應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)車(chē)載衛(wèi)星的找星定位

劉彬

【摘 要】介紹了油氣田應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)中一種車(chē)載衛(wèi)星自動(dòng)尋星系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并闡述了系統(tǒng)的基本原理。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信；自動(dòng)跟蹤；MSP430單片機(jī)

0.概述

衛(wèi)星通信作為當(dāng)今通信傳輸領(lǐng)域的三大支柱之一，以其傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，通信方式靈活多樣，以及不受地理和自然環(huán)境影響而成為應(yīng)急通信的主要手段。近年來(lái)，車(chē)載衛(wèi)星通信成為油氣田應(yīng)急指揮系統(tǒng)中的重要通信方式之一，它可以在現(xiàn)場(chǎng)迅速展開(kāi)天線，并快速自動(dòng)尋星，提供迅速、有效的即時(shí)通信，保障了油氣田生產(chǎn)過(guò)程中突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)對(duì)能力?，F(xiàn)在，車(chē)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為一種小型化的能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋星和跟蹤鎖定的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要呈現(xiàn)出業(yè)務(wù)臨時(shí)的特點(diǎn)，這就面臨著如何快速，準(zhǔn)確的找準(zhǔn)衛(wèi)星的問(wèn)題。本文以基于MSP430的車(chē)載GPS終端與電子羅盤(pán)相結(jié)合為例，闡述車(chē)載衛(wèi)星系統(tǒng)尋星及跟蹤鎖定功能的實(shí)現(xiàn)。

1.基本原理

本系統(tǒng)的核心為天線快速跟蹤平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)星，跟蹤鎖定衛(wèi)星信號(hào)。該平臺(tái)將天線伺服控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)整合在一起，通過(guò)高靈敏度的傳感器感知系統(tǒng)的方位，俯仰和極化角度值，并通過(guò)坐標(biāo)變換和耦合分解計(jì)算出天線轉(zhuǎn)動(dòng)的補(bǔ)償角度。

2.硬件部分

天線控制系統(tǒng)框架圖

天線伺服控制系統(tǒng)核心采用T I 公司的MSP430F149 單片機(jī)。該單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，具有16 位的RISC結(jié)構(gòu)，CPU 中的16 個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率，在8MHZ 的晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125us。靈活的時(shí)鐘源可以使期間達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器（DCO）可使元件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式。片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps。為了能夠快速準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，采用美國(guó)KVH 公司生產(chǎn)的C100 電子羅盤(pán)，它采用磁通門(mén)技術(shù)，航向精度可達(dá)到0.5°以內(nèi)，通過(guò)其數(shù)字接口，可提供地球磁場(chǎng)X、Y 軸的水平分量，通過(guò)電子羅盤(pán)，來(lái)采集天線起始方位數(shù)據(jù)。利用G-503 GPS 獲取天線系統(tǒng)所在地的經(jīng)緯度。利用AT-201-SC傾角儀測(cè)量天線的傾斜角度，傾角儀通過(guò)硅微機(jī)械傳感器測(cè)量以水平面微參面的雙軸傾角變化，輸出傳感器相對(duì)于水平面的傾斜和俯仰角度。極化的調(diào)整使用的是直流電機(jī)，通過(guò)采集極化電位器的電平值，來(lái)得到相應(yīng)的極化角度。方位和俯仰通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速齒輪和齒輪帶帶動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)MAX202EWE 和F16V8 組成的片選電路進(jìn)行GPS，傾斜儀數(shù)據(jù)，電子羅盤(pán)數(shù)據(jù)的信號(hào)通道的切換。通過(guò)信標(biāo)接收機(jī)來(lái)識(shí)別衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)。

3.軟件部分

系統(tǒng)加電開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行主控單元MSP430F149 的初始化，包括端口，模數(shù)轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘，定時(shí)器，串口等的初始化。初始化完成后，讀入傾斜儀數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷。一般情況下，天線最初都處于收藏狀態(tài)，傾斜儀的讀數(shù)為負(fù)，天線的俯仰需要上抬，使天線俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行于水平面，天線的方位軸線垂直于水平面。此時(shí)主控電路會(huì)讀入GPS 和電子羅盤(pán)數(shù)據(jù)（AL）。GPS 所得到的系統(tǒng)所在地的經(jīng)緯度為（θL，ΦL）， 衛(wèi)星的經(jīng)度用 表示。通過(guò)以下的公式計(jì)算出天線所在地的理論方位角（θs），俯仰角（Az）和天線饋源的極化角度值（Pol）：

Az=tan-1 （1）

EL=tan-1

（2）

通過(guò)和可以判斷出天線的走步方向及走步的角度值。當(dāng)天線走到理論方位后，天線會(huì)上抬到理論俯仰角。然后會(huì)把饋源轉(zhuǎn)到理論極化角。由于理論值和實(shí)際值存在著一定的誤差，所以在天線走到理論位置后，方位要在理論方位正負(fù)15°內(nèi)進(jìn)行搜索，俯仰方向會(huì)在上下5°內(nèi)進(jìn)行搜索。當(dāng)接收的信標(biāo)信號(hào)的agc電平與背景噪聲的差值大于門(mén)限值的時(shí)候，天線便進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。接下來(lái)天線根據(jù)信號(hào)電平的變化進(jìn)行螺旋式搜索，軌跡由大變小，直到信標(biāo)信號(hào)agc 電平最大，此時(shí)天線便進(jìn)入鎖定狀態(tài)。我們可以認(rèn)為天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)了衛(wèi)星。如果天線在搜索狀態(tài)時(shí)沒(méi)有找到衛(wèi)星，會(huì)重新回到理論位置，進(jìn)行新的搜索，如此循環(huán)，直到最后鎖定衛(wèi)星。

4.結(jié)語(yǔ)

本文給出了車(chē)載衛(wèi)星定位系統(tǒng)的硬件與軟件的整體實(shí)現(xiàn)方式。經(jīng)試驗(yàn)證明，本套系統(tǒng)具有很好的性能指標(biāo)。能夠快速準(zhǔn)確的找準(zhǔn)衛(wèi)星，具有很好跟蹤性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]丹尼斯·羅迪.衛(wèi)星通信.人民郵電出版社，2002，5.

[2]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例.北京航空航天大學(xué)出版社，2002，11.