基于单片机的便携式卫星天线的快速对星系统.docx

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基于单片机的便携式卫星天线的快速对星系统

摘要

随着社会的进步和信息化技术的提高,人们对便携式卫星通信设备的需求也不断提高,如家用卫星电视,野外背负通信设备等｡因此,能够快速､准确地实现与卫星的对准的便携式卫星设备理所应当的成为了当前卫星通信研究领域里的重点｡

本文以便携式卫星设备的快速对星系统为背景,探讨了便携式卫星设备的快速对星系统的总体设计方案,提出了利用GPS和HMR3000的COMPASS信号,通过单片机来比较､分析,实现快速对准卫星的实施方案｡本文讨论并进行了对星系统控制器的硬件设计和对星系统的软件设计等｡

关键词:

单片机GPSHMR3000

ABSTRACT

Withthesocialprogressandtheimprovementofinformationtechnology,therequirementforportablesatelliteequipmentsismoreandmore,suchasHomeSatelliteTV,wildcarryingcommunicationequipmentsandsoon.Therefore,beabletoquicklyandaccuratelyalignmentwiththesatelliteportablesatelliteequipmentdeservedtobecomeanimportantresearchdirectionofsatellitecommunication.

Inthispaper,aftertakingtherapidportablesatelliteequipmentonthesatellitesystemasthebackgroundofrapidportablesatelliteequipmentsatellitesystemandresearchingintotheoveralldesignoftheprogram,implementationplanthattheuseofGPSandHMR3000theCOMPASSsignal,throughthesingle-chiptocompare,analyze,fastontheimplementationofquasi-satelliteprogram,isputforward.Inthispaper,andthestarssystemcontrollerhardwaredesignandsoftwareforsatellitesystemdesign.

Keywords:

single-chipGPSHMR3000

目录

第一章绪论-1-

1.1课题研究背景与意义-1-

1.2国内外现状-1-

1.3本文的总体设计方案-1-

第二章卫星天线对星基础理论-3-

2.1卫星天线的主要性能指标-3-

2.1.1天线的作用及分类-3-

2.1.2卫星接收天线的位置角和极化角-3-

2.1.3主要性能指标-5-

2.1.4人工调整卫星天线对星的基本过程-7-

2.2全球定位系统的基本理论-7-

2.2.1全球定位系统的概述-7-

2.2.2GPS基本定位原理-9-

第三章卫星天线的快速对星系统的硬件设计-11-

3.1系统总体设计方案-11-

3.2系统硬件设计概述-11-

3.2.1AT89C51单片机-11-

3.2.2GPS接收机-13-

3.2.3数字电子罗盘HMR3000-15-

3.2.4液晶显示器-15-

第四章卫星天线的快速对星系统的软件设计-17-

4.1系统软件设计-17-

4.1.1系统的流程图-17-

4.1.2GPS定位信息接收-19-

4.2.2COMPASS数据的采集与接收-19-

结论-22-

参考文献-23-

致谢-24-

第一章绪论

1.1课题研究背景与意义

卫星通信具有通信距离远、覆盖范围大、通信方式灵活、质量高、容量大、组网迅速､基本不受地理和自然环境限制等一系列优点｡20世纪90年代以来,“全球个人移动通信”和“信息高速公路”通信需求迅速增长，极大地促进了全球卫星通信事业的发展，与此同时卫星通信技术也为经济信息化和全球化做出了重要贡献,在现代信息传输中起着越来越重要的作用｡伴随着经济社会的到来,人类的生产方式､生活方式､工作方式和学习方式也随着现代技术的不断发展而发生变化｡因此,能够快速､准确地实现与卫星的对准的便携式卫星设备理所应当的成为了当前卫星通信研究领域里的重点｡

便携式卫星设备主要完成与固定卫星之间的通信,例如家用卫星电视､野外背负通信设备等,该设备的对星系统比较简单,但在此对星系统的基础上加以伺服系统和伺服马达等其他模块即可构成卫星天线自动对星系统,用于各种运动中的载体可以很好的隔离载体运动（高速､低速､紧急启动､停止､转弯等）对天线平台的姿态影响,又能够在各种气象环境条件下保证天线始终高精度的对准目标卫星,实现连续运动中的卫星通信[1]｡

随着人类社会的发展和人民生活水平的提高,人们对便携式卫星通信设备的需求也不断提高,如在个人家里收看卫星电视,在户外大卫星电话,利用卫星上网等等,此外,便携式卫星设备在广电､交通､渔业､地矿､测绘､旅游､石油､军事､公安､消防､医疗等领域里也有重要的应用｡

1.2国内外现状

卫星天线的对星系统是一个相对复杂的､多学科的技术密集综合体,它包含了单片机嵌入式技术､数据采集及信号处理技术和仿真技术､卫星通信技术等｡这类卫星对星系统与自动控制技术相结合可以适用于各种卫星移动通信系统,如卫星电视接收､车载移动卫星通讯､公安消防､抢险救灾､野外作业等多种民用场合,还适用于各种现代化的各种作战武器系统如坦克､装甲车等的通信｡

对于卫星天线的对星系统的研究,国外在理论上和工程上都取得了重要的科研成果｡这些先进的技术成果主要应用于西方发达国家的先进武器系统中,如坦克的炮塔稳定跟踪平台､海上导弹发射平台､移动红外探测跟踪平台等｡

1.3本文的总体设计方案

本文所述的单片机对星系统是一种实现卫星天线方便准确快速对星的初步系统,也是实现自动对星的关键部分｡对星系统通过单片机模块利用GPS模块的数据计算出卫星天线对星所需的方位角､仰角,通过单片机将其与数字电子罗盘的方位角､仰角数据进行比较输出,采用手动粗调､微调进行快速对星,目前暂时没有考虑直流异步电机､直流变压器､负反馈电路等功能部件｡单片机､GPS模块､液晶显示模块可以集成到一个120mm×50mm的电路板上,电子罗盘安装在微波馈源的支撑杆上,电子罗盘的方位角､仰角的误差以及所需通信卫星的经度都可以在程序中予以事先给定｡该系统采用5v电源组供电,功能部件主要由8bit单片机AT89C51､GPS接收机模块､液晶显示模块､数字电子罗盘HMR3000､稳压器等部分模块组成｡

第二章卫星天线对星基础理论

2.1卫星天线的主要性能指标

2.1.1天线的作用及分类

卫星天线的作用是收集由卫星传来的微弱信号,并尽可能去除杂讯｡大多数天线通常是抛物面状的,也有一些多焦点天线是由球面和抛物面组合而成｡卫星信号通过抛物面天线的反射后集中到它的焦点处｡卫星接收天线处于接收系统的最前端,其作用是将来自卫星转发器的微弱超高频电磁波加以聚集,并转换成导波中的电磁波或传输电缆中的高频电流,通过波导或高频电缆送给卫星接收高频头｡卫星接收天线的技术指标的高低对整个系统的接收效果产生决定性的影响｡

无线电通信用的天线种类繁多,分类出各不相同｡通常按照天线的几何形状把天线分为线天线与面天线两大类｡线天线是由导线组成,导线的长度比导线的截面积大得多｡为了使天线呈现出更好的特性,往往所截取的导线的长度与无线电信号的波长呈一定的关系（如半波长等）｡其工作原理是利用空中电磁波能在与其电场方向相切的导线上感应出最大高频电流这一机理来构成的｡线天线一般用在长波､中波和短波等工作频率比较低的波段上｡面天线则是由整块金属板（或金属网）组成的,面天线的面积比天线电信号的波长的平方大得多,其工作原理则是利用高频无线电波的似光传播特性来构成的｡通过增大面天线的面积,来提高所截获电磁波的能量,从而可达到获得足够强的接收信号的目的｡面天线一般用在超短波､微波和毫米波等频率较高的波段｡卫星电视的特点是工作频率高（处于微波频段）､地面接收信号十分微弱､要求接收天线有很高的增益,因此,使用普通的线天线将无法接收到足够强度的信号,必须采用面天线｡

面天线一般由反射面､馈源和支架等部分组成｡反射面可采用金属板､金属网或玻璃钢等材料经过机械成型而成;馈源一般采用各种形式的渐变波导段来构成｡若按照反射面与馈源所处相对位置的不同,可分为前馈天线､后馈天线和偏馈天线三种;若按照天线工作原理的不同,又可分为普通抛物面天线､卡塞格伦天线和平面天线等多种｡

2.1.2卫星接收天线的位置角和极化角

图2-1是接收点与同步卫星几何关系示意图,当卫星参数和服务区域确定之后,要使系统能正常工作,需要建立优质的地面站（固定站或移动站）｡地面站建立后,要使天线波束的最大值指向卫星,并实现极化匹配才能进行正常工作,所以各地面站要根据自己的地理位置确定天线的指向[2]｡

由于同步卫星在地球赤道上空,纬度为0°,因此,接收点P与卫星之间的距离为:

（2-1）

图2-1接收点与同步卫星几何关系示意图

（1）仰角和方位角

地面站指向位置包括方位角和俯仰角,合称为位置角｡仰角为自接收点P看赤道上空的卫星的直线与接收点所在水平面的夹角,天线俯仰角θ则与地球半径R､卫星高度H及P与S对地心的张角β有关,当R=R0=6378KM,H=35786KM时,其关系为可简化为:

（2-2）

从接收点看位于赤道上空的卫星的方位角度是地面天线的方位角,方位角φ也是地理位置的经度λ和纬度φ的函数,它们的关系为

即:

（2-3）

（2）极化方式与极化角

根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向,天线极化方式可分为线极化､圆极化和椭圆极化｡线极化又分为水平极化､垂直极化｡发射天线和接收天线应具有相同的极化方式,但两者往往不在同一经度,因此存在极化角｡它是接收点纬度和接收点与卫星相对经度的函数,与卫星天线波束中心的具体位置有关｡由于极化角对接收效果的影响较位置角的影响小,实际中利用手动调整,本系统不涉及对极化角的调整｡

2.1.3主要性能指标

（1）方向图

在卫星通信系统中,普遍采用方向性天线,因此,卫星天线相对于卫星的指向决定着卫星通讯的优劣及能否保证正常通讯｡不同天线对准卫星的指向要求也不同｡天线类型很多,对抛物面天线,如图2-2所示:

d为抛物面的顶点,F为焦点,2φo为抛物面

图2-2抛物线几何关系

的口径张角,D为抛物面口径,抛物面天线是由初级辐射器（或称馈源）和抛物面反射器组成,通常把馈源的相位中心置于抛物面的焦点上,馈源与波导馈线相连接,它的作用是利用几何光学原理将与抛物面轴线平行的电波射线经一次（前馈式）或多次反射（后馈式）后中到焦点上,而偏轴入射的电磁波,不能集中到焦点上,所以卫星天线有极强的方向性和很的增益｡天线方向图就是反映天线方向性的空间图形,不同的天线有不同的方向图,如图2-3为极坐标系内的C波段天线方向图HP为半功率角｡实际上方向图是三维（立体）的,但测试时只能分为水平面和垂直面,故有水平方向图和垂直方向图｡它反映了天线集中辐射电能量的情况,方向图越尖锐,表示能量辐射越集中｡

如图2-3为极坐标系内的C波段天线方向图

通常方向图有许多叶瓣,最大辐射方向的叶瓣称为主瓣,其它叶瓣称为旁瓣或副瓣,最靠近主瓣的旁瓣称为第一旁瓣｡方向图的主瓣宽度是功率下降到最大辐射方向功率值的一半（或场强下降为最大值的0.707倍）的两点之间的夹角宽度,用φ0.5表示｡旁瓣会对其它通讯产生干扰,尤其是近几年卫星转发器的功率提高,高频头的噪声温度降低,灵敏度大幅度提高的情况下,第一副瓣电平的信号也往往很强,有时会超过接收门限,当天线接收到第一副瓣电平时往往误以为是主瓣电平而造成天线对星不准,因此必须将其抑制到尽可能低的水平,通常要求第一副瓣比主瓣增益低15~20dB｡

天线波束宽度（即主瓣宽度）必须小于同步轨道上两相邻卫星的间隔（以经度差表示）二倍｡例如,目前C波段卫星的最小间隔为2度,因此,C波段卫星电视接收站的天线波束宽度应小于4度,否则,在接收某一颗卫星信号时,会受到相邻卫星信号的严重干扰｡另一方面,波束宽度也不能太小,它必须大于卫星的轨道控制精度,否则就要采用复杂的自动跟踪卫星装置｡另外,天线波束宽度稍大一些对减少天线的指向误差也有利｡在一般情况下,直径为D的抛物面天线的波束宽度φ0.5可用下式估算:

（2-4）

即式中λ为工作波长,由上式可知天线口径越大主瓣宽度越窄,信号频率越高主瓣宽度也越窄,因此对大口径天线或接收信号频率较高（如C波段和KU波段）时,天线因风力或自身变形等因素的影响,很容易偏离接收指向,使天线接收增益大幅度下降,造成通讯信号中断｡

（2）天线增益

增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数,但两者又不尽相同｡增益是在同一输入功率条件下,天线在最强方向上某一点所产生的电场强度的平方E2与无耗理

想点源天线在该电所产生的电场强度的平方之比,常以db为单位,有:

（2-5）

天线控制就是使天线准确对星,提高增益｡

（3）阻抗与驻波比

接收天线的阻抗是指从天线输出端口看向天线的阻抗,是天线的输入电压与电流之比｡微波波段,很少用天线阻抗概念,而用天线系数或驻波比来表示天线与馈线的阻抗匹配状况,一般要求驻波比应在1.4以内｡

（4）天线的等效噪声温度,反映了负载的噪声功率的大小｡它分为综合自然噪声和地面人工噪声｡

2.1.4人工调整卫星天线对星的基本过程

接收天线的调整也就是调整接收天线的方位角和俯仰角使天线波束对准所要接收的卫（即主瓣指向卫星）的过程,若采用传统的人工调整,则具体步骤如下:

（1）首先根据接收点的经纬度计算出天线的方位角和俯仰角;

（2）用指南针或星座方向确定正南方向;

（3）调整天线到计算的俯仰角和方位角,连接好接收系统;

（4）让接收机自动扫描该星下所有节目（或手动输入下行频率和符号率）,便可接受到卫星信号;

（5）显示该卫星信号质量,再反复调整位置角､极化角､馈源焦点至信号质量值最大,则天线指向为最佳位置｡

调整时应注意三个事项:

一是当天线俯仰角度过小时防止地面微波信号干扰,二是对于大口径天线,防止第一副瓣电平影响,误把天线第一副瓣对准卫星当作天线主瓣对准卫星,三是注意地球磁偏角对方位角测量的影响[3]｡

2.2全球定位系统的基本理论

2.2.1全球定位系统的概述

这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统｡这个系统可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度,以便实现导航､定位､授时等功能｡这项技术可以用来引导飞机､船舶､车辆以及个人,安全､准确地沿着选定的路线,准时到达目的地｡

全球定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统｡其主要目的是为陆､海､空三大领域提供实时､全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集､核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成｡经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成｡

●GPS的组成

GPS全球卫星定位系统由三部分组成:

空间部分———GPS星座;

地面控制部分———地面监控系统;

用户设备部分———GPS信号接收机｡

1.空间部分

GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）,轨道倾角为55°｡此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行｡卫星的分布使得在全球任何地方､任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象｡这就提供了在时间上连续的全球导航能力｡GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码（Coarse/AcquisitionCode11023MHz）;一组称为P码（ProciseCode10123MHz）,P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务｡C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用｡

2.地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成｡监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机｡监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站｡主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站｡地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星｡这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入｡如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低｡

3.用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机｡其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行｡当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据｡根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度､高度､速度､时间等信息｡

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备｡GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分｡接收机一般采用机内和机外两种直流电源｡设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测｡在用机外电源时机内电池自动充电｡关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失｡目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用｡

●GPS的主要特点

①全天候;②全球覆盖;③三维定速定时高精度;④快速省时高效率:

⑤应用广泛多功能｡

●GPS的主要用途

①陆地应用

主要包括车辆导航､应急反应､大气物理观测､地球物理资源勘探､工程测量､变形监测､地壳运动监测､市政规划控制等;

②海洋应用GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置｡简言之,GPS定位原理是一种空间的距离交会原理｡

包括远洋船最佳航程航线测定､船只实时调度与导航､海洋救援､海洋探宝､水文地质测量以及海洋平台定位､海平面升降监测等;

③航空航天应用

包括飞机导航､航空遥感姿态控制､低轨卫星定轨､导弹制导､航空救援和载人航天器防护探测等[5]｡

2.2.2GPS基本定位原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置｡

要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出｡而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距（PR）:

当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文｡

GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码｡C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m｡而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳｡导航电文包括卫星星历､工作状况､时钟改正､电离层时延修正､大气折射修正等信息｡它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的｡导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s｡前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次｡后两帧共15000b｡导航电文中的内容主要有遥测码､转换码､第1､2､3数据块,其中最重要的则为星历数据｡当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知｡

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文｡然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x､y､z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来｡所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号[6]｡

利用GPS进行定位的方法有很多种｡若按照参考点的位置不同,则定位方法可分为

（1）绝对定位｡即在协议地球坐标系中,利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置,也叫单点定位｡这里可认为参考点与协议地球质心相重合｡GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系｡因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标｡

（2）相对定位｡即在协议地球坐标系中,利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点（已知点）之间的相对位置｡也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量｡

按用户接收机在作业中的运动状态不同,则定位方法可分为

（1）静态定位｡即在定位过程中,将接收机安置在测站点上并固定不动｡严格说来,这种静止状态只是相对的,通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化｡

（2）动态定位｡即在定位过程中,接收机处于运动状态｡

GPS绝对定位和相对定位中,又都包含静态和动态两种方式｡即动态绝对定位､静态绝对定位､动态相对定位和静态相对定位｡

若依照测距的原理不同,又可分为测码伪距法定位､测相伪距法定位､差分定位等[7]｡

第三章卫星天线的快速对星系统的硬件设计

3.1系统总体设计方案

卫星天线的单片机快速对星系统主要由四大部分组成:

GPS接收模块部分､AT89C51单片机数据处理部分､HMR3000数字电子罗盘部分､LCD液晶显示模块部分｡对星系统示意图如下图3-1,当电源开关打开后,GPS接收模块首先接收到卫星天线所在位置的经度､纬度､时间等信息,AT89C51单片机数据处理部分立即将该数据进行计算处理得到当前卫星天线对星所需的方位角､俯仰角等天线理论姿态参数,结合HMR3000数字电子罗盘模块根据天线的当前姿态状况给出的卫星天线方位角､俯仰角､翻滚角等参数进行比较取得其两者差值,并在LCD液晶显示模块上显示出来,此时卫星天线操作人员可根据以液晶显示模块上的方位角､俯仰角､翻滚角的数据信息进行反复粗调､微调,直到液晶显示模块上指示的角度差值（解算出的卫星天线理论角度值与实际卫星天线角度值的差值）小于0.2°,卫星天线即可准确接收到卫星信号[8]｡

图3-1卫星天线的单片机快速对星系统

3.2系统硬件设计概述

3.2.1AT89C51单片机

系统电路的主芯片采用美国ATMEL公司的AT89C51Flash单片机｡它与MCS-51系统产品兼容,具有4KB可编程Flash存储器,5V的电源