基于-单片机便携式卫星天线快速对星系统.doc

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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 HMR3000

ABSTRACT
With the social progress and the improvement 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 important 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 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

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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 -
3.2.1AT89C51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 -

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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(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120mm×50mm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AT89C51､GPS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θ那么与地球半径R､卫星高度H及P与S对地心的角β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φ也是地理位置的经度λ和纬度φ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,2φo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φ0.5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15~20dB｡
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φ0.5可用下式估算:
(2-4)
即式中λ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[3]｡
2.2 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卫星星座己布设完成｡
l GPS的组成
GPS全球卫星定位系统由三局部组成:
空间局部———GPS星座;
地面控制局部———地面监控系统;
用户设备局部———GPS 信号接收机｡
1.空间局部
GPS的空间局部是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°｡此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行｡卫星的分布使得在全球任何地方､任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象｡这就提供了在时间上连续的全球导航能力｡GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方效劳｡C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用｡
2.地面控制局部
地面控制局部由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成｡监测站均配装有精细的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的承受机｡监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站｡主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站｡地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星｡这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用围之前进展最后的注入｡如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低｡
3.用户设备局部
用户设备局部即GPS 信号接收机｡其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行｡当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据｡根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进展定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度､高度､速度､时间等信息｡
接收机硬件和机软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备｡GPS 接收机的构造分为天线单元和接收单元两局部｡接收机一般采用机和机外两种直流电源｡设置机电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测｡在用机外电源时机电池自动充电｡关机后,机电池为RAM存储器供电,以防止数据丧失｡目前各种类型的承受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用｡
l GPS的主要特点
①全天候;②全球覆盖;③三维定速定时高精度;④快速省时高效率:⑤应用广泛多功能｡
l GPS的主要用途
①陆地应用
主要包括车辆导航､应急反响､大气物理观测､地球物理资源勘探､工程测量､变形监测､地壳运动监测､市政规划控制等;
②海洋应用GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置｡简言之,GPS定位原理是一种空间的距离交会原理｡
包括远洋船最正确航程航线测定､船只实时调度与导航､海洋救援､海洋探宝､水文地质测量以及海洋平台定位､海平面升降监测等;
③航空航天应用
包括飞机导航､航空遥感姿态控制､低轨卫星定轨､导弹制导､航空救援和载人航天器防护探测等[5]｡
2.2.2 GPS根本定位原理
GPS导航系统的根本原理是测量出位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置｡
要到达这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出｡而用户到卫星的距离那么通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文｡
GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码｡C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m｡而Y码是在P码的根底上形成的,性能更佳｡导航电文包括卫星星历､工作状况､时钟改正､电离层时延修正､大气折射修正等信息｡它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的｡导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s｡前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次｡后两帧共15000b｡导航电文中的容主要有遥测码､转换码､第1､2､3数据块,其中最重要的那么为星历数据｡当用户承受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做比照便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84坐标系中的位置速度等信息便可得知｡
可见GPS导航系统卫星局部的作用就是不断地发射导航电文｡然而,由于用户承受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x､y､z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来｡所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号[6]｡
利用GPS进展定位的方法有很多种｡假设按照参考点的位置不同,那么定位方法可分为
(1)绝对定位｡即在协议地球坐标系中,利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置,也叫单点定位｡这里可认为参考点与协议地球质心相重合｡GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系｡因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标｡
(2)相对定位｡即在协议地球坐标系中,利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点(点)之间的相对位置｡也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量｡
按用户接收机在作业中的运动状态不同,那么定位方法可分为
(1)静态定位｡即在定位过程中,将接收机安置在测站点上并固定不动｡严格说来,这种静止状态只是相对的,通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化｡
(2)动态定位｡即在定位过程中,接收机处于运动状态｡
GPS绝对定位和相对定位中,又都包含静态和动态两种方式｡即动态绝对定位､静态绝对定位､动态相对定位和静态相对定位｡
假设依照测距的原理不同,又可分为测码伪距法定位､测相伪距法定位､差分定位等[7]｡

第三章卫星天线的快速对星系统的硬件设计
3.1系统总体设计方案
卫星天线的单片机快速对星系统主要由四大局部组成: GPS 接收模块局部､AT89C51 单片机数据处理局部､HMR3000数字电子罗盘局部､LCD液晶显示模块局部｡对星系统示意图如下列图3-1,当电源开关翻开后, GPS 接收模块首先接收到卫星天线所在位置的经度､纬度､时间等信息,AT89C51单片机数据处理局部立即将该数据进展计算处理得到当前卫星天线对星所需的方位角､俯仰角等天线理论姿态参数,结合HMR3000数字电子罗盘模块根据天线的当前姿态状况给出的卫星天线方位角､俯仰角､翻滚角等参数进展比拟取得其两者差值,并在LCD液晶显示模块上显示出来,此时卫星天线操作人员可根据以液晶显示模块上的方位角､俯仰角､翻滚角的数据信息进展反复粗调､微调,直到液晶显示模块上指示的角度差值(解算出的卫星天线理论角度值与实际卫星天线角度值的差值)小于0.2°,卫星天线即可准确接收到卫星信号[8]｡
GPS接收模块
电源
HMR3000数字罗盘
单片机数据处理局部
液晶显示局部

图3-1卫星天线的单片机快速对星系统
3.2系统硬件设计概述
3.2.1AT89C51单片机
系统电路的主芯片采用美国ATMEL公司的AT89C51 Flash单片机｡它与MCS-51系统产品兼容,具有4KB可编程Flash存储器,5V的电源使用电压,128×8位的部RAM,2个16位定时､计数器,6个中断源,以及低功耗空闲和掉电方式等一系列功能[9]｡
(1) 复位电路
单片机上电时,当振荡器正在运行时,只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成系统复位｡外部复位电路是为部复位电路提供两个机器周以上的高电平二设计的｡系统采用上电自动复位,上电瞬间电容器上的电压不能突变,RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差,因而RST上的电压与Vcc上的电压一样｡随着充电的进展,电容器上的电压不断上升,RST上的电压就随着下降,RST引脚上只要保持10ms以上的高电平,系统就会有效复位｡电容C可取10—33μF,电阻R可取1.2—10千欧｡在系统设计中,C取10μF,R取10千欧｡
(2)晶振振荡电路
XTAL1脚和XTAL2脚分别够成片振荡器的反相放大器的输入和输出端,外接石英晶体或瓷振荡器以及补偿电容CI,C2构成并联谐振电路｡当外接石英晶体时,电容CI,C2选20pF;AT89C51单片机系统中晶振可在0—24MHz选择｡外接电容CI,C2会影响振荡器频率的上下､振荡器的稳定度､起振时间及温度稳定性｡在设计电路板时,晶振和电容应靠近单片机芯片,以便减少寄生电容,保证振荡器稳定可靠工作｡在系统设计中,为保证串行通信波特率的误差,选择了11.0529MHz的标准石英晶振,电容CI,C2为20pF｡

图3-2 AT89C51单片机的电源､复位､晶振振荡电路
3.2.2 GPS接收机
本设计采用的是GARMIN公司生产的GPS—LP型GPS—OEM接收板,其输出引脚功能如图3-3所示｡

图3-3 GPS—OEM板引脚图
GPS—OEM板各个引脚功能介绍如下:
引脚1:串行口2的数据输出端
引脚2:串行口2的数据输入端
引脚3:秒脉冲输出端
引脚4:串行口1的数据输出端
引脚5:串行口1的数据输入端
引脚6:掉电模式控制端
引脚7:外部备用电源输入端
引脚8:GND接地端
引脚9:Vin电源输入端
引脚10:同引脚9,电源输入端,部与引脚9相连
引脚11:空脚NC
引脚12:NMEA(美国海洋电子协会)0183,Verl.5格式语句输出端
由于使用的是LVS版本的GPS25—LP型GPS—OME板,所以串行口1,串行口2和NMEA口使用的都是RS—232电平,二单片机使用的是CMOS/TTL电平,因此GPS—OME板与单片机接口必须进展RS—232电平和CMOS/TTL电平的转换｡
RS—232是一步转型通信中应用最早的,也是最广泛的标准串行总线之一｡它原是基于公用网的一种串行通行标准｡它的逻辑电平以公共地为对称,其逻辑0电平规定在+3V—+25V之间,逻辑1电平那么在-3V—-25V之间,因此需要使用正负极性的双电源｡而传统的CMOS/TTL电平是以地为标准不对称设置,其逻辑0电平规定<0.7V,逻辑1电平规定>3.2V｡因此两那么之间的逻辑电平不兼容,两者通信时必须进展电平转换｡
本设计单片机只需接收GPS—OME板发送过来的数据,而无须向GPS—OME板发送数据｡也就是只需将RS—232电平转换为CMOS/TTL电平,而无须将CMOS/TTL电平转换为RS—232电平｡具体电路原理图如图3-4｡

图3-4 RS—232电平CMOS/TTL电平的转换图
当RS—232 IN端输入RS—232逻辑电平0,也就是输入+3V—+25V时,三极管正向导通｡此时TTL OUT端输出的是三极管饱和压降｡此电压约为0.1—0.2V,符合CMOS/TTL电平<0.7V的要求｡当RS—232 IN端输入RS—232逻辑电平1,也就是输入-3V—-25V时,三极管截止,此时TTL OUT端输出的是电源电压,符合CMOS/TTL电平>3.2V的要求｡

图3-5 GPS-OME板接口电路
3.2.3数字电子罗盘HMR3000
本系统选用了Honeywell公司的HMR3000数字罗盘｡HMR3000可以为本系统提供定向天线的俯仰角和方位角｡其中方位精度为0.5°,俯仰精度为0.3°;它提供RS232和RS485两种输出方式;因此,它必须经过电平转换才能与单片机通信｡HMR3000 用简单的ASCII 字符与外部主控制器联系｡ASCll 码的发送和接收,使用1个起始位,8个数据位(先是LSB,MSB 总为0),无奇偶位,和一个停顿位,波特率可设置为1200,2400,4800,9600,19200 或38400[10]｡
名称
入/出
引脚
描述
TXD/B
Out
2
RS-232发送/RS485
RXD/A
In
3
RS-232接收/RS485
GND
In
5
电源/信号地
6-15V
In
9
未调理的电源电压输入
5V
In
8
调理的电源电压输入
Oper/Calib(2)
In
1
Operate/Calibrate(3)input(open= Operate)
Run/Storp(2)
In
6
Run/Stop(3) input(open= Run)
Ready/Sleep(2)
In
4
Ready/Sleep(3) input (open= Ready)
Cont/Resert(2)
In
7
Continue/ Resert(3) input (open= Continue)
表3-1 HMR3000引脚功能表

图3-6 HMR3000接口电路
3.2.4液晶显示器
本设计采用点阵型LCD液晶显示器CGM—12232该显示器具有122×32 点阵,不仅可以显示数字,还可以显示中文､英文甚至图片等,体积只有61mm×19mm×5.7mm,功耗仅为5V×2.5mA=12.5mW(不开背光)｡

图3-7 单片机与液晶显示器接口电路
单片机与液晶显示器接口电路如图3-7所示｡CGM—12232的引脚9—16接单片机P2口进展数据传输,引脚5—8的3根控制线接P0口｡由于P0口部没有上拉电阻不能输出高电平,因此在P0口上接了一个10千欧姆排阻RP9作为P0口的上拉电阻｡LCD液晶显示器的背光LED灯采用三极管驱动控制｡

第四章卫星天线的快速对星系统的软件设计
4.1系统软件设计
4.1.1系统的流程图

根据卫星天线的单片机快速对星系统的工作流程可以通过C语言对AT89C51单片机系统进展原程序的编制､编译､调试和固化程序,并配以系统其他组成局部及辅助元器件即可实现单片机的对星操作｡具体的程序流程如图4-1所示｡
流程说明:程序开场运行,首先进展单片机初始化,同时GPS 模块接收数据,单片机在成功接收到GPS 模块数据后进展数据分解计算处理,然后向电子罗盘发送指令,电子罗盘接到指令后输出卫星天线的姿态信息数据给单片机,单片机根据该卫星姿态信息进展进一步计算得到卫星天线对星所需姿态信息值与当前卫星天线姿态信息值之间的误差,并在液晶显示模块上给予显示,到达指导天线操作人员控制卫星天线快速对星的目的｡
单片机的初始化
GPS接收模块
单片机收到GPS数据？
单片机计算
卫星天线的方位角G1,仰角G2
单片机向电子罗盘发出指令
电子罗盘输出天线的方位角L1，仰角L2
单片机计算方位角
差值G1-L1,G2-L2

微调天线角度

否
否
是

液晶显示器显示差值是否小于0.2°？
是

开 始
结 束

图4-1 软件流程图
4.1.2 GPS定位信息的接收
天线准确对准卫星,是通过单片机接收GPS接收模块发送的本地的经纬度,然后经过计算公式来计算天线的俯仰和方位角的,因此首先单片机要准确接收到出本地的经纬度｡
GPS 的输入输出格式采用美国海洋电子协会为海洋电子设备制定的NMEA - 0183标准格式｡该格式为ASCII 码字符串, 易于理解, 在多种高级语言中都可以直接进展判别和别离, 提取所需要的数据｡在NMEA - 0183 协议中,常用的命令主要有:
GPGGA GPS 定位信息;
GPGSA GPS 当前卫星信息;
GPALM GPS 历书信息;GPU TG 地面速度信息｡
现在以GPGGA 语句(输出根本的定位信息,可以满足一般用户的使用要求)为例, 具体说明NM EA 20213语句的应用｡GPGGA 语句的格式为:
$GPGGA , 定位时间(hhmm ss. ss) , 纬度､纬度方向､经度､经度方向､定位质量､卫星数目､精度因子､天线高度､米､水平偏移､米､差分数据龄期､差分参考站､校验和< CR > < L F>｡
以查询方式为例,读取$GPGGA 语句的程序段如下:
void Get_Gps_Info(void)
{
unsigned int rData,Ret,i;
char GPGGA[]="GPGGA";
restart: //接收GPS信息
do //判断起始位$
{rData=Uart_Read_Data();}
while(rData!=0x24);
for(i=0;;i++) //接收数据
{
GpsBuf[i]=Uart_Read_Data();
if(GpsBuf[i]==10) break; //判断完毕位
}
for(i=0;i<5;i++) //判断是否是所需要的
{
if(GpsBuf[i]!=GPGGA[i])
goto restart;
}
}
该函数用于从接收到的字符串中将完整的语句别离出来,这些语句以“ $〞开头,以回车换行符完毕｡这其中Uart_Read_Data() 函数所实现的功能为在串口获取数据｡
4.1.3PASS数据的采集与接收
通过GPS 采集到数据后,就可以计算出所要对准卫星的标准方位､俯仰和极化｡如何确定在实际中卫星天线是否对准卫星呢? 这就需要给出实际天线的姿态的数据｡HM