劉彬

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

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信；自動跟蹤；MSP430單片機

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，車載衛(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)場迅速展開天線，并快速自動尋星，提供迅速、有效的即時通信，保障了油氣田生產(chǎn)過程中突發(fā)事件時的應(yīng)對能力?，F(xiàn)在，車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為一種小型化的能實現(xiàn)自動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)臨時的特點，這就面臨著如何快速，準(zhǔn)確的找準(zhǔn)衛(wèi)星的問題。本文以基于MSP430的車載GPS終端與電子羅盤相結(jié)合為例，闡述車載衛(wèi)星系統(tǒng)尋星及跟蹤鎖定功能的實現(xiàn)。

1.基本原理

本系統(tǒng)的核心為天線快速跟蹤平臺，能實現(xiàn)自動對星，跟蹤鎖定衛(wèi)星信號。該平臺將天線伺服控制系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)整合在一起，通過高靈敏度的傳感器感知系統(tǒng)的方位，俯仰和極化角度值，并通過坐標(biāo)變換和耦合分解計算出天線轉(zhuǎn)動的補償角度。

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。該單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，具有16 位的RISC結(jié)構(gòu)，CPU 中的16 個寄存器和常數(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)動下，指令周期為125us。靈活的時鐘源可以使期間達(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KVH 公司生產(chǎn)的C100 電子羅盤，它采用磁通門技術(shù)，航向精度可達(dá)到0.5°以內(nèi)，通過其數(shù)字接口，可提供地球磁場X、Y 軸的水平分量，通過電子羅盤，來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傾角儀測量天線的傾斜角度，傾角儀通過硅微機械傳感器測量以水平面微參面的雙軸傾角變化，輸出傳感器相對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，通過采集極化電位器的電平值，來得到相應(yīng)的極化角度。方位和俯仰通過步進(jìn)電機進(jìn)行驅(qū)動，通過減速齒輪和齒輪帶帶動天線運動。通過MAX202EWE 和F16V8 組成的片選電路進(jìn)行GPS，傾斜儀數(shù)據(jù)，電子羅盤數(shù)據(jù)的信號通道的切換。通過信標(biāo)接收機來識別衛(wèi)星信標(biāo)信號。

3.軟件部分

系統(tǒng)加電開機后，首先進(jìn)行主控單元MSP430F149 的初始化，包括端口，模數(shù)轉(zhuǎn)換，時鐘，定時器，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)動軸平行于水平面，天線的方位軸線垂直于水平面。此時主控電路會讀入GPS 和電子羅盤數(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。通過以下的公式計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，天線會上抬到理論俯仰角。然后會把饋源轉(zhuǎn)到理論極化角。由于理論值和實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，俯仰方向會在上下5°內(nèi)進(jìn)行搜索。當(dāng)接收的信標(biāo)信號的agc電平與背景噪聲的差值大于門限值的時候，天線便進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。接下來天線根據(jù)信號電平的變化進(jìn)行螺旋式搜索，軌跡由大變小，直到信標(biāo)信號agc 電平最大，此時天線便進(jìn)入鎖定狀態(tài)。我們可以認(rèn)為天線已經(jīng)對準(zhǔn)了衛(wèi)星。如果天線在搜索狀態(tài)時沒有找到衛(wèi)星，會重新回到理論位置，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

本文給出了車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)的硬件與軟件的整體實現(xiàn)方式。經(jīng)試驗證明，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.

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