基于单片机的卫星天线伺服系统

　2012年4月

内蒙古科技与经济

A pril 2012

　第7期总第257期

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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

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69・ 收稿日期:2012-02-18

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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 2

2OA OF

=r 2

+r 2cos 2 cos 2 -r 2sin 2 -r 2cos 2 si n 2 2r 2

cos

cos =

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 2

cos 2

2cos cos

=cos cos

2.1.1.3　求仰角

令r +h=M A B =rt g OB =rsec ∠A OB =∠BPC

B P =M -rsec B

C =(M -rsec )sin =M sin -rtg

P C =(M -r sec )cos =M cos -r

T g =PC

A C =M cos -r r tg +Msin -r tg

=cos -r /M sin (下转第73页)

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