衛(wèi)星便攜站天線自動對星系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對衛(wèi)星便攜站窄波束天線找星難度大、對星耗時多、對星精度差的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一個附加在實裝設(shè)備上的自動對星工具，以PIC單片機(jī)為核心，通過采集和處理GPS數(shù)據(jù)、方位俯仰傳感器數(shù)據(jù)和衛(wèi)星信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制高精度步進(jìn)電機(jī)自動調(diào)整便攜站天線方位角和俯仰角，從而實現(xiàn)快速、自動、精確對星。通過使用高精度步進(jìn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工操作，能夠明顯縮短對星時間、提高對星精度，且體積較小、安裝拆卸容易、攜帶方便，顯著提高了通信效能。
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星便攜站；自動對星；衛(wèi)星信號強(qiáng)度；方位俯仰傳感器；步進(jìn)電機(jī)

0 引言
    目前，在衛(wèi)星便攜站對星方面，通常根據(jù)公式計算方位角和俯仰角的理論值，使用機(jī)械磁羅盤顯示便攜站天線的實際方位角和俯仰角，手動調(diào)整便攜站天線實現(xiàn)對星。這種傳統(tǒng)對星方式存在以下三個缺點：
    (1)由于方位角和俯仰角理論值公式是基于真北進(jìn)行計算的，而機(jī)械磁羅盤顯示的是磁北方向，存在一定的磁偏角，磁偏角隨經(jīng)緯度的不同，其值也不同，并且每年都發(fā)生變化，因此根據(jù)公式計算的方位角和俯仰角的理論值與實際精確對星值之間存在一定的偏差；
    (2)讀取機(jī)械磁羅盤的時候，不同的操作人員會產(chǎn)生不同讀取誤差，通常會出現(xiàn)±1°～±3°的讀取誤差；
    (3)采用手動調(diào)整便攜站天線對星的方式，對方位角和俯仰角的調(diào)整幅度不能做到精確控制，這一點對窄波束便攜站天線對星的影響尤為明顯。
    以上原因?qū)е聜鹘y(tǒng)對星方式存在找星難度大、對星耗時多、對星精度差的問題，這一問題在陌生地域表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重影響了衛(wèi)星便攜站的通信效能。
    針對傳統(tǒng)對星方式存在的問題，本文提出了衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個附加在實裝設(shè)備上的自動對星工具，以PIC單片機(jī)為核心，通過采集和處理GPS數(shù)據(jù)、方位俯仰傳感器數(shù)據(jù)和衛(wèi)星信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制高精度步進(jìn)電機(jī)自動調(diào)整便攜站天線方位角和俯仰角，從而實現(xiàn)快速、自動、精確對星。

1 相關(guān)研究
    在衛(wèi)星便攜站對星方面，文獻(xiàn)提出了采用GPS采集便攜站地理位置信息，通過公式計算當(dāng)前便攜站方位角和俯仰角理論值，采用傳感器采集便攜站方位角和俯仰角的實際值，手動調(diào)整便攜站方位角和俯仰角，通過對比理論值和實際值實現(xiàn)輔助對星。
    這些輔助對星方式的優(yōu)點有兩個：采用GPS模塊采集地理位置信息，根據(jù)公式計算便攜站方位角和俯仰角的理論值，提高了效率；采用傳感器模塊代替了機(jī)械磁羅盤，消除了對星過程中的讀取誤差。但是，也存在兩個缺點：因為磁偏角的存在，導(dǎo)致計算出的理論值并不是實際精確對星值；仍然采用手動對星方式，對星精度不高，不能真正達(dá)到完全自動對星。
    針對傳統(tǒng)對星方式和輔助對星方式的不足，本文提出了衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)的設(shè)計方案，設(shè)計實現(xiàn)了衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計
    衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)是一個附加在實裝設(shè)備上的自動對星工具，以PIC單片機(jī)為核心，通過采集和處理GPS數(shù)據(jù)、方位俯仰傳感器數(shù)據(jù)和衛(wèi)星信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制高精度步進(jìn)電機(jī)自動調(diào)整便攜站天線方位角和俯仰角，從而實現(xiàn)快速、自動、精確對星。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件由單片機(jī)硬件和機(jī)械部件兩部分組成。
3．1 單片機(jī)硬件設(shè)計
    在單片機(jī)硬件設(shè)計上，選擇Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F97J60單片機(jī)作為主控制器構(gòu)成硬件平臺，利用其豐富的外部接口高速處理能力，達(dá)到實時采集數(shù)據(jù)、及時處理數(shù)據(jù)、快速傳輸數(shù)據(jù)的目的；GPS、方位俯仰傳感器、衛(wèi)星信號強(qiáng)度采集等模塊均采用RS 232接口，保證了測量數(shù)據(jù)精度和接口一致性；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)單片機(jī)傳來的PWM信號分別控制方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動大小、轉(zhuǎn)動方向、脫機(jī)和鎖定，步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械部分運(yùn)動，調(diào)整便攜站天線的方位角和俯仰角，本設(shè)計采用ZD-6560-V4型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，具有三個調(diào)整細(xì)分?jǐn)?shù)撥動開關(guān)，電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)越多，步進(jìn)電機(jī)精度越高。單片機(jī)硬件部分連接框圖如圖2所示。

3．2 機(jī)械部件設(shè)計
    在機(jī)械部件設(shè)計上，采用齒輪、絲杠等機(jī)械部件將步進(jìn)電機(jī)與便攜站天線連接起來，從而實現(xiàn)了用步進(jìn)電機(jī)控制便攜站天線方位角和俯仰角調(diào)整的目的。機(jī)械部件設(shè)計模型如圖3所示。

4 軟件設(shè)計
    衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)采集輸入信號、對輸入信號進(jìn)行分析處理、輸出信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)衛(wèi)星便攜站天線自動、快速、精確對星。
4．1 總體程序設(shè)計
    衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)軟件對GPS信息采集模塊、方位俯仰傳感模塊、衛(wèi)星信號強(qiáng)度采集模塊傳來的信息進(jìn)行實時處理，并控制高精度步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，以帶動便攜站天線運(yùn)動，實現(xiàn)自動對星。具體流程如下：首先根據(jù)GPS信息采集模塊采集到的地理位置信息，根據(jù)公式計算便攜站天線方位角和俯仰角的理論值，并用磁偏角對方位角進(jìn)行修正；然后將經(jīng)過修正理論值與方位俯仰傳感模塊采集的便攜站天線當(dāng)前的方位角和俯仰角進(jìn)行比較，控制高精度步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)粗略對星過程；當(dāng)粗略對星過程完成后，再在一個較小的區(qū)域內(nèi)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行掃描，并實時監(jiān)測衛(wèi)星信號強(qiáng)度采集模塊采集到的衛(wèi)星信號強(qiáng)度，當(dāng)衛(wèi)星信號強(qiáng)度達(dá)到最大的時候，實現(xiàn)精確對星。軟件總體流程框圖如圖4所示。

4．2 粗略對星程序設(shè)計
    對星需要兩個重要參數(shù)：方位和俯仰。對星參數(shù)理論值的計算需要根據(jù)便攜站天線當(dāng)前地理位置信息(經(jīng)度、緯度)進(jìn)行計算，計算公式如下：
    設(shè)方位角為γ(方位角正南為0°)，正角度為南偏西的度數(shù)，負(fù)角度為南偏東的度數(shù)；俯仰角為δ；ψ為衛(wèi)星的經(jīng)度；α為衛(wèi)星便攜站當(dāng)前的經(jīng)度；θ為衛(wèi)星便攜站當(dāng)前的緯度。
   
    由于根據(jù)公式計算得到的方位角理論值是以真北為標(biāo)準(zhǔn)的，而方位角傳感器的采集值是以磁北為標(biāo)準(zhǔn)的，因此采集值和理論值之間存在一個差值，即磁偏角。計算出的對星參數(shù)理論值需要根據(jù)磁偏角進(jìn)行修正。根據(jù)IGRF2005地磁場模型，利用NOAA的NG-DC提供的磁偏角計算程序，用磁偏角對方位角進(jìn)行修正。
    便攜站天線當(dāng)前的方位角和俯仰角可以通過傳感器直接采集到，然后將采集到的數(shù)據(jù)與修正過的理論值進(jìn)行比較，決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和大小，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)按程序轉(zhuǎn)動完成后，再次采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟，直到采集值等于修正后的理論值為止。步進(jìn)電機(jī)控制流程如圖5所示。

4．3 精確對星程序設(shè)計
    衛(wèi)星信號強(qiáng)度采集需要單片機(jī)與衛(wèi)星信號強(qiáng)度采集模塊之間首先交互握手信息，然后發(fā)送信號強(qiáng)度指令采集衛(wèi)星信號強(qiáng)度，并保存采集到的衛(wèi)星信號強(qiáng)度信息與前一次衛(wèi)星信號強(qiáng)度進(jìn)行比較，先控制方位步進(jìn)電機(jī)調(diào)整方位角，再控制俯仰步進(jìn)電機(jī)調(diào)整俯仰角，實現(xiàn)精確對星。精確對星流程如圖6所示。

5 結(jié)論
    經(jīng)過使用證明：平均對星時間由原來不確定減少到2 min以內(nèi)，對星時間明顯縮短；對星精度較傳統(tǒng)手工對星方式提高2～10 dB，對星精度明顯提高。
    衛(wèi)星便攜站自動對星系統(tǒng)是在實裝設(shè)備上添加的一個自動對星工具，系統(tǒng)不改變實裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)，只要在實裝設(shè)備上添加該系統(tǒng)，就能夠做到實裝設(shè)備的快速、自動、準(zhǔn)確對星。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，只要更換機(jī)械部件，就可以應(yīng)用于不同類型的衛(wèi)星便攜站，應(yīng)用范圍較大，實用性較強(qiáng)。