基于单片机的卫星天线伺服系统
基于C8051F040的便携式天线伺服系统
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通信技术
数字技术 与应用
[GF]为HT-greenfield模式设置参数，默认情况下不使用此模 式。802.11n除了可以工作在混合模式，兼容以前的标准外，还可以 工作在一种HT-greenfield模式下，既不需要保护机制，也不需要向 后兼容传统的数据包格式。HT-greenfield无需增加传统的前导信 号和帧头，减少了混合模式下吞吐量的开销。当附近没有使用旧标 准的设备运行在相同的信道上时，使用802.11n的设备可以开启 HT-greenfield模式。
数字技术 与应用
通信技术
基于 C8051F040 的便携式天线伺服系统
齐晓娜 张国志 (河北远东通信系统工程有限公司 河北石家庄 050081)
摘要：介绍一种基于C 8 0 5 1 F 0 4 0 单片机的便携式天线伺服系统，详细介绍了其硬件组成与软件实现。该系统具有便携与简易操作的特点，
在应急通信方面具有较大优势。
………………公式1
CA N
俯仰电机
CA N
俯仰码盘
图 1 天线伺服系统框图
俯仰轴
C
B
方位轴
图 2 扇扫原理
D
A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 3 跟踪原理
………………公式2
其中： Ad=天线理论方位角度； Ed=天线理论俯仰角度； r=地球平均半径6371km； R=同步轨道半径42218km；
=所对卫星经度； X=天线所在地经度； Y=天线所在地纬度。 3.3 扇扫状态 到达理论位置后由于卫星漂移和罗盘航向的偏差，有可能所指 向位置并没有卫星信号，这时就需要两个轴向在该点附近做一个回 字形扫描，称之为扇扫。 设a为方位扇扫步距、e为俯仰扇扫步距、Ka为方位扇扫起始宽
全自动卫星天线定位伺服控制系统概要
全自动卫星天线定位伺服控制系统本控制系统是专门为4.5M卫星天线设计制作，通过本控制系统可方便地进行天线的方位、俯仰和极化的角度调整。
由于采用了新型交流伺服控制器，使天线的各角度的控制精度得以大幅提高，在目前国内同类系统中应用技术较为先进。
（一）卫星天线控制系统的方案采用我公司生产的交流伺服控制器和交流异步电机组成的伺服驱动单元，以可编程控制器、可编程终端等组成控制单元。
系统构成方案如图所示。
（二）系统功能及技术指标该系统由室内控制单元和室外伺服驱动单元组成，通过可编程终端显示的文字提示进行操作。
交流伺服控制器驱动天线机构上的交流异步电机实现精确的位置、速度控制，以实现天线的方位、俯仰和极化的角度调整。
安装在电机上的编码器不仅为交流伺服控制提供反馈信息，而且为室内控制单元提供天线的方位、俯仰信息，经数据处理后用于控制和显示角度。
软件在实现系统的各种功能中起着非常重要的作用。
本系统的软件有交流伺服控制器(3台)的程序、可编程控制器的程序和可编程终端的程序。
这几种程序分别担负着人机界面、数据处理、动作控制以及状态监视等各种作用。
与天线方位有关的软件部分对应于天线和本系统安装在北半球。
动作范围：方位90.00°(东)～270.00°(西)［正南为180°］俯仰 5.00°(俯)～90.00°(仰)极化±90°动作方式：⑴角度操作：设定角度值，运动至设定位置。
（对好第一颗星之后）⑵步进操作：选择步进距（小步距0.01°、中步距0.05°、大步距0.25°）后，单键操作，按1次键，运动1步。
⑶启停操作：选择电机转速(方位、俯仰和极化的速度分挡不同)后，单键操作，按1次运动、再按1次停止。
换星操作：按序号登录5颗星的方位角、俯仰角数据。
设定目标星号后执行换星。
非常快捷、方便。
若所设定的星号未登录则不执行并提示“无效”。
卫星天线伺服控制系统研究
| 工程技术与应用| Engineering Technology and Application·24·2016年10月卫星天线伺服控制系统研究景丹玉，韩 刚（91917部队，北京 102400）摘 要：在进行卫星通信过程中，天线的快速、准确、精密、稳定将会直接决定其通信质量的高低，因此需要采取措施构建一个安全、可靠、稳定的通信链路，以确保其通信过程的顺利进行。
文章对卫星天线伺服控制系统给予介绍和探讨。
关键词：卫星天线；伺服控制系统；工作原理；数学模型中图分类号：TN828.5 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2016）10-0024-011 卫星天线伺服控制系统简介1.1 卫星天线伺服系统的工作原理在进行卫星天线伺服系统设计过程中，要按照星载计算机预先设定的天线转向命令，来使两个方向天线转向设定的位置，从而进行数据传输任务。
其卫星天线系统常用频段主要有C、Ku、Ka等。
而卫星电视广播常选择C 频段。
Ka频段主要是向客户提供千兆比特级的数字传输、高速的卫星通信、高清数字电视以及一些个人通信业务。
以Ku频段的机载卫星天线伺服控制系统为例，它可以高精度的快速、准确的实现对目标卫星的校正，构建安全、稳定的持续信号输出链路，以实现通信服务。
天线平台和伺服平台是双系统的两种平台体制，后者具有两个不同的正交自由的天线座，分别是俯仰天线座和方位天线座。
与单平台的设计方案相比，上述结构的设计不仅可以有效提高伺服系统的带宽范围，而且还能够在一定程度上提升系统的谐振效率。
卫星天线伺服系统主要由以下几部分组成，分别是伺服电动机、限位开关、角度传感器、伺服控制器、测速电动机、PWM伺服控制驱动器、减速器等。
在伺服控制器系统中，俯仰和方位以对星开始，根据GPS数据来对计算机和卫星实现控制，并实时监测天线载机的飞行状态，以准确的得出俯仰的角度、天线的方位等信息，通过坐标换算可以得到相应的载体坐标系角度，最后借助一定的手段进行方位闭环的调整，可以使天线准确对准卫星，从而有效的实现卫星通信。
一种基于单片机的两轴伺服定位系统的设计
一种基于单片机的两轴伺服定位系统的设计摘要：本文主要介绍一种以89C51微处理器为中心的两轴伺服定位系统的设计与实现。
关键词：伺服定位;DAC2813;增量编码器;单片机一、引言两轴伺服定位有多种实现方法，如步进电机系统，交、直流伺服系统等。
本文介绍一种价格低、功能强的小功率两轴伺服定位系统。
该系统采用单片机作为中心控制器，角度位置数据采用价格低廉的增量编码器获得，并且两轴的增量编码器信号可以很方便地同时接入单片机中，形成闭环控制;选用一种双路D/A变换器直接控制两轴的机械运动，除了基本的控制之外，单片机还需要处理必要的键盘输入与数据送显，这使得单片机本身的资源、功能得到了充分的利用与发挥。
二、系统的设计与实现图1 系统原理框图如图1所示，系统主要由单片机、双路D/A变换器、功率驱动放大器、电机和测速机、减速器、增量编码器和一些结构部件等组成。
工作时通过终端(键盘)给单片机指令，经D/A 变换后给功率放大器驱动直流电机运转。
电机速度用同轴安装的测速机检测;负载的位置用增量编码器测量，并反馈回计算机，从而形成一个闭环控制系统。
2.1 单片机的选择由于考虑到程序空间、数据空间需求可能都比较大，单片机选用W78E58-40M，它兼容89C52系列，片上可以提供32KB的程序空间，同时晶振可以高达40MHz，数据存储器采用32KB 现代HY62256，在管脚上兼容常用的6264。
在电路中，单片机可以通过跳线选择是80C31或W78E58，数据存储器也可以由跳线选择62256或者6264。
这样设计大大增加了系统的灵活性与适应性。
2.2 双路D/A变换器为了简化系统设计，决定采用BB公司的DAC2813双路D/A变换器作为两轴机械转动的控制接口芯片，DAC2813的两路D/A分别有各自的使能信号-EN1、-EN2。
-ENX信号在-WR的协同下，将DB0到DB11的数据写入到内部的输入锁存器当中，为了能够将写入的数据进行D/A 转换，还必须送来一个信号-LDAC，该信号在-WR的协同下将输入锁存器的数据打入到DAC锁存器当中，在该锁存器中的数据才被进行D/A转换。
基于C8051F120单片机的船载卫星天线自动跟踪控制系统设计
载 体 上 实 现 多媒 体 通 信 、 收看 同 步 卫 星 电视 、 网
星 与 外 界 保 持 联 系 ， 因 此 ，需 要 船 上 的卫 星 通 讯 天 线 始 终 对 准 卫 星 ．与 其 它 运 动 载 体 相 比 ，要 求 船 载 卫 星 跟 踪 系 统 具 有 较 快 的响 应 ， 以满 足 航 海 时 卫 星 天 线 纵 倾 、横 滚 、 俯仰 变 化 ，保 障 了通 讯
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ｓ ｐａ ｒ ａ ａ ｔ ｍａ ｉ ｎ ｅ ｎ ｙ ｔ ｍ ｓ ｅ ｉ ｎ ｄ ｗｉｈ ｉ ｇ ｅ ｈ ｐ ｐｒ ｃ ｓ ｏ ， ＧＰＳ ｓｒ ｃ ： ｎ ｔ ｉ ｐｅ ， ｕ ｏ ｔｃ ａ ｔ ｎ ａ ｓ ｓ ｅ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ｔ Ｓ ｎ ｌ ｃ ｉ ｏ ｅ ｓ ｒ ， ｓ ｎ ｌ ＿ ｕ ｓ ｒ ｃ ｉ ｇ ｓｇ ａ ｅ ｅ ｖ ｒ ａ ｄ ｄ ｇ ｔ ｌ ｏ ｐａ ｓ ｗｈ ｃ ａ ｋ ｅ ｔ ａ ｋ ｎ ｏ ｅ ｓ ｅ ａ ｔ ｎ ｉ ｇ ｅ ｐ ｌｅ ｔａ ｋ ｎ ｉ ｎ ｌ ｃ ｉｅ ｎ ｉ ｉ ｍ ｓ ． ｉ ｈ ｃ ｎ ｍａ ｅ ｔ ｃ ｉ ｇ ｐｒ ｃ ｓ ｘ ｃ ｌ ａ ｄ ｒ ａ ｃ ｈ ｒ ｙ ｒ ｐｉ ｌ ． ａ ｄｙ Ｋ ｅ ｗｏ ｄ ： ｓ ｎ ｌ ｈ ｐ ｐｒ ｃ ｓ ｏ ： ｃ ｎ ｒ ｌ ｎ ￣； ｓ ｔ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ； ｅ ｖ ｎ ｔ ｒ ｃ ｉ ｅ ａ ￣ ｎ ａ ｙ ｒ ｓ ｉｇ ｅｃ ｉ ｏ ｅ ｓ ｒ ｏ ｔｏ ｉ ｐｏ ｉ ｏ ａ ｕ ｅ ｓ ｒ ｏ ｕ ｉ ｕ ｉ ｓ； ｅ ｅ ｖ ｎ ｅ ｎ ｔ
随着 卫 星通 信 技 术 水 平 的 发 展 ，在 运 动 中实
现 与卫 星 实 时通 信 变 得 越 来越 普 遍 ，包 括 在 运 动
基于单片机的便携式卫星天线的快速对星系统
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GPS HMR3000ABSTRACTWith the social progress and the improvement of information technology, the requirement for portable satellite equipments is more and more, such as Home Satellite TV, wild carrying communication equipments and so on. Therefore, be able to quickly and accurately alignment with the satellite portable satellite equipment deserved to become an important research direction of satellite communication.In this paper, after taking the rapid portable satellite equipment on the satellite system as the background of rapid portable satellite equipment satellite system and researching into the overall design of the program, implementation plan that the use of GPS and HMR3000 the COMPASS signal, through the single-chip to compare, analyze, fast on the implementation of quasi-satellite program ,is put forward. In this paper, and the stars system controller hardware design and software for satellite system design.Key words: single-chip GPS HMR3000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 -2.2.2 GPS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 -3.2.2 GPS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 -4.2.2 COMPASS数据的采集与接收 .................................................. - 20 - 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:d =(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:arctan θ= (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cot sin cot ϕλΦ=即:tan arctan sin λφϕ= (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:0.570(Dλϕ≈度) (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:20lg E EoG = (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20 200km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/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,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]｡2.2.2 GPS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AT89C51 Flash单片机｡它与MCS-51系统产品兼容,具有4KB可编程Flash存储器,5V的电源使用电压,128×8位的内部RAM,2个16位定时､计数器,6个中断源,以及低功耗空闲和掉电方式等。
基于C8051F040的车载天线伺服系统研究
antenna. Using mature field bus (CAN) technology, the system is simple in structure and intelligent in operation. Meanwhile, the reliability and maintainability of the system are improved. The hardware selection and the software control strategy of the system are introduced in detail, and the unmanned operation of the star is realized. With the development of satellite communications and the case of traditional communication methods being restricted. Key words: C8051F040 microcontroller; profile transportable satellite communication; CAN bus increasing demand for national emergency communications, the vehicle mounted static mid pass antenna has great advantages in the
Research on Vehicle Antenna Servo System based on C8051F040
Qi Xiaona, Chang Yali
Abstract: This paper introduces a servo system based on C8051F040 microcontroller for vehicle mounted static mid pass (China Communications System Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang Hebei 050081, China)
基于单片机的伺服电机控制系统
基于DSP的多伺服电机同步驱动系统设计目录摘要半个世纪来，直流伺服控制系统己经在精密数控机床、加工中心、机器人等领域得到了广泛的应用。
随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。
本文介绍了微机直流伺服系统的硬件、软件设计方案。
硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。
软件编制采用模块化的设计方式，主要包括主程序设计及数字控制算法程序的设计。
通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。
关键词：伺服系统单片机AbstractFor a half of century，the DC servo control system has been widely used in the NC machine tool，machining center，and robot…，etc. With the technical development of servo motor，electronices power and computer control，the servo control system is making towards digitized and modular design.This paper introduces the hardware，software design plan of DC servo control system on microcomputer.The hardware designed includes mainly: the total project design，single-chip computer application system design，drive circuit design and measure circuit design. The software a dots modular design，includes primarily the main procedure design and increases the design of the deal type arithmetic figure PID calculation way procedure.Through the integral design of the system, the completion of the basic requirements of the system, the system can stable operationKeywords: servo system microcontroller第一章绪论1.1 课题研究的目的和意义近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作为大宗货物进出仓库的阀门。
基于ARM+FPGA的VICTS天线伺服控制系统设计
第21卷第1期信息工程大学学报Vol.21No.12020年2月Journal of Information Engineering UniversityFeb.2020㊀㊀收稿日期:2019-11-21;修回日期:2020-02-03㊀㊀作者简介:张志勇(1995-),男,硕士生,主要研究方向为电子科学与技术㊂DOI :10.3969/j.issn.1671-0673.2020.01.006基于ARM +FPGA 的VICTS 天线伺服控制系统设计张志勇,雷㊀雪,徐志坚,李天鹏,高㊀峻(信息工程大学,河南郑州450001)摘要:根据可变倾角连续断面节阵列(VICTS )天线的独特结构以及需求,设计了VICTS 天线伺服控制系统㊂采用ARM +FPGA 的架构,进行硬件设计与软件设计,实现对VICTS 天线的控制㊂联调测试表明,VICTS 天线伺服控制系统可在30s 内控制VICTS 天线精确地完成对星㊂关键词:VICTS 天线;伺服控制系统;ARM ;FPGA 中图分类号:TN918.1㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1671-0673(2020)01-0032-04Design of VICTS Antenna Servo Control System Based on ARM +FPGAZHANG Zhiyong,LEI Xue,XU Zhijian,LI Tianpeng,GAO Jun(Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China)Abstract :According to the unique structure and requirements of VICTS (Variably Inclined Contin-uous Transverse Stub)antenna,this paper designs a servo control system for VICTS antenna.This paper adopts the hardware architecture of ARM +FPGA to carry out hardware design and software de-sign to realize the control of VICTS antenna.The joint test shows that the VICTS antenna servo con-trol system can accurately control the VICTS antenna to track the satellite within 30s.Key words :VICTS antenna;servo control system;ARM;FPGA㊀㊀VICTS(Variably Inclined Continuous TransverseStub)天线是一种新型超薄动中通天线,它由极化层㊁辐射层以及馈电层组成,如图1所示㊂VICTS天线通过这些功能层的旋转来调整波束指向,使得天线的波束指向卫星㊂相对于传统卫星天线反射面天线和阵列天线,VICTS 天线具有剖面低㊁易共形安装㊁十字形波束邻星干扰低的优点;相对于有源相控阵天线,VICTS 天线无需T /R 组件就可以实现高增益和灵活的波束扫描,且无源馈电网络损耗低㊂综上所述,VICTS 天线在动中通领域具有独特的优势[1-2]㊂在动中通天线中,伺服控制系统的性能对天线的跟踪性能起决定性作用㊂鉴于VICTS 天线不可收发共用的特点,VICTS 天线实现卫星通信收发一体需要多个外部设备配合实现,这对伺服控制系统多个外部设备并行工作的能力和软件设计方法有图1㊀VICTS 天线结构示意图着严格的要求㊂VICTS 伺服控制系统性能的好坏会直接影响各个盘面旋转到指定位置的速度和精度,进而影响动中通天线在运动过程中对星跟踪的速度和精度㊂因此,设计系统精度高㊁稳定性好的伺服控制系统是动中通天线能否实现对星跟踪功能的关键㊂文献[3-5]讨论了传统动中通天线的伺服控制系统的设计与实现,其硬件设计灵活性不足,软件设计偏重于常规化,并不能满足VICTS 天㊀第1期张志勇,等:基于ARM+FPGA的VICTS天线伺服控制系统设计33㊀线的特殊需求㊂由于VICTS天线的特殊性和复杂性,基于VICTS天线的伺服控制系统暂未形成系统的方案㊂本文在分析及研究VICTS天线基础上,采用ARM+FPGA的内核结构,设计并实现了VICTS天线的伺服控制系统㊂测试表明,VICTS天线伺服控制系统可在30s内控制VICTS天线精确地完成对星㊂1㊀VICTS天线伺服控制系统硬件设计㊀㊀伺服控制系统硬件模块主要由主控单元模块㊁外部设备模块以及电源模块等模块组成㊂硬件设计利用各种通信协议和接口搭建硬件连接架构,实现VICTS天线各个硬件模块的信息交互,为VICTS天线伺服控制系统提供底层控制架构㊂伺服控制系统硬件架构框图如图2所示㊂图2㊀伺服控制系统硬件架构框图1.1㊀伺服控制系统主控单元设计VICTS天线伺服控制系统的主控单元选用ARM+FPGA的架构,根据VICTS天线的工作原理,主控单元模块的各接口组成如图3所示㊂其中ARM芯片选用STM32系列芯片,具有数据传输速率快和外接接口丰富的优点㊂同时,鉴于动中通天线有实时处理以及发送各种外部设备数据的需求,而FPGA具有处理速度快㊁实时性好以及适合控制功能算法简单且含有大量重复计算的工程使用的特点,VICTS天线伺服控制系统选用了EP2C5T系列的FPGA芯片,以此来实现对外部设备的控制㊂1.2㊀主要接口电路设计1.2.1㊀电源模块在天线的工作中,伺服控制系统的硬件电路需要供电电源,但其各个模块的供电电压略有差异㊂图3㊀主控单元接口组成惯性导航系统(以下简称惯导)模块㊁信标机模块㊁电机模块以及网路通信模块均使用3.3V的电压,而FPGA的内核模块要使用1.2V的电压㊂因此在硬件电路设计中加入了电压转换的模块,具体电路如图4所示㊂在电源模块中,在电路中加入静电保护二极管防止产生的静电毁坏器件㊂1.2.2㊀外部设备模块VICTS天线的外设包括惯导㊁信标机以及电机模块㊂惯导的作用是给VICTS天线提供所需的经纬度信息以及载体的姿态信息,VICTS天线利用这些信息解算出各个盘面的转动角度,使得天线的波束对准卫星㊂信标机的主要功能是对L波段的卫星信号进行处理,解调出供伺服控制系统使用的信号强度等,VICTS天线根据信号强度值来判断天线是否对准卫星,进而调整盘面转动角度㊂而电机模块是将由ARM芯片根据各个盘面转动角度换算成的电脉冲值发送给电机驱动器,电机驱动器将将电脉冲数目发送给电机,使得电机驱动各个盘面转动到指定角度㊂同时电机的光栅编码器实时监测电机是否到达指定位置,给电机驱动器进行实时反馈㊂因为这些模块均属于外部设备模块,且均与FPGA进行通信,其硬件电路均如图5所示㊂2㊀伺服控制系统软件设计伺服控制系统的软件设计流程图如图6所示,伺服控制系统软件设计主要包括3部分:上位机部分㊁ARM部分以及FPGA部分㊂其中上位机部分主要是控制和读取天线的工作状态,FPGA部分主要是采集数据㊁存储数据以及转发数据,ARM实现VICTS天线大部分的控制以及对星跟踪算法㊂伺服控制系统软件设计的核心是盘面解算算法㊁步进跟踪算法以及信标机阈值的选择㊂实现盘面解算算法的关键在于如何将惯导数据和VICTS天线的工作参数解算成各个盘面的转动角度;步进跟踪算法的关键在于如何设计一个跟踪步数少且跟踪精度高的算法,该算法的设计可以参考文献[6];34㊀信息工程大学学报㊀2020年㊀图4㊀电源模块电路图5㊀外部设备模块电路信标机阈值的选择的关键在于如何根据理论分析和实测结果得出合适的阈值㊂下面,将进一步阐述盘面解算算法和步进跟踪算法㊂图6㊀伺服控制系统软件设计流程图2.1㊀盘面解算算法VICTS 天线跟踪的均为地球同步卫星,对于地球上某地静止的天线,可以根据当地的位置信息和地球同步卫星的经纬度信息将当地坐标系下天线波束的姿态信息计算出来㊂文献[7]和文献[8]分别给出了当地坐标系下天线波束指向的计算方法:A =arctantan(ψs -ψg )sin θ{}(1)H =arctancos(ψs -ψg )cos θ-0.151271+[cos(ψs -ψg )cos θ]2{}(2)θp =arctan{(sin(ψs -ψg )/tan θ)1+[sin φ/(β+cos φ)]2}(3)其中,A ㊁H 和θp 分别代表波束的方位角㊁俯仰角以及极化角,ψg 为接收站经度,ψs 为卫星经度,θ为接收站纬度㊂φ=arccos(cos Δλcos θ)为星下点与当地的夹角,β为6.62(静止卫星轨道半径和地球半径之比)㊂将当地坐标系下天线的波束指向与惯导数据的姿态信息进行姿态融合,从而得到载体坐标系下的波束指向,然后根据载体坐标系下的波束指向解算出盘面转动角度,从而驱动电机转动盘面,使得VICTS 天线对准卫星㊂2.2㊀步进跟踪算法为了提高VICTS 天线的跟踪性能,提出了一种变步长的步进跟踪算法㊂具体是:根据当前波束的指向,计算出适合当前波束指向的跟踪步长,然㊀第1期张志勇,等:基于ARM +FPGA 的VICTS 天线伺服控制系统设计35㊀后按照该跟踪步长进行俯仰角和方位角的扫描㊂图7为步进跟踪算法的流程图㊂由于VICTS 天线的独特结构,步进跟踪的过程十分复杂㊂辐射层的旋转可以实现俯仰角扫描,此外,方位角扫描可以通过馈电层和辐射层旋转相同的角度来实现㊂在步进跟踪开始时,根据当前波束指向计算出的跟踪步长控制电机进行俯仰角扫描㊂同时,在俯仰角的扫描过程中方位角也会发生变化㊂为了使VICTS 天线具有更好的跟踪性能,在俯仰角步进跟踪结束之后,需驱动馈电层和辐射层同时旋转相同的角度,来进行方位角扫描㊂图7㊀步进跟踪算法流程图3㊀测试与验证本文采用ARM +FPGA 架构设计了VICTS 天线伺服控制系统,并且结合VICTS 天线进行联调测试㊂结果表明,VICTS 天线可以在上电之后30s内准确对准卫星,同时解调出卫星转发的电视信号㊂联调测试如图8和图9所示㊂图8㊀联调测试图片图9㊀接收信号效果图4㊀结束语本文结合VICTS 天线的特性,研究并设计了一款基于ARM +FPGA 架构的伺服控制系统㊂该系统可以配合惯导等外部设备控制VICTS 天线进行对星,且经联调测试发现该伺服控制系统可以控制VICTS 天线实现快速㊁准确的对星㊂参考文献:[1]高峻,雷雪,吴君默,等.可变倾角连续断面节阵列天线方向图理论模型研究[J].信息工程大学学报,2018,19(5):537-540.[2]LIU Z,LEI X,XU Z,et al.On polarization matchingalgorithm of VICTS antenna[C]//2018IEEE 18th Inter-national Conference on Communication Technology (IC-CT),Chongqing,2018:556-559.[3]陈庆超.船载 动中通 伺服系统控制电路的硬件设计[J].微型机与应用,2017,36(20):45-47.[4]李胜峰,司徒春辉.基于ARM 车载动中通的伺服系统研究与实现[J].现代计算机(专业版),2015,(13):54-59.[5]凌鸣,陈光喜,贺文,等.基于STM32F4的船载动中通天线伺服控制系统[J].桂林电子科技大学学报,2018,38(5):401-406.[6]ZHANG Z,LEI X,XU Z,et al.Variable step sizetracking algorithm for the VICTS antenna[C]//Journal of Physics:Conference Series.2019,1303:1-5.10.1088/1742-6596/1303/1/012104.[7]邓四化.卫星接收天线仰角和方位角计算公式的推导[J].中国有线电视,1998(8):42.[8]林培通.卫星接收极化角计算公式的推导[J].宁德师专学报(自然科学版),2004,16(4):400-402.(编辑:刘彦茹)。
基于单片机的卫星天线指向系统设计
基于单片机的卫星天线指向系统设计(2007级电子信息工程本科姚柱坚)中文摘要近年来，民用卫星直播业务、卫星数据通信业务发展迅速。
然而现在的民用卫星接收站调校技术落后，如只能手工调校、定点接收等缺点，不利于民用商业卫星业务的大范围推广。
本毕业设计的研究目的，是通过价格低廉的单片机系统实现天线对卫星的自动快速对准。
该系统包括单片机控制系统、GPS接收模块、电子罗盘模块、液晶显示模块和电机驱动电路。
设计首先通过接收GPS模块信号和电子罗盘信号确定所需指向卫星的方位角，仰角，然后计算出天线高频头的极化角，电子罗盘用于确定接收站点的方位角。
这些数据的接收和运算都是通过STC12C5A32S2单片机来完成。
单片机接收到这些数据后，即可根据这些数据驱动传动系统，使卫星天线自动快速准确地对准卫星。
这些信息都通过点阵液晶屏显示出来给用户查看。
基于该系统的研究，今后民用卫星直播业务、卫星数据通信业务有望扩展到移动载体上。
关键词：卫星天线、对准卫星、GPS、电子罗盘、单片机ABSTRACTIn recent years, civilian satellite broadcast operations, satellite data communications business has developed rapidly. Now, however, civilian satellite receiving stations tuned technological backwardness, such as can only be manually adjusted, fixed-point to receive such shortcomings, is not conducive to civilian commercial satellite business, large-scale promotion.The purpose of this study graduation, through low-cost microcontroller system implementation of the satellite antenna alignment automatically and quickly. The system consists of microcomputer control system, GPS receiver module, electronic compass modules, liquid crystal display module and motor drive circuit. Design of the first module by receiving GPS signals and electronic compass to determine the necessary signals to the satellite's azimuth, elevation, and then calculate the angle polarization of the antenna tuner, the electronic compass is used to determine azimuth receiving site. The data reception and operations through STC12C5A32S2 MCU to complete. Microcontroller receives the data, it can be the basis of these data-driven transmission, so that satellite antenna alignment satellite automatically andquickly and accurately. The information is displayed through the dot-matrix LCD screen to the user to view.Based on the systematic study in the future of civil satellite broadcast operations, satellite data communications business is expected to extend to the mobile carrier.Key words：satellite antenna、satellite alignment、GPS、electronic compass、microcontr。
卫星通信中的天线设计与伺服控制优化
Telecom Power Technology通信网络技术卫星通信中的天线设计与伺服控制优化潘鹏利（中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北文章旨在优化卫星通信系统中的天线设计与伺服控制，以提高系统的性能和稳定性。
通过深入分析天线设计关键参数和伺服控制系统挑战，提出新型技术方案，涉及新型天线结构、模拟优化工具的应用和先进的控制算法等内容。
同时，评估该方案在提升卫星通信系统性能方面的有效性，以期为未来卫星通信技术的发展提供实质性的技术支持，为系统设计与优化提供参考，推动卫星通信系统的创新与进步。
卫星通信；天线设计；伺服控制；性能优化Antenna Design and Servo Control Optimization in Satellite CommunicationPAN Pengli(China Communication System Co., Ltd., Hebei Branch, ShijiazhuangAbstract: This paper aims to optimize the antenna design and servo control in satellite communication system, soas to improve the performance and stability of the system. By deeply analyzing the key parameters of antenna design and the challenges of servo control system, a new technical scheme is proposed, which involves the new antenna structure, 2024年2月10日第41卷第3期177 Telecom Power TechnologyFeb. 10, 2024, Vol.41 No.3潘鹏利：卫星通信中的天线设计与伺服控制优化和传感技术在该领域的应用变得至关重要。
基于MC9S12DGl28单片机的快速位置伺服系统的设计
基于MC9S12DGl28单片机的快速位置伺服系统的设计关键字：MC9S12DGl28 伺服系统系统精度O 引言本设计要求对某火炮的水平和高低角进行控制，达到快速位置伺服系统的要求。
而这个火炮角度控制系统首先要求有快速性，它的反应时间大于或等于12°／s；角度转动控制精度小于或等于1’，水平角转动范围从一120°～+120°，高低角转动范围从0°～+85°；最后系统要有很好的稳定性和动态性能。
由于位置伺服系统一般是以足够的位置控制精度、位置跟踪精度和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标，系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化。
所以对于这种快速位置伺服系统，要求整个系统各部分配合良好，其中的关键是控制器的选择，综合考虑高精度、抗干扰能力、灵活性、可靠性、实时性、性价比等各因素的情况下。
选择了Frees —cale公司的MC9Sl2DGl28B作为控制器。
MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的单片机，功能强大，性能优越。
本文采用该型号的单片机保证了所设计系统的稳定可靠。
1 系统控制方案由于设计的角度伺服系统的负载比较大，而且相对于工业控制要求而言系统精度和快速性要求高，所以整个系统采用混合闭环的控制结构，所谓混合闭环的控制结构，就是系统内同时存在半闭环和闭环。
半闭环起到控制作用，而全闭环只用于稳态误差补偿，两者相结合可获得较高的位置控制精度和跟踪速度。
包括：MJX40—14型光电编码器、90LCX一3直流伺服电机、12A8型PWM直流伺服电机驱动器、单片机控制系统。
单片机控制系统由MC9Sl2DGl28B单片机实现，使用Code Warrior for HCl2 V4．6编译器，采用C语言编程。
由于水平角和高低角的控制是一样的，而且共用一个单片机，以角度控制方框图(图1)来说明。
如图1所示，系统的任务是使光电编码器测得的炮架转动角度θ2与给出的指令θ1相等。
基于单片机和CPLD的天线伺服控制技术
基于单片机和CPLD的天线伺服控制技术姚广涛;彭世林【摘要】For 17-bit serial pulse code disc, aprogrammable logic device (CPLD) is used to convert the 17-bit serial pulse code disc into parallel one.Then, the converted 17-bit parallel data is transmitted to the single-chip microcomputer by parallel I/O interface with the decoder.The closed-loop transfer function of the antenna is equivalent to the mathematical model of the typical two-type system.For 50 ms, calculate the closed position loop through the single chip microcomputer 8051F040.%针对17位串型脉冲码盘,采用可编程逻辑器件CPLD,对其进行串并转换,再利用译码器,通过并行I/O口,将转换后的17位并行数据传送给单片机,天线闭环传递函数等效为典型二型系统数学模型,经过傅里叶变换离散后,采样周期为50ms,通过单片机8051F040进行计算闭位置环.【期刊名称】《河北省科学院学报》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】4页(P28-31)【关键词】CPLD;天线伺服控制;单片机;数学模型;传递函数【作者】姚广涛;彭世林【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄 050081;安徽省无为第一中学, 安徽芜湖 238300【正文语种】中文【中图分类】TP273由于精密跟踪天线伺服系统都是做圆周旋转运动的，要测量的位置信息都是旋转角度，因此采用的位置反馈测量元件也是角度测量元件。
某卫星通信天线伺服系统的设计与实现
某卫星通信天线伺服系统的设计与实现章百宝;陈涛【摘要】To realize the rapidity and veracity of aligning with the satellitefor vehicle⁃mounted satellite communication an⁃tenna,a satellite communication antenna servo system with DSP+FPGA as its control core was designed. The composition,working principle and hardware block diagram for the system are described. The parameters of motor are calculated particularly. The pro⁃cess of the antenna′s satellite founding and servo control algorithm are elaborated and designed. The implementation of the servo system is helpful to cost reduction of satellite communication system,and the rapidity and veracity improvement of aligning with the satellite.%为实现车载卫星通信天线对星的快速性和准确性，设计了一套以DSP+FPGA架构为控制核心的卫星通信天线伺服系统，介绍了该系统的组成、工作原理及硬件原理框图，并对电机选型参数做了详细计算，对天线寻星过程和伺服控制算法做了详细描述和设计。
该伺服系统的设计与实现对降低卫星通信系统成本、提高卫星通信天线对星的快速性和准确性具有一定的工程参考价值。
211051764_基于STM32的船载卫星伺服控制系统
９
１１０
２０１８ꎬ４４(２) :５７ － ６２.
中通天线伺服控制系统[ Ｊ] . 桂林电子科技大学学
Ｔａｂｌｅ ２ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｄａｔａ
俯仰
周期 / ｓ
的船用卫星电视天线控制系统[ Ｊ] . 信息化研究ꎬ
[３] 凌鸣ꎬ陈光喜ꎬ贺文ꎬ等. 基于 ＳＴＭ３２Ｆ４ 的船载动
表 ２ 各个卫星数据
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
卫星
外形尺寸 / ｃｍ
船载卫星 Ｖ１２０
１６３ × １７５
船载卫星 Ｓ２８０
本文船载卫星
１２３ × １４０
２０ × ２８
跟踪角速度 / [ ( °)ｓ － １ ]
９０
６０
９０
１ ２ 系统功能
伺服控制系统 的 控 制 核 心 为 ＳＴＭ３２ 单 片
报ꎬ２０１８ꎬ３８(５) :４０１ － ４０６.
[４] 赵来定. 一种车载卫星通信跟踪技术[ Ｊ] . 南京邮
电大学学报( 自然科学版) ꎬ２０１４ꎬ３４(５) :８０ － ８６.
[５] 戴立ꎬ李军ꎬ陈嘉. 车载“ 动中通” 伺服控制系统的
设计与实现[ Ｊ] . 控制工程ꎬ２０１９ꎬ２６ ( ６ ) :１０４２ －
编码器和两路瑞士 ｍａｘｏｎ 电机组成. 控制器采
用 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ 单片机作为主控芯片ꎬ主控板负
０° ~ ６０°. 另外ꎬ此系统还采用霍尔传感器进行限
位. 天线安装系统如图 １ 所示. 用 ８ 个 Ｍ４ × ８ 的
内六角圆柱头螺钉将天线顶部压板、天线和左右
责接收和处理上位机接收的卫星信号ꎬ进而控制
是启动电机 ２ 的标识符ꎬ如果电机开始转动ꎬ这
基于单片机控制的天线伺服系统
基于单片机控制的天线伺服系统
杨培;刘彬;刘景林
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2005(33)1
【摘要】文章介绍了一种基于单片机控制的天线伺服系统,并对系统的工作原理、基本结构、控制方案、驱动技术等进行了分析探讨.实测结果表明,该系统具有优良的运行精度和稳定性.
【总页数】2页(P27-28)
【作者】杨培;刘彬;刘景林
【作者单位】西北工业大学,西安,710072;西北工业大学,西安,710072;西北工业大学,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TM383.6
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基于C8051F020单片机的便携式地球站伺服系统
基于C8051F020单片机的便携式地球站伺服系统
冯加骥
【期刊名称】《电子元器件应用》
【年(卷),期】2008(10)12
【摘要】便携式卫星地球站是一种可以快速展开组建通信链路.实现音视频传输等高级业务的超小口径卫星天线系统(USAT),可应用于应急通信和即时通信系统.文中研究了基于C8051F020的新型便携式卫星地球站伺服系统的实现方法.
【总页数】4页(P22-24,29)
【作者】冯加骥
【作者单位】南京邮电大学,江苏,南京,210003
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
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2012年4月内蒙古科技与经济A pril 2012 第7期总第257期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy &Economy N o .7T o tal N o .257基于单片机的卫星天线伺服系统邢建钢,田世军(内蒙古广播电影电视局501台,内蒙古呼和浩特 010070) 摘 要:介绍了卫星天线伺服系统的主要任务是使天线快速而准确地转动到应对准的目标卫星。
针对各个跟踪系统的方案所具有的各自不同的针对性,探讨了天线伺服系统的最佳方案。
关键词:卫星天线;稳定控制系统;单片机;步进电机 中图分类号:T M 383.6∶T N 828 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)07—0069—021 卫星天线伺服系统的硬件设计1.1 天线及其控制器硬件设计硬件是指单片机微处理器及其外围设备之和,包括:中央处理器、存储器、显示器、人机对话的键盘、D /A 转换器、A /D 转换器、接口电路和驱动电路等。
微处理器是整个跟踪系统程序执行的核心,它负责完成被控对象的各种参数的判断、监控和处理;微电脑的接口是信息的传输通道,其主要作用是微处理器通过传输通道将电信号转换成各种驱动信息,来完成对外设的控制动作,其次是主机与外设之间负载的匹配、电平的转换和电器隔离等。
执行机构是机械部分包括各种继电器、电机、电磁铁等。
天线跟踪系统控制器的总体硬件结构图如图1所示。
图1 硬件系统框1.2 天线控制器的硬件模块整个天线控制器的应用系统主要包含如下机构模块:单片机模块、电机驱动模块、信号采集提取模块。
1.2.1 单片机的选型笔者采用At m el 公司16位80C51系列单片机AT 89C 51结构,作为系统的主控芯片,分别控制方位电机和俯仰电机。
作为主机负责控制方位电机和俯仰电机及其键盘处理等功能。
1.2.2 信号采集取样模块采集取样模块包含了直流信号电平的采集。
由于所需采集的电压值采样范围0～+7.5V,所以在选取的时候要用AD 574转换器A /D 转换,8位的数据格式输出。
自动控制寻星系统信号的取样,一般采用卫星转发的信标信号,信标接收机传送给微处理器产生相应的控制信号,但对于本文的设计不合适,一是设备复杂,二是造价高。
数字卫星接收机在自动控制寻星时,自身有一些检测,如信号强度显示、纠错等,这些功能反映了接收信号的各项指标,并且提供了提取接收信号电平的方法。
信号的强弱可通过AGC 电平来反映。
将A GC 电路提取的信号转换成对数,就是用分贝值表示了信号强度。
但仅靠AGC 电平,是无法分辨出是原发信号还是噪声干扰信号。
因此信号强弱的表示必须要和载噪比综合起来考虑。
载噪比是反映数字机的一项重要指标,它的原理是计算接收信号星座的离散性。
在传输信道中,噪声越大,离散性越大。
所以对载噪比的检测要从计算星座的离散性入手,对接收到的每个符号,计算它的星座位置与理想位置的距离(矢量),然后求统计平均值。
当统计平均值(离散度)越大,表明载噪比越差。
除了噪声以外,干扰信号也会导致星座的离散。
所以,上面计算的载噪比中实际上是载-噪比(C /N )和受干扰时的信-干比(SIR)。
数字接收机也具有锁定检测功能,锁定检测包括两个方面的内容:其一载波锁定检测;二时钟锁定检测。
当调谐器进行QP SK 解调时,调谐器本振信号与输入载波就实现了锁相,此时调谐器会输出一个CF (Carrier reco very Flag )标志。
解调出数据信号,时钟开始恢复,并对接收的符号进行计数。
在L ink 电路中使用了一个计数器对B8H 进行加减计数,B8H 是由204字节包中每过8个包翻转成的,同步字节是47H 。
正向计数溢出时会产生(T iming lock Flag )标志。
出现T F 标志意味着接收的T S 流已经实现同步,对于“盲扫”的接收机而言,确定了相邻B8H 字节的时间间隔还意味着搜索到了接收信号的符号率,也就是完成了对符号率的盲扫。
CF 标志和T F 标志进行逻辑“与”,就产生了锁定指示,即LK (Lo ck )指示。
只要卫星接收机发出了锁定指示,就表示已经稳定了收到的信号。
反之,当接收机失锁时,MP EG-2解码器停止解码,同时机器发出失锁告警,此时显视器上将显示黑屏或静帧。
综上所述,数字卫星接收机的检测信号功能均在主机CPU 的控制下,由L ink 电路来完成。
所有的检测结果可通过串行数据口输出,对应着ST i5518・69・ 收稿日期:2012-02-18 总第257期 内蒙古科技与经济芯片的串行I/O 电路(RS-232接口)。
通过更改设置,输出的检测结果,可提供给诸如干扰识别仪或雨衰控制器之类的设备做参考。
当遭到干扰时,接收信号的信噪比下降,误码率上升;当有雨衰时,信噪比和接收信号的电平都下降,监测仪器以此做为判据,而卫星数字接收机就可作为数据采集器之用。
笔者采集的直流电平是来自于数字接收机中对应于AGC 的信号强度,即是指还没有转换为对数之前的直流电平。
1.2.3 电机及其驱动模块步进电机控制系统一般是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。
本文用单片机代替步进控制器,单片机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列,并实现方向控制,每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲,它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步,根据步距角度的大小及实际走的步数,只要知道初始位置,便可知道步进电机的最终位置。
所以主要解决两个问题:其一用软件实现脉冲序列;二步进电机的方向控制。
1.2.3.1 脉冲序列。
在步进电机控制程序中解决的一个重要问题,是产生一个周期性脉冲序列,从图2中可以看出脉冲是用脉冲的高度、周期、断开与接通的时间来表示,脉冲高度是由数字电路决定的,通常CMOS 电平为0～10V ,T T L 电平为0～5V 等,一般使用接口电路为0～5V 。
断开和接通的时间用延时的方法控制。
图2 周期性脉冲序列例如当向步进电机输出高电平(接通)时,步进电机开始步进,由于步进电机的“步进”是有一定步长的。
由计算机控制输出脉冲决定步进电机的步长,使步进电机达到指定位置。
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序有关,通常有三相、四相、五相、六相4种。
1.2.3.2 方向控制。
步进电机的三相分别定义为A 、B 、C ,每一循环周期的通电状态数称为拍。
文中采用的控制方式为三相六拍,步距角为1.8°。
各相通电顺序为A -AB -B -BC -C -CA -A 的循环通电方式;若要电机反方向转动,只需将供电顺序反方向成C-CB-B-BA -A -AC-C 的循环通电即可。
因此,对于天线系统中俯仰轴和支架轴使用的混合式三相步进电机的驱动模块,采用了86BYG 系列专用的驱动模块WZM -3H 090M S (由于篇幅所限连接图未附)。
2 自动寻星扫描的流程及原理2.1 天线的方位角以及俯仰角的计算方法天线的指向是对地理坐标而言的,它分为方位角和俯仰角。
方位角以方位旋转轴为轴,以地理南极为起始点,顺时针方向旋转到天线指向的水平所经过的角度;俯仰角是指天线以俯仰轴为轴,从水平方向为起点,向上旋转到天线指向的俯仰所经过的角度。
当天线指向对准卫星时,我们称此时天线方位角度、仰角度为天线的目标指向。
现给出俯仰和方位角的计算公式及其推导过程,参见图3。
AC :AP 连线在过地球上A 点的切面(后称地面)上的投影;AD:从地面站指向正南方的射线;Q:地面站的纬度; :地面站的经度与卫星的经度差,即 站- 星;:仰角; :方位角; :地球平均半径,约为6378km。
图3 方位角和仰角的示意图2.1.1 求仰角从接收点A 仰望卫星P 的视线AP 与地面的夹角即为仰角,图3中的 。
2.1.1.1 判定CP 、OA 、AP 、OP 、AC 共面。
因为PC 垂直于地面,OA 垂直于地面,所以PC 平行于OA,P C 、OA 能确定一个平面。
直线AO 、AC 、A P 分别有两点在PC 和OA 上,根据“如果一条直线上的两点在一个平面内,那么这条直线上所有的点都在这个平面内”可判定CP 、OA 、A P 、OP 、AC 共面。
2.1.1.2 求角。
在图3中,过A 点作OD 的垂线,交OD 于E,过E 点做OP 的垂线,交OP 于F,连接EF 。
OA =r ,OE =rcos ,OF =rco s cos 。
根据“如果两个平面互相垂直,那么在一个平面内垂直于它们的交线的直线必垂直于另一个平面”。
经过地面站的经线圈所在的面,垂直于赤道所在的面,AE 垂直于赤道面,所以AE 也垂直于EF 。
A F =A E 2+A F 2=r 2sin 2 +r 2cos 2 si n 2 cos =OA 2+OF 2-A F 22OA OF=r 2+r 2cos 2 cos 2 -r 2sin 2 -r 2cos 2 si n 2 2r 2coscos =1+cos 2 cos 2 -sin 2-cos 2 sin 2 2cos cos=cos 2 +cos 2 cos 2 -cos 2 sin 2 2cos cos=cos 2 (1-sin 2 +cos 2 )2cos cos =2cos 2cos 22cos cos=cos cos2.1.1.3 求仰角令r +h=M A B =rt g OB =rsec ∠A OB =∠BPCB P =M -rsec BC =(M -rsec )sin =M sin -rtgP C =(M -r sec )cos =M cos -rT g =PCA C =M cos -r r tg +Msin -r tg=cos -r /M sin (下转第73页)・70・ 栗泉生,等・应用CAD 软件设计有线电视网络工程图纸2012年第7期 表1楼层频率(M Hz)光机点输出电平(dBuv )光节点至主分配器电缆长度(m )电缆型号电缆衰减(d B)主分配器衰减(dB )(过流204)主分配器至分配器电缆长度(m )电缆型号电缆衰减(dB)分配器衰减(dB)150100-121.7819-70.6010097 2.390.708601067.49 2.40集中分配器至用户盒电缆长度(m )电缆型号电缆衰减(dB)分配器衰减(dB )集中分配器至用户盒电缆长度(m )电缆型号电缆衰减(dB)用户分配器衰减(dB)用户盒衰减(dB )总衰减(dB)用户电平(dBuv)-50.01320-50.901250.014.5 1.20432650.014.53.844165图10地勘测,单元管道井之间连接为弱电桥架,光站设计在地下-1层,由光站输出4条同轴电缆到4个单元的总分配器端口,电缆的粗细设计,采用远粗近细,尽量做到不浪费的原则,见图10;长度确定以后,把电缆的规格、分配器的衰减填入电平计算表,见表1,根据计算结果,再进一步的调整电缆的粗细设计,以及光站的每一个输出口的电平的设计标注,见图11。