基于单片机的便携式卫星天线的快速对星系统

1、长春理工大学毕业设计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COMPASS信号,通过单片机来比较分析,实现快速对准卫星的实施方案本文讨论并进行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 improvement of information technology, the requirement for portable satellite equipments is more and more, such as Home Satellite TV, wild carrying communication equipments and so on. Therefore, be

2、 able to quickly and accurately alignment with the satellite portable satellite equipment deserved to become an important research direction of satellite communication.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, implementation plan that the use of GPS and HMR3000 the COMPASS signal, through the single-chip to compare, anal

3、yze, 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长春理工大学毕业设计目录第一章 绪论- 1 -1.1课题研究背景与意义- 1 -1.2国内外现状- 1 -1.3本文的总体设计方案- 1 -第二章 卫星天线对星基础理论- 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基本过程- 7 -2.2 全球定位系统的基本理论- 7 -2.2.1全球定位系统的概述- 7 -2.2.2 GPS基本定位原理- 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

4、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 COMPASS数据的采集与接收- 19 -结 论- 22 -参考文献- 23 -致谢- 24 - I 长春理工大学毕业设计第一章 绪论1.1课题研究背景与意义卫星通信具有通信距离远、覆盖范围大、通信方式灵活、质量高、容量大、组网迅速基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，极大地促进了全球卫星通信事业的发展，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贡献,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发展而发生变化因此,能够快速准确地实现与卫星的对准的便携式卫

5、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较简单,但在此对星系统的基础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止转弯等)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随着人类社会的发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,在户外大卫星电话,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国内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

6、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发达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部分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行比较输出,采用手动粗调微调进行快速对星,目前暂时没有考虑直流异步电机直流变压器负反馈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稳压器等部分模块组成第二章 卫星天线对星基础理论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

7、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高低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,分类出各不相同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较低的波段上面天线则是由整块金属板 ( 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,其工作原理则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,从而可达到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

8、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部分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若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;若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,当卫星参数和服务区域确定之后,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行正常工作,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

9、角则与地球半径R卫星高度H及P与S对地心的张角有关,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相同的极化方式,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,2o为抛物面 图2-2 抛物线几何关系的口径张角,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

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