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基于单片机的便携式卫星天线的快速对星系统.pdf
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基于单片机的便携式卫星天线的快速对星系统.pdf
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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 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 communication equipments and so on. Therefore, be 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,
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
长春理工大学毕业设计
I
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 .................................................. - 20 -
结 论....................................................................................................................... - 22 -
参考文献 ................................................................................................................. - 23 -
致谢 ......................................................................................................................... - 24 -
长春理工大学毕业设计
- 1 -
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
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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 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?稳压器等部
分模块组成 ?
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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
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