衛(wèi)星便攜站天線自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)衛(wèi)星便攜站窄波束天線找星難度大、對(duì)星耗時(shí)多、對(duì)星精度差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)附加在實(shí)裝設(shè)備上的自動(dòng)對(duì)星工具，以PIC單片機(jī)為核心，通過(guò)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(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制高精度步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)整便攜站天線方位角和俯仰角，從而實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)、精確對(duì)星。通過(guò)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(duì)星時(shí)間、提高對(duì)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(dòng)對(duì)星；衛(wèi)星信號(hào)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(duì)星方面，通常根據(jù)公式計(jì)算方位角和俯仰角的理論值，使用機(jī)械磁羅盤(pán)顯示便攜站天線的實(shí)際方位角和俯仰角，手動(dòng)調(diào)整便攜站天線實(shí)現(xiàn)對(duì)星。這種傳統(tǒng)對(duì)星方式存在以下三個(gè)缺點(diǎn)：
    (1)由于方位角和俯仰角理論值公式是基于真北進(jìn)行計(jì)算的，而機(jī)械磁羅盤(pán)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(jì)算的方位角和俯仰角的理論值與實(shí)際精確對(duì)星值之間存在一定的偏差；
    (2)讀取機(jī)械磁羅盤(pán)的時(shí)候，不同的操作人員會(huì)產(chǎn)生不同讀取誤差，通常會(huì)出現(xiàn)±1°～±3°的讀取誤差；
    (3)采用手動(dòng)調(diào)整便攜站天線對(duì)星的方式，對(duì)方位角和俯仰角的調(diào)整幅度不能做到精確控制，這一點(diǎn)對(duì)窄波束便攜站天線對(duì)星的影響尤為明顯。
    以上原因?qū)е聜鹘y(tǒng)對(duì)星方式存在找星難度大、對(duì)星耗時(shí)多、對(duì)星精度差的問(wèn)題，這一問(wèn)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(duì)傳統(tǒng)對(duì)星方式存在的問(wèn)題，本文提出了衛(wèi)星便攜站自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)附加在實(shí)裝設(shè)備上的自動(dòng)對(duì)星工具，以PIC單片機(jī)為核心，通過(guò)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(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制高精度步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)整便攜站天線方位角和俯仰角，從而實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)、精確對(duì)星。

1 相關(guān)研究
    在衛(wèi)星便攜站對(duì)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(guò)公式計(jì)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(shí)際值，手動(dòng)調(diào)整便攜站方位角和俯仰角，通過(guò)對(duì)比理論值和實(shí)際值實(shí)現(xiàn)輔助對(duì)星。
    這些輔助對(duì)星方式的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：采用GPS模塊采集地理位置信息，根據(jù)公式計(jì)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(pán)，消除了對(duì)星過(guò)程中的讀取誤差。但是，也存在兩個(gè)缺點(diǎn)：因?yàn)榇牌堑拇嬖?，?dǎo)致計(jì)算出的理論值并不是實(shí)際精確對(duì)星值；仍然采用手動(dòng)對(duì)星方式，對(duì)星精度不高，不能真正達(dá)到完全自動(dòng)對(duì)星。
    針對(duì)傳統(tǒng)對(duì)星方式和輔助對(duì)星方式的不足，本文提出了衛(wèi)星便攜站自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星便攜站自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)
    衛(wèi)星便攜站自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)是一個(gè)附加在實(shí)裝設(shè)備上的自動(dòng)對(duì)星工具，以PIC單片機(jī)為核心，通過(guò)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(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制高精度步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)整便攜站天線方位角和俯仰角，從而實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)、精確對(duì)星。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)
    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(jì)
    在單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)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(tái)，利用其豐富的外部接口高速處理能力，達(dá)到實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、及時(shí)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(hào)強(qiáng)度采集等模塊均采用RS 232接口，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)精度和接口一致性；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)單片機(jī)傳來(lái)的PWM信號(hào)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(dòng)大小、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、脫機(jī)和鎖定，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)，調(diào)整便攜站天線的方位角和俯仰角，本設(shè)計(jì)采用ZD-6560-V4型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有三個(gè)調(diào)整細(xì)分?jǐn)?shù)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)
    在機(jī)械部件設(shè)計(jì)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(lái)，從而實(shí)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(jì)模型如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
    衛(wèi)星便攜站自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)采集輸入信號(hào)、對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理、輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星便攜站天線自動(dòng)、快速、精確對(duì)星。
4．1 總體程序設(shè)計(jì)
    衛(wèi)星便攜站自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)軟件對(duì)GPS信息采集模塊、方位俯仰傳感模塊、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度采集模塊傳來(lái)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并控制高精度步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以帶動(dòng)便攜站天線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)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(jì)算便攜站天線方位角和俯仰角的理論值，并用磁偏角對(duì)方位角進(jìn)行修正；然后將經(jīng)過(guò)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(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)粗略對(duì)星過(guò)程；當(dāng)粗略對(duì)星過(guò)程完成后，再在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行掃描，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度采集模塊采集到的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)星。軟件總體流程框圖如圖4所示。

4．2 粗略對(duì)星程序設(shè)計(jì)
    對(duì)星需要兩個(gè)重要參數(shù)：方位和俯仰。對(duì)星參數(shù)理論值的計(jì)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(jì)算，計(jì)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(jì)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(gè)差值，即磁偏角。計(jì)算出的對(duì)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(chǎng)模型，利用NOAA的NG-DC提供的磁偏角計(jì)算程序，用磁偏角對(duì)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(guò)傳感器直接采集到，然后將采集到的數(shù)據(jù)與修正過(guò)的理論值進(jìn)行比較，決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和大小，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)按程序轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)星程序設(shè)計(jì)
    衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度采集需要單片機(jī)與衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度采集模塊之間首先交互握手信息，然后發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度指令采集衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，并保存采集到的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度信息與前一次衛(wèi)星信號(hào)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(shí)現(xiàn)精確對(duì)星。精確對(duì)星流程如圖6所示。

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