基于ARM和B/S的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)

成玉柱，潘玲云，夏雪婷

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于ARM和B/S的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)

成玉柱，潘玲云，夏雪婷

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

在占地球總面積70%左右的海洋上無法建立基站，由此迫切需要穩(wěn)健的船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)。船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究主要包括系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)、控制策略、硬件選型和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了克服船體的運(yùn)動(dòng)，三軸隨動(dòng)控制系統(tǒng)采用模糊PID算法，根據(jù)一系列的對星策略以使船體在運(yùn)動(dòng)中始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。采用FPGA芯片作為陀螺儀溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可使整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)更為精準(zhǔn)快速。監(jiān)控系統(tǒng)舍棄較為傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，選擇瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。通過模擬測試，驗(yàn)證了船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較好的性能和友好的應(yīng)用性。

船載衛(wèi)星通信；溫度補(bǔ)償；模糊控制；瀏覽器/服務(wù)器模式

0 引言

由于海上缺少固定的通信中繼站，而船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)正好可以充當(dāng)海上的通信中繼站，我國要建設(shè)成為海洋強(qiáng)國，海洋通信必不可少，由此迫切需要高性能的船載衛(wèi)星通信產(chǎn)品。于是開發(fā)高性能的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

正是基于該目的，船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用了GPS獲取三軸的絕對地理坐標(biāo)，配以電子羅盤測量三軸理論角度，加上基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的溫度補(bǔ)償過的三軸陀螺儀測量三軸的瞬時(shí)速度來達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康?，根?jù)搜索算法和跟蹤算法使整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)在模糊PID控制算法下更為精準(zhǔn)快速地實(shí)現(xiàn)對星。為了監(jiān)控船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能以及實(shí)現(xiàn)對船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的人為操作，通過有線局域網(wǎng)或無線WiFi實(shí)現(xiàn)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的相互連接，監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器的瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)架構(gòu)[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 船載衛(wèi)星通信工作過程

船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過程可以分成兩個(gè)部分，即發(fā)射過程和接收過程。發(fā)射過程將要傳輸?shù)男畔⒁来谓?jīng)過交換機(jī)和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，由上變頻功率放大器(Block Up-Converter,BUC)將信號調(diào)制成適合在無線環(huán)境中傳輸?shù)男盘?，再由船載天線發(fā)射出去[2]。船載接收過程則與發(fā)射過程相反，天線接收到的信號經(jīng)過低噪聲下變頻器(Low Noise Block down-converter,LNB)濾波放大后送入定向耦合器，定向耦合器將接收到的信號分成兩路或多路，其中一路由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器完成解調(diào)用于業(yè)務(wù)；一路將作為信標(biāo)機(jī)的信號源，用于測量目標(biāo)衛(wèi)星的信號強(qiáng)度，當(dāng)然船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與衛(wèi)星之間的通信方式是全雙工的。

1.2 船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究的主要對象由ARM控制系統(tǒng)、控制天線姿態(tài)的隨動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)平盒模塊、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊組成，其中調(diào)平盒模塊中含有為解決三軸陀螺儀零點(diǎn)漂移難題的基于FPGA的溫度補(bǔ)償子模塊。

船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以輪船為載體，載體在海水運(yùn)動(dòng)的干擾下不僅會有三維運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)軌跡沒有規(guī)律無法制定相應(yīng)的規(guī)則。為了高效率、高精度地實(shí)現(xiàn)船載天線時(shí)刻保持對星的姿態(tài)，必須采取一系列的控制策略才能順暢地完成正常的通信。在茫茫大海上要想得到船載天線的狀態(tài)，可通過安裝在船載跟蹤系統(tǒng)上的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)實(shí)時(shí)地獲取跟蹤系統(tǒng)的經(jīng)、緯度信息，通過和目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)緯度計(jì)算得到船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線對準(zhǔn)衛(wèi)星所需的理論位置和俯仰角，電子羅盤采集船載天線的航向角度、俯仰角度和橫搖角度，三軸陀螺儀測量三軸的瞬時(shí)速度來達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康腫3]。ARM控制系統(tǒng)會根據(jù)所得到的天線狀態(tài)以及信標(biāo)接收機(jī)反饋回來的信號強(qiáng)度實(shí)時(shí)地控制隨動(dòng)系統(tǒng)使船載天線對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

為了提高本系統(tǒng)的性價(jià)比，本設(shè)計(jì)沒有選擇昂貴的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而選擇使用型號為CRS03-02的微機(jī)械陀螺儀，但微機(jī)械陀螺儀有嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移問題，這是以前船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所不能解決的難點(diǎn)，本系統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償策略克服三軸陀螺儀的溫漂問題。對于溫度補(bǔ)償?shù)哪Ｐ腿绻麖牟牧显矸矫嬗美碚撏茖?dǎo)過于復(fù)雜，不如采用實(shí)驗(yàn)的方法快速有效。實(shí)驗(yàn)過程如下：將三軸陀螺儀放在可調(diào)的恒溫箱中，在-30℃～+80℃的溫度范圍內(nèi)，每隔2℃測量一次零點(diǎn)偏移量；每次采樣15 min取平均值作為該溫度下三軸陀螺儀的零點(diǎn)偏量[4]。圖2中用實(shí)心圓點(diǎn)表示測量的數(shù)據(jù)，實(shí)線是通過三次方基本擬合得到零點(diǎn)偏移量的擬合曲線方程，即：

當(dāng)-30℃≤T≤-16℃時(shí)，

bias=-0.526 55+0.003 62t-0.004 51t2-0.000 03t3;

當(dāng)-16℃≤T≤+24℃時(shí)，

bias=-0.723 14+0.047 63t-0.000 63t2;

當(dāng)24℃≤T≤40℃時(shí)，

bias=-2.747 3+0.129 48t-0.002 04t2+0.000 06t3;

當(dāng)40℃≤T≤80℃時(shí)，

bias=-12.843 7+0.429 476t-0.002 035t2+0.000 03t3

圖2 三軸微陀螺儀零點(diǎn)偏移溫度變化曲線

陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊采用芯片MAX125AEAX完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換有8個(gè)輸入通道分成兩組，每組的4個(gè)通道可以同時(shí)完成轉(zhuǎn)換任務(wù)。三軸陀螺儀可以用其中一組，另外一組留給其他輸出模擬信號的傳感器使用。溫度傳感器選用輸出數(shù)字量的DS18B20完成三軸微機(jī)械陀螺儀所處環(huán)境的溫度測量。FPGA芯片是這個(gè)子模塊的核心，它控制著模數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度傳感器協(xié)同工作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的4段陀螺儀溫度補(bǔ)償擬合曲線，在FPGA芯片內(nèi)部寫成相應(yīng)的補(bǔ)償程序就可以計(jì)算出不同溫度下三軸微機(jī)械陀螺儀的溫度偏移補(bǔ)償值；將陀螺儀數(shù)字量減去相應(yīng)的補(bǔ)償值得到補(bǔ)償后的陀螺儀信號數(shù)字量，即可通過FPGA串口傳送給ARM控制系統(tǒng)，使得隨動(dòng)系統(tǒng)能夠控制天線實(shí)時(shí)跟蹤到衛(wèi)星[4-5]。三軸陀螺儀溫度補(bǔ)償子模塊硬件框圖如圖3所示。

圖3 三軸陀螺儀溫度補(bǔ)償子模塊硬件框圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

采用客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)模式的監(jiān)控系統(tǒng)存在只能在本地監(jiān)控、需要安裝某些特定的應(yīng)用程序等弊端；而基于嵌入式Web的B/S架構(gòu)監(jiān)控方案是通過無線(WiFi)或有線(TCP/IP)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與其他設(shè)備(PC、Pad、Phone等)的連接。B/S架構(gòu)可以有效地解決客戶端/服務(wù)器架構(gòu)的不足。

為了實(shí)現(xiàn)B/S模式，網(wǎng)絡(luò)模塊采用無線網(wǎng)和有線網(wǎng)兩種方式，能夠很好地互補(bǔ)彼此的不足。有線電路由RJ45接口連接其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過DM9161BIEP芯片處理后傳送給ARM控制系統(tǒng)；考慮到監(jiān)控系統(tǒng)要在手持終端上使用，于是需要配置WiFi無線模塊，為了提高本設(shè)計(jì)的進(jìn)程，無線通信方式的硬件選用支持802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的威盛可插拔USB接口的無線模塊，直接通過USB接口實(shí)現(xiàn)與ARM控制系統(tǒng)的連接。硬件的應(yīng)用還需要在嵌入式中移植無線網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本配置。基于這些設(shè)計(jì)之后，系統(tǒng)監(jiān)控只需要在客戶端設(shè)備安裝瀏覽器軟件即可。

2.3 隨動(dòng)系統(tǒng)

2.3.1 隨動(dòng)系統(tǒng)的模糊PID算法

根據(jù)反饋給ARM控制系統(tǒng)的天線情況，控制系統(tǒng)將控制5個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，為了提高隨動(dòng)系統(tǒng)的控制速度和精度，本系統(tǒng)采用模糊PID算法。

傳統(tǒng)PID的3個(gè)參數(shù)Ki、Kp、Kd通過誤差整定，結(jié)構(gòu)和算法相對簡單，而載體在海洋中的工作用傳統(tǒng)的PID很難滿足。模糊PID能夠根據(jù)偏差和偏差變化率自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù)。參數(shù)整定有如下經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)偏差較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，取較大的Kp，Ki=0；當(dāng)偏差和偏差變化率處于中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取值小一些，Kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，Ki的取值要適當(dāng)；當(dāng)偏差較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp與Ki均應(yīng)取得大些，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，Kd的取值相當(dāng)重要，一般在偏差變化率較小時(shí)，Kd取值應(yīng)該較大，反之則反。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測偏差和偏差變化率的值，根據(jù)模糊規(guī)則在線修改PID的3個(gè)參數(shù)，使得PID參數(shù)可自整定，以滿足不同偏差和偏差變化率對控制參數(shù)的要求[6]。

2.3.2 船載天線的搜索算法和跟蹤算法

利用電子羅盤和雙GPS測姿儀能直接定位載體的方位角，所以船載天線可以直接或間接地走到理論方位。搜索模式采用畫框模式，就是以理論位置為中心向外畫框，隨著搜索的進(jìn)行畫的框越來越大。畫框的同時(shí)監(jiān)控自動(dòng)增益控制(Analog Gain Control，AGC)的變化，如果超過門限，立即停止畫框進(jìn)入跟蹤模式。若畫框搜索完設(shè)定的圈數(shù)后還沒有找到衛(wèi)星，則重新走到理論位置，再次進(jìn)行畫框搜索。應(yīng)用人員也可以根據(jù)實(shí)際情況在監(jiān)控系統(tǒng)中調(diào)節(jié)方位、俯仰的步進(jìn)角度和畫框圈數(shù)。畫框搜索算法的船載天線波束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 畫框搜索算法船載天線的波束的運(yùn)動(dòng)軌跡

畫框搜索監(jiān)控到目標(biāo)衛(wèi)星的AGC超過門限值后立即進(jìn)入圓錐跟蹤狀態(tài)。圓錐跟蹤狀態(tài)是船載天線進(jìn)行通信時(shí)所保持的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，程序會控制天線做軌跡為圓的圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)AGC的差值計(jì)算天線需要調(diào)整的角度，通過對方向圖的擬合，發(fā)現(xiàn)超過門限值的方向圖成二次曲線。將固定相差角度的兩點(diǎn)AGC與這兩點(diǎn)的中心距離方向圖中AGC最大點(diǎn)兩者的分布進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線性度很高，R2=0.949 3。所以用左右兩點(diǎn)多的AGC的差值乘以一個(gè)系數(shù)就可以作為調(diào)整的角度。最終使得船載天線始終指向目標(biāo)衛(wèi)星。圓錐搜索算法的船載天線波束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 圓錐搜索算法的船載天線波束的運(yùn)動(dòng)軌跡

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前文已經(jīng)說明支撐監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件配置，這里對監(jiān)控系統(tǒng)本身進(jìn)行說明。可以在選型為AT91SAM9263的ARM芯片中移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要考慮到它具有可裁剪、多用戶、多任務(wù)、設(shè)備文件化以及適合小型嵌入式系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，還要在ARM芯片中移植Web服務(wù)器Boa，Boa是一個(gè)非常小巧的網(wǎng)頁服務(wù)器[7]。由于嵌入式系統(tǒng)本身對數(shù)據(jù)的存儲和程序運(yùn)行空間有較大的限制等特點(diǎn)，所以采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫?？蛻舳藶g覽器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的信息傳遞規(guī)范采用通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface，CGI)，它的主要功能是從瀏覽器的表單中解析出有用成分，再將解析的結(jié)果與服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，以布局整潔的網(wǎng)頁呈現(xiàn)給用戶。

客戶端用戶在瀏覽器的地址欄中輸入Web服務(wù)器的IP地址，瀏覽器與服務(wù)器之間就會通過HTTP協(xié)議建立連接[8]。連接建立之后，瀏覽器就能發(fā)送表單請求，每當(dāng)服務(wù)器端接收到請求之后，服務(wù)器Boa就會創(chuàng)建新的CGI進(jìn)程來處理請求。一方面，CGI程序能夠獲得來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，另一方面，CGI程序所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)又能夠經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出返回給服務(wù)器。服務(wù)器端的CGI程序還能夠通過消息緩存隊(duì)列與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，將用戶要求發(fā)送給控制程序，控制程序根據(jù)用戶需求驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成對星動(dòng)作。

監(jiān)控系統(tǒng)通過Ajax技術(shù)和CGI為用戶提供良好的用戶體驗(yàn)。為了使監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)不同的客戶端設(shè)備，在網(wǎng)頁設(shè)計(jì)中，必須采用不同網(wǎng)頁分辨率的自適應(yīng)技術(shù)。

4 結(jié)束語

本文主要對船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的硬件、隨動(dòng)系統(tǒng)的控制策略以及目標(biāo)衛(wèi)星的搜索跟蹤算法進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。在搖擺臺上進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，船載天線能在2 min左右跟蹤到目標(biāo)衛(wèi)星，檢測到的目標(biāo)衛(wèi)星AGC信號波動(dòng)范圍小于0.5 dB。由于陀螺儀零點(diǎn)漂移引起的丟星現(xiàn)象也得到了有效的改善；并且通過瀏覽器監(jiān)控系統(tǒng)，使其擁有更好的用戶體驗(yàn)。

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Shipboard satellite communications system based on ARM and B/S

Cheng Yuzhu,Pan Lingyun,Xia Xueting

(College of Automation,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

The base station can not be established on oceans, thus an urgent need for a robust satellite communication system on board. The research of shipboard satellite communications system includes system configuration design, control strategy, hardware selection, control and monitoring system design. In order to overcome the movement of the ship, three-axis servo control system uses fuzzy PID control algorithm to achieve real-time communication.Using field programmable gate array (FPGA) chip as the gyro temperature compensation data processing system, it makes the whole servo system is more accurate and fast. Monitoring system based on embedded Web server browser/server mode is designed, which abandons the more traditional client/server mode.The shipboard satellite communications system has good performance and friendly application through performance test.

shipboard satellite communications;temperature compensation;Fuzzy control;browser/server mode

TP27；TP31

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.008

成玉柱，潘玲云，夏雪婷. 基于ARM和B/S的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(1)：25-28.

2016-09-02)

成玉柱(1988-)，通信作者，男，碩士，主要研究方向：智能檢測與控制技術(shù)。E-mail：15261822857@139.com。

潘玲云(1991-)，女，碩士，主要研究方向：智能檢測與控制技術(shù)。

夏雪婷(1990-)，女，碩士，主要研究方向： 計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制技術(shù)。