ARM9的快速對星裝置原理及設(shè)計實現(xiàn)

大中型衛(wèi)星站均具有相應(yīng)的、完善的天線跟蹤伺服系統(tǒng)，天線伺服跟蹤系統(tǒng)依據(jù)信標信號強弱，決定天線轉(zhuǎn)向，驅(qū)動天線旋轉(zhuǎn)，達到準確對星。隨著通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，小型衛(wèi)星站如車載站、便攜站受機動性能和便攜性能的局限，不可能采用大中型衛(wèi)星站才能使用的伺服跟蹤系統(tǒng)，采用不同原理，開發(fā)適用于小型衛(wèi)星站天線的對星裝置，具有現(xiàn)實意義。

　　1 系統(tǒng)概述

　　該裝置通過GPS采集地理信息、電子羅盤采集姿態(tài)信息，根據(jù)GPS采集的地理信息，結(jié)合通信衛(wèi)星位置，計算出對星所需要的標準方位、俯仰、極化參數(shù)，同時計算出當?shù)亍斈甏牌菙?shù)據(jù)；通過采集電子羅盤數(shù)據(jù)，得到初步方位、俯仰、極化數(shù)據(jù)，其中俯仰和極化均為天線實際指向值，但是方位值是以磁北為標準測量值；通過GPS得到的磁偏角數(shù)據(jù)，對從電子羅盤得到的以磁北為標準的方位值進行修正，得到比較準確的、以真北為標準的真實方位數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中基于EVC4平臺的多線程應(yīng)用程序流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2 硬件設(shè)計

　　本裝置在設(shè)計上，選擇S3C2440作為主控制器構(gòu)成硬件平臺，利用其豐富的外部接口和高速處理能力，達到實時采集數(shù)據(jù)、及時處理數(shù)據(jù)、快速傳輸數(shù)據(jù)、不附加額外接口設(shè)備的目的。由于該裝置需要測量的參數(shù)多，GPS、電子羅盤統(tǒng)一采用RS 232接口，保證了測量數(shù)據(jù)精度和接口一致性。供電統(tǒng)一采用+5 V鋰電池電源供電。

　　3 軟件設(shè)計

　　本裝置采用ARM9作為主控制器，以Windows CE．net操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺，使用EVC4開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)工具，軟件采用多線程結(jié)構(gòu)，MFC和API編程技術(shù)，實時采集傳感器數(shù)據(jù)，計算修正方位值，達到準確對星的目的。

　　3．1 總體程序設(shè)計

　　本裝置程序采用多線程結(jié)構(gòu)，在主線程(用戶接口線程)的基礎(chǔ)上，增加兩個輔助線程(工作者線程)，輔助線程負責處理數(shù)據(jù)采集，主線程負責界面響應(yīng)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)顯示。線程處理采用API，而不采用MFC編程，增加了程序的通用性。程序中還使用Suspend-Thread掛起線程、ResumeThread恢復(fù)線程、Exit-Thread退出線程。

　　線程同步采用臨界區(qū)域(也稱關(guān)鍵區(qū)域，即CRITI-CAL SECTION)措施，首先用CRITICAL_SEC-TION申明一個全局變量，再調(diào)用InitializeCriticalSec-tion初始化，使用EnterCriticalSection進入關(guān)鍵區(qū)域，使用LeaveCriticalSection離開關(guān)鍵區(qū)域，使用Delete-CriticalSection函數(shù)刪除關(guān)鍵區(qū)域。其關(guān)鍵部分代碼如下：

　　3．2 HMR3000程序設(shè)計

　　電子羅盤數(shù)據(jù)輸出格式滿足NMEA0183通信協(xié)議規(guī)范，根據(jù)需求選用$PTNTHPR語句，每秒更新30次，基本滿足實時測量的要求。$PTNTHPR語句的數(shù)據(jù)格式為：

　　$PTNTHPR，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>*hh

　　各字段含義為：<1>表示方位值，<2>表示方位狀態(tài)，<3>表示俯仰值，<4>表示俯仰狀態(tài)，<5>表示橫滾值，<6>表示橫滾狀態(tài)，hh表示校驗和。采集數(shù)據(jù)程序在判斷各參數(shù)狀態(tài)正常的基礎(chǔ)上，從輸出語句中提取對應(yīng)參數(shù)值。其線程函數(shù)部分代碼如下：

　3．3 GPS模塊程序設(shè)計

　　GPS模塊數(shù)據(jù)輸出格式也滿足NMEA0183通信協(xié)議規(guī)范，根據(jù)需求選用$GPRMC語句，默認更新速率。$GPRMC語句的數(shù)據(jù)格式為：

　　$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh。

　　各字段含義為：<1>表示方位值，<2>表示方位狀態(tài)，<3>表示俯仰值，<4>表示俯仰狀態(tài)，<5>表示橫滾值，<6>表示橫滾狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)程序在判斷各參數(shù)狀態(tài)正常的基礎(chǔ)上，從輸出語句中提取對應(yīng)參數(shù)值。其線程函數(shù)部分代碼如下：

　　3．4 對星參數(shù)理論值計算

　　衛(wèi)星通信中重要的一步就是衛(wèi)星通信天線準確對準通信衛(wèi)星。對星需要三個參數(shù)：方位、俯仰、極化。下面分別是三個參數(shù)的計算公式，其中ψc是衛(wèi)星波束中心經(jīng)度，ψs為衛(wèi)星的經(jīng)度，ψg是接收地經(jīng)度，θ為接收地緯度。

　　衛(wèi)星通信天線方位角計算公式：

　　極化角通常位于式(3)和式(4)的計算值之間，為簡化計算常采用式(3)作為極化角計算公式使用。經(jīng)過GPS采集得到接收地經(jīng)度、緯度，結(jié)合衛(wèi)星經(jīng)度，采用C語言提供的數(shù)學(xué)函數(shù)可以很簡便地計算出天線準確對星需要的三個參數(shù)：方位、俯仰、極化。為對星操作提供理論標準值，將對星操作簡化為比對理論標準值，調(diào)整天線，使實際值與理論值完全一致，從而完成對星任務(wù)。

　　3．5 方位角修正程序設(shè)計

　　電子羅盤測量得到的是天線實際指向值，由于電子羅盤是根據(jù)地磁場測量出方位值，此方位值實際是以磁北為標準的方位值，而理論值是以真北為標準的方位值，這樣在電子羅盤測量值和理論計算值之間存在一個差值，此差值即為磁偏角。要使電子羅盤測量的方位值代表以真北為標準的方位值，必須在電子羅盤測量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行磁偏角的修正。

　　根據(jù)IGRF2005地磁場模型，利用NOAA的NG-DC提供的磁偏角計算程序，逐一計算覆蓋我國領(lǐng)土及周邊的磁偏角數(shù)據(jù)，其緯度為北緯10°～50°，經(jīng)度為東經(jīng)70°～140°，構(gòu)成41×71的二維數(shù)組，根據(jù)經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)提取磁偏角數(shù)據(jù)，與采集的羅盤數(shù)據(jù)進行運算，修正羅盤方位值，從而得到代表物體指向的比較準確的方位值。其部分代碼如下所示：

　　從電子羅盤得到的方位數(shù)據(jù)，經(jīng)過磁偏角修正，形成以真北為標準的真實方位數(shù)據(jù)，從而具有與理論對星參數(shù)比對的基礎(chǔ)。

　　4 應(yīng)用及結(jié)果

　　該裝置巧妙利用GPS模塊和電子羅盤模塊，在分別采集模塊數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用地理信息進行查表運算，得出當?shù)卮牌牵么牌切拚轿唬玫捷^為準確的方位指向數(shù)據(jù)。此裝置采用S3C2440ARM9芯片作為主CPU，Windows CE．Net為操作系統(tǒng)平臺；電子羅盤選用Honeywell HMR3000，GPS選用GARMINGPS25LVS，蘑菇頭天線，單一+5 V供電，輸出接口均為RS 232。該系統(tǒng)精度高、實時性好、界面直觀，具有廣泛的應(yīng)用前景。某型衛(wèi)星通信裝備，天線口徑1 m，工作于Ku波段，其半功率波瓣寬度近似計算公式為：θ=70λ／D，得到半功率波瓣寬度θ=1．75°；通過磁偏角修正后的電子羅盤角度指示誤差為ψ＝±0．5°，θ≥ψ，滿足應(yīng)用需求。2009年烏魯木齊的磁偏角為－2．93°，如果不加磁偏角修正，其誤差總和為2．93°+0．5°=3．43°，超過半功率波束寬度，無法完成對星任務(wù)。程序運行后界面如圖3所示。

　　5 結(jié) 語

　　經(jīng)過使甩證明：該裝置經(jīng)過磁偏角修正后，可以使用于方位精度要求±0．5°、傾角和橫滾經(jīng)度要求土0．1°的物體位置和姿態(tài)測量。經(jīng)過在昆明、喀什、北京等地實際使用測量，效果良好，平均對星時間由原來不確定減少到2 min以內(nèi)(實際測量平均時間為1．4 min)，改善效果明顯。使用中注意事項：由于此裝置采用的電子羅盤，利用地磁場根據(jù)磁阻傳感信息計算方位的原理，因此，此裝置在使用中要求盡量遠離框架式建筑物、鐵礦廠、鐵柵欄、鐵門鐵窗等大型硬鐵物質(zhì)，避免因硬鐵物質(zhì)對磁力線的影響，導(dǎo)致測量誤差大的情況出現(xiàn)。