基于定位信息的天線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

2014-07-11 08:49鄧江安

艦船電子工程 2014年7期

鄧江安金晟李銳

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

本文所研制的天線伺服系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)海微波通信系統(tǒng)中，對(duì)海微波通信系統(tǒng)由岸站和海上移動(dòng)站組成。岸站天線為定向天線，由于定向天線的波束角與天線增益成反比，波束角越窄，天線增益越高，因海上微波傳輸特性的復(fù)雜性，為提高電平儲(chǔ)備，對(duì)海微波傳輸系統(tǒng)的岸站天線通常采用波束角較窄的定向天線［1～2］，因傳統(tǒng)的利用信標(biāo)機(jī)的天線伺服系統(tǒng)價(jià)格昂貴，未配備伺服，岸站天線對(duì)準(zhǔn)海上移動(dòng)站主要靠電平變化手動(dòng)調(diào)節(jié)，存在調(diào)節(jié)不及時(shí)，調(diào)節(jié)不準(zhǔn)的問題，嚴(yán)重影響了微波通信質(zhì)量。隨著當(dāng)前北斗和GPS應(yīng)用越來越普及，利用海上移動(dòng)站定位信息實(shí)時(shí)計(jì)算岸站天線指向，以此為依據(jù)來控制天線指向，是一種簡(jiǎn)單可行的方法。

本文主要介紹了基于定位信息的天線伺服系統(tǒng)的構(gòu)成，并重點(diǎn)介紹了中心控制臺(tái)和天線控制器的具體實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由中心控制臺(tái)、天線控制器和天線轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)部分組成，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

中心控制臺(tái)接收移動(dòng)站定位信息，根據(jù)岸站天線位置計(jì)算出其應(yīng)該指向角度，與從天線控制器獲取的天線當(dāng)前指向角度作對(duì)比，形成控制信息送往天線控制器，由控制器控制天線轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。天線控制器接收天線轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)變壓器傳來的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為角度數(shù)字值，回送給中心控制臺(tái)，天線控制器同時(shí)通過繼電器控制天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 中心控制臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中心控制臺(tái)硬件配置為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過串口控制天線控制器（多個(gè)串口可控制多臺(tái)控制器）。中心控制臺(tái)軟件采用Visual C＋＋6.0開發(fā)，電子海圖采用MapX ActiveX控件來實(shí)現(xiàn)［3～4］。網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信采用多線程方式實(shí)現(xiàn)，保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

中心控制臺(tái)接收移動(dòng)站定位信息及天線狀態(tài)信息，在GIS海圖上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)收到移動(dòng)站位置信息后，計(jì)算岸站天線的指向，將控制信息送往天線控制器。天線指向角的計(jì)算涉及到已知兩點(diǎn)的GPS位置，獲取兩點(diǎn)間連線與正北方向夾角的問題，算法如下：

1）通過兩點(diǎn)大地坐標(biāo)，計(jì)算兩點(diǎn)間連線與正北方向夾角的算法［5～7］

算法中用到的坐標(biāo)系有三種，分別是大地坐標(biāo)系、測(cè)量坐標(biāo)系和地心直角坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系是由大地經(jīng)度、大地緯度和大地高構(gòu)成的坐標(biāo)系，系統(tǒng)所獲取的移動(dòng)站定位信息都是基于大地坐標(biāo)系；測(cè)量坐標(biāo)系也稱站心地平坐標(biāo)系，即以測(cè)站法線和子午線方向?yàn)橐罁?jù)建立的坐標(biāo)系，天線指向角計(jì)算是在測(cè)量坐標(biāo)系下進(jìn)行的；地心直角坐標(biāo)系是坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，由X軸、Y軸和Z軸所組成的笛卡兒坐標(biāo)系，Z軸與地球平均自轉(zhuǎn)軸重合，X軸指向子午面與赤道面的焦點(diǎn)，Y軸方向與X軸和Z軸所組成的平面垂直，且指向?yàn)闁|，地心直角坐標(biāo)系是大地坐標(biāo)系向測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的中介。

根據(jù)岸站天線G1點(diǎn)大地坐標(biāo)（Gj1Gw1Gh1）和海上移動(dòng)站G2點(diǎn)大地坐標(biāo)（Gj2Gw2Gh2），求G1點(diǎn)與G2點(diǎn)間連線與正北方向夾角。

首先進(jìn)行大地坐標(biāo)系向地心直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，公式如下：

其中（GjGwGh）為大地坐標(biāo)，（XYZ）為地心直角坐標(biāo)，D＝π／180為角度轉(zhuǎn)換到弧度的常量，L1＝6378140為地球長(zhǎng)軸，L2＝6356755為地球短軸，地球第一偏心率E＝，中間量N＝

將G1點(diǎn)和G2點(diǎn)大地坐標(biāo)按上述方法轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)。G1點(diǎn)地心直角坐標(biāo)為（X1Y1Z1），G2點(diǎn)地心直角坐標(biāo)為（X2Y2Z2）。

然后求G1點(diǎn)地心直角坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣MG1。

其中α為繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度，值為－π／2；β為繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度，值為Gw1D；φ為繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，值為（Gj1－90）D。

接著求地心直角坐標(biāo)系下G1點(diǎn)到G2點(diǎn)的方向向量

將方向向量Vc轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系下

最后獲得與正北方向的夾角

2）中心控制臺(tái)對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的控制

中心控制臺(tái)通過串口發(fā)送天線控制指令，控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的控制采用異步控制方式，每次發(fā)送控制指令后，不跟蹤控制結(jié)果。程序采用定時(shí)方式，每隔250ms向天線控制器發(fā)送狀態(tài)查詢指令，接收到天線轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)信息后，依據(jù)控制命令和天線控制器當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)控制指令，發(fā)送指令后不管是否成功，待下次接收到狀態(tài)信息后再重新進(jìn)行控制操作。此種控制方式容錯(cuò)性好，每秒進(jìn)行四次控制操作，當(dāng)一次出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，下次可重新進(jìn)行控制操作，滿足天線控制的實(shí)時(shí)性要求。

4 天線控制器設(shè)計(jì)

控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制設(shè)備由天線控制器、旋轉(zhuǎn)變壓器、執(zhí)行電機(jī)及連接電纜組成。其中，天線控制器是控制核心，其原理框圖及與其他部分的關(guān)系如圖2所示。

圖2 天線控制器原理框圖

天線控制器主要包括微處理器（MCU）、軸角轉(zhuǎn)換電路（RDC）、對(duì)外接口及功率驅(qū)動(dòng)電路等。

1）微處理器

微處理器是整個(gè)單元的核心，選用ATMEL公司的AVR系列ATMEGA128單片機(jī)。AVR單片機(jī)是ATMEL公司推出的全新配置的精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)。ATMEGA128內(nèi)部配置有128K Flash、4KEEPROM、4KSRAM 等存儲(chǔ)器及A／D、定時(shí)器、UART、SPI、WDT等豐富的外設(shè)，端口驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到20mA，工作電壓范圍寬，具有工業(yè)級(jí)的環(huán)境適應(yīng)能力，完全滿足系統(tǒng)功能需求［8］。

2）軸角轉(zhuǎn)換電路

軸角轉(zhuǎn)換電路選用“旋轉(zhuǎn)變壓器＋RDC”方案。

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測(cè)量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400Hz或1000Hz。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系［9］。

旋轉(zhuǎn)變壓器（以下簡(jiǎn)稱旋變）作為測(cè)角元件直接安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)軸上。當(dāng)旋變的定子部分加有激磁信號(hào)時(shí)，其轉(zhuǎn)子部分輸出感應(yīng)信號(hào)的幅度與天線軸角成正余弦關(guān)系。我們采用單極旋變，旋變提供兩路輸出。設(shè)激磁信號(hào)V＝VmSin（ωt），轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，則規(guī)格化的旋變輸出的兩路信號(hào)為：KVmSinθSin（ωt）和KVmCosθSin（ωt）。將這些信號(hào)和振蕩參考信號(hào)一起送到RDC芯片，RDC便可轉(zhuǎn)換出角度θ。

RDC（Resolver－to－Digital Converter）芯片，是一種跟蹤轉(zhuǎn)換器，它實(shí)際上是一種Ⅱ型伺服環(huán)路，當(dāng)KVmsinθsin（ωt）和KVmcosθsin（ωt）分別送入芯片的sin和cos輸入引腳后，經(jīng)過其內(nèi)部運(yùn)放再送至乘法器中，此時(shí)若內(nèi)部可逆計(jì)數(shù)器輸出的初始數(shù)字角φ也被送入乘法器，則經(jīng)乘法器運(yùn)算后得到的輸出信號(hào) 為Vsin（ωt）sinθcosφ和Vsin（ωt）cosθsinφ，二者再進(jìn)行相減運(yùn)算得到輸出信號(hào)Vsin（ωt）sin（θ－φ），這個(gè)交流誤差信號(hào)由相敏檢測(cè)器利用參考信號(hào)sin（ωt）進(jìn)行解調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)正比于sin（θ－φ）的直流誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)送給積分器，積分器輸出驅(qū)動(dòng)VCO，VCO輸出脈沖給可逆計(jì)數(shù)器，直至sin（θ－φ）＝0，此時(shí)θ－φ＝0或θ＝φ，數(shù)字輸出角度代表角度θ。數(shù)字輸出角度自動(dòng)地跟蹤輸入，完全不需外部轉(zhuǎn)換命令［10］。

軸角轉(zhuǎn)換電路示意圖見圖3，激勵(lì)源采用XR2206CP芯片，配合外圍功放電路產(chǎn)生1KHz正弦波信號(hào)，送往安裝在天線轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)變壓器。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換后的調(diào)制正弦波信號(hào)和調(diào)制余弦波信號(hào)通過放大電路后送往RDC芯片AD2S83AP，由RDC芯片轉(zhuǎn)換為角度數(shù)字值。RDC芯片的數(shù)據(jù)接口與核心處理器的PORTC端口相連，RDC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是16位，核心處理器先讀取低8位，再讀取高8位。

圖3 軸角轉(zhuǎn)換電路示意圖

5 結(jié)語

文中詳細(xì)介紹了基于定位信息的天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)利用當(dāng)前相當(dāng)成熟的GPS定位技術(shù)，通過直接計(jì)算天線的指向來控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，方法簡(jiǎn)單而實(shí)用。通過加裝本系統(tǒng)，岸站天線始終對(duì)準(zhǔn)海上移動(dòng)站，信號(hào)電平穩(wěn)定，通信質(zhì)量大大提高。此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，具備了很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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