旋轉(zhuǎn)就不錯(cuò)了。連如何將Arduino跟工業(yè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器鏈接，都很少有資料。自帶的步進(jìn)庫(kù)連同時(shí)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)都是奢望。這對(duì)于一個(gè)新手來(lái)說(shuō)是個(gè)悲劇的過(guò)程。然后開始混跡于Arduino論壇里找資料，找代碼。非常困難的過(guò)程，身邊沒(méi)有人能幫助你，只能從國(guó)內(nèi)論壇，國(guó)外論壇，使用百度、谷歌搜索資料。好不容易寫完了，后來(lái)代碼可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能了，但是不巧，發(fā)現(xiàn)了開源的更好的步進(jìn)電機(jī)控制庫(kù)AccelStepper，這時(shí)候，猛然感覺(jué)相見恨晚。因?yàn)檫@個(gè)庫(kù)非常好，帶有加速減速本身帶有記步功能，也就是說(shuō)，使用這個(gè)庫(kù)，你根本不用考慮那些問(wèn)題，僅僅跟程序說(shuō)，你想旋轉(zhuǎn)到多少角度就可以了！

　　又是一次大修代碼，說(shuō)是大修改，還不如說(shuō)都刪掉重新寫…

　　先是實(shí)驗(yàn)如何來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，如何來(lái)應(yīng)用加速度。最后開始設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。用現(xiàn)有的追蹤軟件來(lái)做上位機(jī)（追蹤平臺(tái)）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(tái)入手后，開始找個(gè)合適的軟件做上位機(jī)控制器，追蹤軟件又有好多：Orbitron、WXtrack、Xtracker等等免費(fèi)的衛(wèi)星追蹤軟件，都很不錯(cuò)。國(guó)內(nèi)的圈子局限于Orbitron，Orbitron雖然表現(xiàn)不錯(cuò)，但已經(jīng)很久沒(méi)有維護(hù)更新了，支持的追蹤器協(xié)議也是非常少。而WXtrack個(gè)人人為是目前最好的衛(wèi)星追蹤軟件，國(guó)外很多玩家也是如此認(rèn)為。本人之前一直用WXtrack來(lái)追蹤衛(wèi)星。作者大衛(wèi).泰勒雖然一大把年紀(jì)也一直在對(duì)軟件進(jìn)行更新、支持，真是感謝無(wú)線電領(lǐng)域的這位大佬所做的貢獻(xiàn)。

　　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(rèn)支持的追蹤器協(xié)議來(lái)做我的系統(tǒng)，那就更簡(jiǎn)單了。研究了所有WXtrack自帶的控制協(xié)議，選中了其中的兩個(gè)，一個(gè)是EasyComm，一個(gè)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(cè)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(diǎn)兒后的數(shù)據(jù)。通過(guò)Twitter聯(lián)系了作者David.Taylor后，聊了很多，作者說(shuō)最新將推出的測(cè)試版已經(jīng)免費(fèi)加入了這個(gè)功能。比較失望的是這么好的一個(gè)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(guò)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(diǎn)兒后1位，雖然是整數(shù)，但是把小數(shù)點(diǎn)兒往前面移動(dòng)一位既可以得到一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)是AZ（方位角），再單獨(dú)另外發(fā)送一個(gè)EL（仰角），如此循環(huán)。這樣導(dǎo)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(yùn)動(dòng)就會(huì)先轉(zhuǎn)方位角，再轉(zhuǎn)仰角，再轉(zhuǎn)方位角再轉(zhuǎn)仰角…換句話說(shuō)，太難看啦，一點(diǎn)兒流暢性都沒(méi)有！甚至，細(xì)心的人會(huì)想到，如果這樣旋轉(zhuǎn)的話，精度會(huì)大大降低??！根本對(duì)不準(zhǔn)衛(wèi)星！

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

　　3.8.28版本的注冊(cè)機(jī)，可以完全破解，便下載了下來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)兒后兩位。當(dāng)然這種行為的確是劣質(zhì)的，但對(duì)于貧窮的我們中國(guó)人來(lái)說(shuō)，我只能說(shuō)聲對(duì)不起那個(gè)無(wú)私奉獻(xiàn)的David.Taylor了，實(shí)在是抱歉。假如你條件允許，請(qǐng)購(gòu)買正版序列號(hào)，支持作者的奉獻(xiàn)，假如你感覺(jué)這樣做不好，請(qǐng)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(cè)的，并且也能滿足大部分人的需求。

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

　　這個(gè)系統(tǒng)完全免費(fèi)開源，起了個(gè)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(wú)人機(jī)追蹤領(lǐng)域，無(wú)線電雷達(dá)等等，只需定義輸出數(shù)據(jù)格式為方位角和仰角就行。擴(kuò)展方便。任何人都可以免費(fèi)使用。

　　本來(lái)天線早已做成，但一直沒(méi)有公開，存在一點(diǎn)兒私心。完成了此天線，我已經(jīng)有條件接收NOAA、我國(guó)的風(fēng)云氣象衛(wèi)星的HRPT高清云圖了，使用Hackrf通過(guò)GNU Radio來(lái)輸出.RAW16無(wú)線電數(shù)據(jù)文件，再通過(guò)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(guó)內(nèi)業(yè)余無(wú)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(méi)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(dòng)天線吧！在下面放出國(guó)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(lái)解碼出來(lái)的。希望更多的人來(lái)壯大我國(guó)的業(yè)余無(wú)線電群體。

　　更多高清云圖，請(qǐng)自行谷歌，我網(wǎng)盤中也會(huì)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(guò)程需要的硬件：

　　電腦一臺(tái)，用來(lái)運(yùn)行WXtrack衛(wèi)星跟蹤軟件。

　　Arduino，山寨或者正版都可以，正版可以購(gòu)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(kuò)展好。國(guó)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)就是在山寨上運(yùn)行的

　　步進(jìn)電機(jī)2個(gè)，最好用57步進(jìn)電機(jī)，扭距選擇大一些的，2.0Nm以上最好，當(dāng)然還可以通過(guò)減速機(jī)來(lái)增大扭矩。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2個(gè)，分別控制步進(jìn)電機(jī)的。1套驅(qū)動(dòng)器配1個(gè)步進(jìn)電機(jī)，57步進(jìn)套裝在200-300左右，當(dāng)然可以淘二手的。

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

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

搭建過(guò)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(qū)動(dòng)程序arduino-1.6.8-windows.exe下載安裝，把AccelStepper庫(kù)下載解壓縮，解壓縮后的整個(gè)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(fù)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(jiǎn)單，就是用Arduino的PWM接口，來(lái)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(yáng)接法都可以（當(dāng)然你可以自己修改代碼中的接口，對(duì)應(yīng)外圍電路也對(duì)應(yīng)接口）。

　　AZ方位角的CLK+(有的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器上的CLK-，CW-接到一起，再接到arduino的一個(gè)GND接口。EL仰角驅(qū)動(dòng)器的CLK-，CW-接到一起，再接到Arduino的另一個(gè)GND接口。

　　剩余的EN+（有的也叫ENA+）還有EN-我們都不接。

　　3. 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接線，步進(jìn)電機(jī)比如常見的2相四線電機(jī)，分A+,A-,B+,B-接線，在驅(qū)動(dòng)器上都有標(biāo)識(shí)，自行按照自己步進(jìn)電機(jī)的線顏色定義接上即可。驅(qū)動(dòng)器上的電源接開關(guān)電源的輸出即可，開關(guān)電源給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器供電24V電壓。

　　注意正負(fù)極。

　　電路圖如下：

　　使用說(shuō)明：

　?。ㄒ唬┳詣?dòng)追蹤

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

　　電腦運(yùn)行WXtrack軟件，找到頂部菜單，Tracker–Options便打開設(shè)置天線追蹤器界面：

　　然后我們點(diǎn)擊選中EasyComm I COM port。

　　pass start可以設(shè)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(fù)位指令：“S”當(dāng)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(duì)應(yīng)的COM口，比如COM4，速率選中程序中設(shè)置的9600

　　然后是進(jìn)入Tracker-specific options菜單，將EasyComm precision（精確度控制）設(shè)置為2，這樣程序輸出的串口數(shù)據(jù)會(huì)保留小數(shù)點(diǎn)2位，否則是整數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)精確度很低。

　　電腦軟件我們就設(shè)置完成了。調(diào)試好角度后，就可以自動(dòng)追蹤啦！

　　（二）手動(dòng)控制

　　如果手動(dòng)控制，請(qǐng)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(qǐng)自己百度下載）

　　設(shè)置你的Arduino對(duì)應(yīng)的串口編號(hào)（系統(tǒng)管理里面有），然后設(shè)置波特率9600。

　　在發(fā)送角度命令時(shí)，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(diǎn)數(shù)或者整數(shù)，比如發(fā)送：20 40，則天線方位角轉(zhuǎn)到20度，仰角到40度。等同于：20.0 40.0 可以輸入小數(shù)點(diǎn)兒，細(xì)分大的話，程序的識(shí)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(dòng)方位角，仰角便為0。比如：20則天線默認(rèn)將方位角轉(zhuǎn)到20度，仰角為0度。輸入S或者0都可以將天線復(fù)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(chǔ)藏室，測(cè)試起來(lái)不方便了，所以沒(méi)有進(jìn)行測(cè)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(shí)，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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，天線可能會(huì)由于電機(jī)的丟步，造成的精度不準(zhǔn)，這時(shí)候可以輸入命令來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)單明了來(lái)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(gè)數(shù)字，可以是浮點(diǎn)數(shù)也可以是整數(shù)。就是把天線當(dāng)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(shuō)一點(diǎn)兒比較重要的，架設(shè)天線時(shí)，需要將天線仰角水平（這個(gè)用水平儀就可以），還需要將0度對(duì)準(zhǔn)AZ方位角的正北方向，不是磁北。所以如何來(lái)找出正北方向是個(gè)難題，本人想用太陽(yáng)在一天中本地時(shí)間12點(diǎn)時(shí)的方向?yàn)檎蟻?lái)確定。注意不是北京時(shí)間是當(dāng)前經(jīng)度的時(shí)間?？梢杂酶呔鹊腉PS來(lái)獲取精準(zhǔn)的本地時(shí)間，再根據(jù)太陽(yáng)投影方法確定正北方向。有更好、更精準(zhǔn)的方法希望大家共享出來(lái)。

　　三、已知缺點(diǎn)/問(wèn)題

　　1、自動(dòng)追蹤過(guò)程中，不能關(guān)掉軟件切換到手動(dòng)追蹤，否則斷掉自動(dòng)追蹤的時(shí)候，天線默認(rèn)停止那個(gè)位置為0點(diǎn)位置。

　　斷電重新通電也是如此。

　　2、由于此追蹤是靠軟件實(shí)現(xiàn)，不能跟國(guó)家衛(wèi)星天線那樣靠信號(hào)增益來(lái)追蹤，所以精度只能滿足我們業(yè)余無(wú)線電愛好者。在實(shí)際建好后，還需要仔細(xì)調(diào)校，程序、機(jī)械裝置的延遲，我們可以將上位機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間提前幾秒來(lái)補(bǔ)償。具體根據(jù)多次試驗(yàn)來(lái)調(diào)試自己天線的最佳狀態(tài)。還可以適當(dāng)降低加速度參數(shù)，提前系統(tǒng)時(shí)間來(lái)讓天線運(yùn)行起來(lái)更平滑。

　　期待更多人來(lái)完善。

　　完成的細(xì)節(jié)圖片：

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

　　完成后測(cè)試視頻：