基于-单片机便携式卫星天线快速对星系统.doc
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1、- -摘要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PASS信号,通过单片机来比拟分析,实现快速对准卫星的实施方案本文讨论并进展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 improve
2、ment of information technology, the requirement for portable satellite equipments is more and more, such as Home Satellite TV, wild carrying munication equipments and so on. Therefore, be able to quickly and accurately alignment with the satellite portable satellite equipment deserved to bee an impo
3、rtant research direction of satellite munication.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, implementationplan that the use
4、 of GPS and HMR3000 the PASS signal, through the single-chip to pare, 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- word.zl-
5、-目录第一章绪论- 1 -1.1课题研究背景与意义- 1 -1.2国外现状- 1 -1.3本文的总体设计方案- 1 -第二章卫星天线对星根底理论- 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根本过程- 7 -2.2 全球定位系统的根本理论- 7 -2.2.1全球定位系统的概述- 7 -2.2.2 GPS根本定位原理- 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.
6、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 PASS数据的采集与接收- 19 -结论- 22 -参考文献- 23 -致- 24 - word.zl- -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、覆盖围大、通信方式灵活、质量高、容量大、组网迅速根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
7、球个人移动通信和“信息高速公路通信需求迅速增长,极促进了全球卫星通信事业的开展,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奉献,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开展而发生变化因此,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拟简单,但在此对星系统的根底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(
8、高速低速紧急启动停顿转弯等)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随着人类社会的开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,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
9、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兴旺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局部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展比拟输出,采用手动粗调微调进展快速对星,目前暂时没有考虑直流异
10、步电机直流变压器负反响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120mm50mm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AT89C51GPS接收机模块液晶显示模块数字电子罗盘HMR3000稳压器等局部模块组成第二章卫星天线对星根底理论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
11、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上下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,分类出各不一样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
12、等工作频率比拟低的波段上面天线那么是由整块金属板 ( 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,其工作原理那么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,从而可到达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局部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假
13、设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;假设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,当卫星参数和效劳区域确定之后,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展正常工作,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: (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
14、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,天线俯仰角那么与地球半径R卫星高度H及P与S对地心的角有关,当R=R0=6378KM,H=35786KM时,其关系为可简化为: (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,方位角也是地理位置的经度和纬度的函数,它们的关系为即: (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一样的极化方式,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
15、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,2o为抛物面图2-2 抛物线几何关系的口径角,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
16、物面轴线平行的电波射线经一次(前馈式)或屡次反射(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,方向图越锋利,表示能量辐射越集中如图2-3为极坐标系的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
17、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0.5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1520dB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,否那么,在接收某一颗卫星信号时,会受到相邻卫星信号的
18、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,否那么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0.5可用下式估算: (2-4)即式中为工作波长,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,但两者又不尽一样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
19、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: (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(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根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,假设采用传统的人工调整,那么具体
20、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),便可承受到卫星信号;(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,那么天线指向为最正确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32.2 全球定位系统的根本理论2.2.1全球定位系统的概述这是
21、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,平安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效劳,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
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