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基于C8051F130的动中通天线控制系统

1 引 言

随着卫星应用技术的发展,越来越多的信息通过卫星进行传输。车载卫星通信由于基本不受地域和自然条件的限制,以及其通信距离远、质量好和灵活机动性等特点,逐渐受到人们的青睐。为了使载体运动中稳定收发卫星信号,实现运动中稳定地进行数据、话音、图像的传输,必须为动中通天线系统引入稳定控制功能,这类天线稳定系统国外发达国家已经有了成熟的技术解决方案,而且被广泛应用于军事和商业领域。国内研制起步较晚,目前也取得了一定的成果[1]。

随着车载卫星通信的广泛应用,用户对产品的功能、可靠性、价格、体积等方面的要求越来越高。本文研究的动中通天线系统工作于Ku频段,采用O.6 M小口径天线,天线控制系统选用高性能高速单片机C8051F130为系统核心处理器,提高了系统处理速度,同时采用圆锥扫描自动跟踪机制,构成了天线位置反馈闭环系统,实现天线姿态的高精度快速稳定跟踪,使天线的中心轴始终对准卫星,从而保证在运动中实现可靠的卫星通信。

2 系统构成及工作原理

动中通天线控制系统主要由传感系统(三轴陀螺和HMR3000)、监控计算机以及系统核心处理器C8051F130等组成,系统框图如图1所示。

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C8051F130是一款由Cygnal公司新推出的高性能高速单片机,具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核,执行指令最快速度可达100 MIPS,与8051系列比较增加了很多的资源,他在片内集成了构成一个单片机数据采样或控制系统所需的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件。将C8051F130应用于动中通天线控制系统,可加快处理速度、充分利用其片上的功能模块,达到更好的控制效果,并可简化硬件电路,提高系统的可靠性。

在系统设计中用到了C8051F130以下外围模块功能:

(1)A/D采样:将敏感天线姿态变化的方位、俯仰、横滚三轴陀螺的传感信号通过A/D转换通道送给处理器。

(2)定时模块:实现采样定时(5 ms)和控制周期定时(20 ms)。

(3)异步通信:C8051F130提供2个串行通信口Vart0和Uart1,通过RS 232模块MAX202ECPE实现处理器和HMR3000、监控计算机的数据通讯。

(4)FLASH数据存储:存储控制系统的一些固定参数。

(5)基本I/O口:实现执行电机的驱动和控制。

整个系统工作原理:系统初始化后,首先进行卫星参数选择,然后监控计算机通过接收GPS信号获取动中通天线当前经纬度(φ1,θ1)定位坐标,根据公式(1)解算[2]得到跟踪卫星的天线方位A、俯仰E角(φ2为所选卫星经度,φ=φ2-φ1为星下点对所在位置的经度差)。

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当天线扰动时,敏感天线姿态变化的角速度压电陀螺绕着相应轴旋转产生与旋转速度成线性比例关系的输出电压,处理器每隔5 ms定时对陀螺输出电压信号进行A/D采样,根据陀螺测得的运动角速度,解算出系统稳定的角位置,经三轴陀螺回路校正,采用闭环控制策略将角位置补偿信号送入伺服系统,天线在驱动电机的控制下迅速捕获卫星。

由于载体的机动性强、姿态变化快、幅度大,以及陀螺的零点漂移等诸多复杂因素的影响,会引起原对准卫星的天线偏离卫星,使通信中断,因此系统在陀螺稳定的基础上还需配以圆锥扫描跟踪体制[3],使卫星接收机输出的AGC信号超过预设门限值,达到高精度跟踪卫星,从而实现移动中稳定地通信。 3控制策略和圆锥扫描

3.1控制策略

根据角速度压电陀螺测得的运动角速度,解算出系统稳定的角位置补偿量δ=η×[A]×T(η为陀螺输出,[A]为坐标转换矩阵,T为控制周期),驱动步进电机作前馈补偿保证了系统稳定的快速性;同时根据HMR3000高精度空间指向的输出进行系统指向闭环修正,弥补了开环控制中由于陀螺零点漂移所带来的系统偏差,两者相辅相成,完成了天线系统的高精度快速稳定[4]。如图2所示。

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3.2圆锥扫描自动跟踪机制

本系统采用抛物面圆口径天线,天线口径D=0.6 m,焦距f=0.32 D,副面切向圆直径d=70 mm,高h=9.48 mm,材料为铝材,质量约为51 g。传统的圆锥扫描大多采用旋转偏焦馈源的方式。鉴于本系统副面质量轻,采用旋转副面方式进行圆锥扫描,与传统旋转副面相比,无需空心电机,具有机械转动结构简单、电路设计易于实现、造价低等特点。选用普通低速直流电机,先将天线波束轴偏离目标轴一定角度,驱动电机旋转副面使天线波束轴绕目标旋转轴以一定的频率呈圆锥状旋转。如果跟踪目标偏离旋转轴,接收机输出的信号幅度受波束扫描调制,形成调幅的误差信号,调制度的大小与角误差成正比,相位由目标偏离方向泱定。因此,波束扫描时形成的调幅误差信号包含了目标角误差的全部信息。圆锥扫描跟踪天线输出的误差信号经接收机放大和检波后,输送到方位、仰角误差相位检波器,误差相位检波器的基准信号分别是频率相同(圆锥扫描频率)而相位正交的正弦、余弦信号。相位检波器的输出即为方位,仰角误差信号,经功率放大后控制天线旋转,使旋转轴指向朝着角误差溅小方向运动[5]。天线波束圆锥扫描空间关系见图3,ε为误差角,δ为波束偏角。

为了实现系统对卫星的快速跟踪,还必须提高接收机AGC信号电平输出的采样速率,这样可以加快天线的调整速率,相应就该提高圆锥扫描频率。然而扫描频率的选择受天线结构抗震性能和信号接收机性能的影响,经过反复试验确定了一个比较适合本系统的2 Hz扫描频率。

4系统软件设计

动中通天线控制系统软件按其功能和结构特点主要分为4个模块,即初始化模块、卫星信息模块、姿态解算模块以及自动跟踪模块。

初始化模块 主要完成系统的初始化,首先是单片机初始化,包括片内外围的初始化,RAM,A/D初始化,串口初始化,数字I/O口初始化,定时器初始化等;然后通过采样HMR3000信号对天线的姿态进行初始化,建立初始化天线稳定平台。

卫星信息模块 主要完成卫星参数输入、修改、删除和保存等编辑功能,实现从界面上监视卫星状态、天线状态以及AGC信号电平。

姿态解算模块 主要完成天线对星角由地理坐标系到载体坐标系的坐标转换和扰体误差补偿转换等功能。

自动跟踪模块 实现天线稳定的空间指向,他是整个软件系统的核心,可分为定时中断处理和串行中断处理。定时中断处理主要完成与时间有关的周期性任务,包括陀螺输出A/D采样,驱动定时以及控制周期等。定时中断设计为每5 ms一次,中断处理程序内部设计一个软计数器,用于控制周期为20 ms的处理程序。串行中断处理模块主要完成监控机指令,GPS数据,HMR3000,AGC信号等的接收。

系统软件流程图如图4所示。

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5 结语

C8051F130单片机运算速度快,可在线编程调试,片内资源丰富,加上采用旋转副面的圆锥扫描方式,提高了天线控制系统的整体性能且降低了系统实现的技术难度。系统完成调试后在三轴转台上进行了测试,测试结果表明:天线跟踪精度可达到0.1°(r.m.s),初始对星时间≤1 min,满足车、船用条件下的各种性能要求。随着卫星移动通信的进一步发展,具有高性能、低成本等特点的基于C8051F130的动中通天线控制系统将会有广阔的市场前景。

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