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

　　一、說在前面

　　SDR57電機和42電機的出現(xiàn)讓57電機和42電機我們窮人用上57電機和42電機了高大上的東西，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(dāng)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)，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(shè)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(shè)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(dāng)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(dāng)于伺服電機啦，既然57電機和42電機他們能實現(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(shè)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(dāng)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(zhuǎn)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(fù)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(fù)位。丟步只能通過預(yù)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(zhuǎn)就不錯了。連如何將Arduino跟工業(yè)步進驅(qū)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(zhuǎn)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(yīng)用加速度。最后開始設(shè)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(lǐng)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(dǎo)致的后果就是，如果我在Arduino編程控制上不做人為控制，那么天線運動就會先轉(zhuǎn)方位角，再轉(zhuǎn)仰角，再轉(zhuǎn)方位角再轉(zhuǎn)仰角…換句話說，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(zhuǎn)的話，精度會大大降低??！根本對不準衛(wèi)星！

　　然后又轉(zhuǎn)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(dāng)然這種行為的確是劣質(zhì)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(lǐng)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(fēng)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(dāng)然還可以通過減速機來增大扭矩。

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

　　24V開關(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(qū)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(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(dāng)然你可以自己修改代碼中的接口，對應(yīng)外圍電路也對應(yīng)接口）。

　　AZ方位角的CLK+(有的驅(qū)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(qū)動器上的CLK-，CW-接到一起，再接到arduino的一個GND接口。EL仰角驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)動器上的電源接開關(guān)電源的輸出即可，開關(guān)電源給兩個驅(qū)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(shè)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(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對應(yīng)的COM口，比如COM4，速率選中程序中設(shè)置的9600

　　然后是進入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(shè)置完成了。調(diào)試好角度后，就可以自動追蹤啦！

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　　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(shè)置你的Arduino對應(yīng)的串口編號（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，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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)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(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。

　　最后說一點兒比較重要的，架設(shè)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(dāng)前經(jīng)度的時間?？梢杂酶呔鹊腉PS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(guān)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(dāng)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：