船載衛(wèi)星通信地球站伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

黃劍波，朱宗玖

0 引言

由于近年來自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，人們意識(shí)到良好通信能力的重要性。衛(wèi)星通信以其遠(yuǎn)距離通信、良好的機(jī)動(dòng)性、受地形限制少等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們的青睞和重視［1］。當(dāng)衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用于航海時(shí)，伴隨著艦船的移動(dòng)，船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)收發(fā)信號(hào)不穩(wěn)定的情況。船載衛(wèi)星通信地球站伺服系統(tǒng)是以C8051F020為主控模塊，依據(jù)其良好的擴(kuò)展能力，結(jié)合穩(wěn)定模塊、跟蹤模塊、監(jiān)控臺(tái)等外設(shè)設(shè)計(jì)而成。主控制板通過SPI串行總線接口和2個(gè)增強(qiáng)型UART異步串行接口同時(shí)與外界進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。用戶可以通過手持設(shè)備PDA等設(shè)備對(duì)跟蹤狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。伺服系統(tǒng)可以很好的克服載體運(yùn)動(dòng)帶來的干擾，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中數(shù)據(jù)、話音、圖像穩(wěn)定地傳輸。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介

衛(wèi)星通信簡(jiǎn)單地說就是地球上的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信使用頻率為0．3～300 GHz的微波頻段。這種多個(gè)地球站之間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行通信的系統(tǒng)稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)［2］。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由通信衛(wèi)星、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)四部分［3］，如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成Fig．1 Composition of satellite communication system

2 船載衛(wèi)星通信地球站伺服系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)按功能劃分為處理器模塊、監(jiān)控模塊、穩(wěn)定模塊、跟蹤模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)五個(gè)部分［4］。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框Fig．2 System composition block diagram

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后接收含有經(jīng)、緯度信息的GPS電文，以此對(duì)天線進(jìn)行定位。設(shè)天線所在位置的經(jīng)、緯度分別為φ1和θ1，接收衛(wèi)星星下點(diǎn)s的經(jīng)度為φ2，而φ=(φ1－φ2)為星下點(diǎn)s與地球站之間的經(jīng)度差，通過公式可以得到跟蹤衛(wèi)星的天線方位角 φa，俯仰角 φe和極化角 φp［5］。

天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星后，角速度陀螺可以感知到天線姿態(tài)的微弱變化，并輸出與旋轉(zhuǎn)速度成比例的電壓，處理器模塊對(duì)輸出電壓定時(shí)處理后得到方位和俯仰角誤差信息，并根據(jù)誤差角度驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)［6］。在對(duì)天線誤差角度的補(bǔ)償過程中，由于零點(diǎn)漂移和陀螺精度的限制，可能仍然會(huì)存在少量誤差。在系統(tǒng)中配合以圓錐掃描跟蹤，可以進(jìn)一步消除角度誤差，使天線精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

2． 1 跟蹤方式

船載天線控制系統(tǒng)通過對(duì)天線各種數(shù)據(jù)的采集得出天線的傾角進(jìn)而調(diào)整天線的方位。跟蹤系統(tǒng)依據(jù)天線跟蹤目標(biāo)方式的不同可以分為手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤三種，其中應(yīng)用最為廣泛的是自動(dòng)跟蹤，而自動(dòng)跟蹤方式又可進(jìn)一步分為步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤這三種基本方式。文中主要討論的是圓錐掃描跟蹤方式。

2． 2 圓錐掃描跟蹤方式

圓錐掃描跟蹤的原理是天線波束偏離天線對(duì)稱軸一定的角度，并繞對(duì)稱軸快速旋轉(zhuǎn)，在波束最大增益方向呈圓錐形旋轉(zhuǎn)。如果衛(wèi)星偏離天線對(duì)稱軸，目標(biāo)回波信號(hào)將由等幅信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)幅度調(diào)制信號(hào)。對(duì)信號(hào)解調(diào)和鑒相可得到天線波束的角誤差，用以控制天線向減小目標(biāo)偏角的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跟蹤。這種工作方式雖然設(shè)備較簡(jiǎn)單，但是饋源偏離拋物面的焦點(diǎn)做持續(xù)的圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成天線增益和可靠性的下降。

載體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤，可以采用提高圓錐掃描的角速度的方法，但是結(jié)構(gòu)上的難以實(shí)現(xiàn)和跟蹤接收機(jī)的滯后性將制約系統(tǒng)在這一情況下的跟蹤能力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，適合本系統(tǒng)的圓錐掃描速率在 7．5 ～9．5 Hz。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3． 1 地球站伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

地球站伺服系統(tǒng)的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。在伺服系統(tǒng)中，傾斜儀能夠輸出天線面的俯仰角度和橫滾角度，羅盤可以輸出天線面的方位角度，系統(tǒng)根據(jù)角度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)俯仰電機(jī)、極化電機(jī)和方位電機(jī)到達(dá)目標(biāo)的相應(yīng)角度。

圖3 地球站伺服系統(tǒng)硬件框Fig．3 Earth station servo system hardware block diagram

穩(wěn)定模塊中的傾斜儀和羅盤等部分會(huì)存在一定的誤差，因此系統(tǒng)需要在正確的對(duì)星角度周圍做掃描運(yùn)動(dòng)，借助接收機(jī)來使天線面最終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

3． 2 相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的GPS模塊使用的是SiRFstar III，這一芯片通過采用20萬次/頻率的相關(guān)器提高了靈敏度，可以同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道。它的輸出數(shù)據(jù)波特率為4 800，并且支持協(xié)議訊息NMEA－0183。

傾斜儀模塊使用SANG1000－D065雙軸傾角傳感器，它可以輸出傾斜角度和橫滾角度。每秒20次的數(shù)據(jù)輸出頻率和正負(fù)60度的測(cè)量范圍可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傾斜角度和橫滾角度的需求。

羅盤模塊采用PNI電子羅盤系列中的三軸羅盤TCM5，它采用磁感應(yīng)技術(shù)，在任何環(huán)境下都能保證精度，分辨率高達(dá)0．1°。而且在正負(fù)90度的俯仰和正負(fù)180度的橫滾范圍內(nèi)都可以使用。

接收機(jī)將天線接收到的微波信號(hào)進(jìn)行放大，并將其幅度轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，直流信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)應(yīng)于微波信號(hào)的大小。接收機(jī)的跟蹤信號(hào)分為信標(biāo)信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)兩種。前者直接來自于衛(wèi)星本身，在沒有其他導(dǎo)頻信號(hào)的前提下，可以利用信標(biāo)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)跟蹤。大部分衛(wèi)星都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)含有通信信息的導(dǎo)頻信號(hào)，例如移動(dòng)通信系統(tǒng)中的導(dǎo)頻信號(hào)。因此也可以利用導(dǎo)頻接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的跟蹤。此次設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)采用兩種接收機(jī)并存的方式，可以保證跟蹤的可靠性。

伺服系統(tǒng)在跟蹤的過程中，對(duì)于數(shù)據(jù)的監(jiān)控是必不可少的。采用無線局域網(wǎng)協(xié)議的監(jiān)控軟件相對(duì)于傳統(tǒng)的串口監(jiān)控來說，最大的優(yōu)勢(shì)就在于便于用戶的操作。用戶可以在筆記本電腦上或掌上電腦PDA上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各模塊的狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)控。

3． 3 C8051F020 單片機(jī)

C8051F020微處理器是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，與MCS－51指令集完全兼容。該芯片擁有8個(gè)8位的數(shù)字I/O端口，大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展;64 K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器、4352字節(jié)的片內(nèi)RAM和可尋址64 K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口;5個(gè)通用的16位定時(shí)器、片內(nèi)看門狗定時(shí)器和5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列等［7］。

4 結(jié)語

針對(duì)艦船移動(dòng)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)不穩(wěn)定的情況，設(shè)計(jì)了一種船載衛(wèi)星通信地球站伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)在高速、高性能的微處理器C8051F020型單片機(jī)的基礎(chǔ)上，通過并行數(shù)字I/O端口和串行接口等與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)開發(fā)了串口通信應(yīng)用程序。最后在單片機(jī)和模擬搖擺臺(tái)上進(jìn)行了功能測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了跟蹤數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。為船載衛(wèi)星通信地球站伺服系統(tǒng)在艦船上的應(yīng)用提供了可行性方案。

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