船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)研究及設(shè)計

在占地球總面積70%左右的海洋上無法建立基站，由此迫切需要穩(wěn)健的船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)。船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究主要包括系統(tǒng)配置設(shè)計、控制策略、硬件選型和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。為了克服船體的運(yùn)動，三軸隨動控制系統(tǒng)采用模糊PID算法，根據(jù)一系列的對星策略以使船體在運(yùn)動中始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，實現(xiàn)實時通信。采用FPGA芯片作為陀螺儀溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可使整個隨動系統(tǒng)更為精準(zhǔn)快速。監(jiān)控系統(tǒng)舍棄較為傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，選擇瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。通過模擬測試，驗證了船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較好的性能和友好的應(yīng)用性。

由于海上缺少固定的通信中繼站，而船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)正好可以充當(dāng)海上的通信中繼站，我國要建設(shè)成為海洋強(qiáng)國，海洋通信必不可少，由此迫切需要高性能的船載衛(wèi)星通信產(chǎn)品。于是開發(fā)高性能的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

正是基于該目的，船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用了GPS獲取三軸的絕對地理坐標(biāo)，配以電子羅盤測量三軸理論角度，加上基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的溫度補(bǔ)償過的三軸陀螺儀測量三軸的瞬時速度來達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康?，根?jù)搜索算法和跟蹤算法使整個隨動系統(tǒng)在模糊PID控制算法下更為精準(zhǔn)快速地實現(xiàn)對星。為了監(jiān)控船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能以及實現(xiàn)對船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的人為操作，通過有線局域網(wǎng)或無線WiFi實現(xiàn)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的相互連接，監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器的瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)架構(gòu)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1船載衛(wèi)星通信工作過程

船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過程可以分成兩個部分，即發(fā)射過程和接收過程。發(fā)射過程將要傳輸?shù)?a target="_blank">信息依次經(jīng)過交換機(jī)和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，由上變頻功率放大器(Block UpConverter,BUC)將信號調(diào)制成適合在無線環(huán)境中傳輸?shù)男盘?，再由船載天線發(fā)射出去。船載接收過程則與發(fā)射過程相反，天線接收到的信號經(jīng)過低噪聲下變頻器(Low Noise Block downconverter,LNB)濾波放大后送入定向耦合器，定向耦合器將接收到的信號分成兩路或多路，其中一路由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器完成解調(diào)用于業(yè)務(wù)；一路將作為信標(biāo)機(jī)的信號源，用于測量目標(biāo)衛(wèi)星的信號強(qiáng)度，當(dāng)然船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與衛(wèi)星之間的通信方式是全雙工的。

1.2船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究的主要對象由ARM控制系統(tǒng)、控制天線姿態(tài)的隨動系統(tǒng)、調(diào)平盒模塊、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊組成，其中調(diào)平盒模塊中含有為解決三軸陀螺儀零點漂移難題的基于FPGA的溫度補(bǔ)償子模塊。

船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以輪船為載體，載體在海水運(yùn)動的干擾下不僅會有三維運(yùn)動，而且運(yùn)動軌跡沒有規(guī)律無法制定相應(yīng)的規(guī)則。為了高效率、高精度地實現(xiàn)船載天線時刻保持對星的姿態(tài)，必須采取一系列的控制策略才能順暢地完成正常的通信。在茫茫大海上要想得到船載天線的狀態(tài)，可通過安裝在船載跟蹤系統(tǒng)上的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)實時地獲取跟蹤系統(tǒng)的經(jīng)、緯度信息，通過和目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)緯度計算得到船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線對準(zhǔn)衛(wèi)星所需的理論位置和俯仰角，電子羅盤采集船載天線的航向角度、俯仰角度和橫搖角度，三軸陀螺儀測量三軸的瞬時速度來達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康模?］。ARM控制系統(tǒng)會根據(jù)所得到的天線狀態(tài)以及信標(biāo)接收機(jī)反饋回來的信號強(qiáng)度實時地控制隨動系統(tǒng)使船載天線對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2硬件模塊設(shè)計

2.1陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計

為了提高本系統(tǒng)的性價比，本設(shè)計沒有選擇昂貴的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而選擇使用型號為CRS0302的微機(jī)械陀螺儀，但微機(jī)械陀螺儀有嚴(yán)重的零點漂移問題，這是以前船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所不能解決的難點，本系統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償策略克服三軸陀螺儀的溫漂問題。對于溫度補(bǔ)償?shù)哪Ｐ腿绻麖牟牧显矸矫嬗美碚撏茖?dǎo)過于復(fù)雜，不如采用實驗的方法快速有效。實驗過程如下：將三軸陀螺儀放在可調(diào)的恒溫箱中，在-30℃~+80℃的溫度范圍內(nèi)，每隔2℃測量一次零點偏移量；每次采樣15 min取平均值作為該溫度下三軸陀螺儀的零點偏量。圖2中用實心圓點表示測量的數(shù)據(jù)，實線是通過三次方基本擬合得到零點偏移量的擬合曲線方程，即：

當(dāng)-30℃≤T≤-16℃時，

bias=-0.526 55+0.003 62t-0.004 51t2-0.000 03t3;

當(dāng)-16℃≤T≤+24℃時，

bias=-0.723 14+0.047 63t-0.000 63t2;

當(dāng)24℃≤T≤40℃時，

bias=-2.747 3+0.129 48t-0.002 04t2+0.000 06t3;

當(dāng)40℃≤T≤80℃時，

bias=-12.843 7+0.429 476t-0.002 035t2+0.000 03t3

陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊采用芯片MAX125AEAX完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換有8個輸入通道分成兩組，每組的4個通道可以同時完成轉(zhuǎn)換任務(wù)。三軸陀螺儀可以用其中一組，另外一組留給其他輸出模擬信號的傳感器使用。溫度傳感器選用輸出數(shù)字量的DS18B20完成三軸微機(jī)械陀螺儀所處環(huán)境的溫度測量。FPGA芯片是這個子模塊的核心，它控制著模數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度傳感器協(xié)同工作。根據(jù)實驗得到的4段陀螺儀溫度補(bǔ)償擬合曲線，在FPGA芯片內(nèi)部寫成相應(yīng)的補(bǔ)償程序就可以計算出不同溫度下三軸微機(jī)械陀螺儀的溫度偏移補(bǔ)償值；將陀螺儀數(shù)字量減去相應(yīng)的補(bǔ)償值得到補(bǔ)償后的陀螺儀信號數(shù)字量，即可通過FPGA串口傳送給ARM控制系統(tǒng)，使得隨動系統(tǒng)能夠控制天線實時跟蹤到衛(wèi)星。三軸陀螺儀溫度補(bǔ)償子模塊硬件框圖如圖3所示。

2.2網(wǎng)絡(luò)模塊

采用客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)模式的監(jiān)控系統(tǒng)存在只能在本地監(jiān)控、需要安裝某些特定的應(yīng)用程序等弊端；而基于嵌入式Web的B/S架構(gòu)監(jiān)控方案是通過無線(WiFi)或有線(TCP/IP)實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與其他設(shè)備(PC、Pad、Phone等)的連接。B/S架構(gòu)可以有效地解決客戶端/服務(wù)器架構(gòu)的不足。

為了實現(xiàn)B/S模式，網(wǎng)絡(luò)模塊采用無線網(wǎng)和有線網(wǎng)兩種方式，能夠很好地互補(bǔ)彼此的不足。有線電路由RJ45接口連接其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過DM9161BIEP芯片處理后傳送給ARM控制系統(tǒng)；考慮到監(jiān)控系統(tǒng)要在手持終端上使用，于是需要配置WiFi無線模塊，為了提高本設(shè)計的進(jìn)程，無線通信方式的硬件選用支持802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的威盛可插拔USB接口的無線模塊，直接通過USB接口實現(xiàn)與ARM控制系統(tǒng)的連接。硬件的應(yīng)用還需要在嵌入式中移植無線網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本配置?；谶@些設(shè)計之后，系統(tǒng)監(jiān)控只需要在客戶端設(shè)備安裝瀏覽器軟件即可。

2.3隨動系統(tǒng)

2.3.1隨動系統(tǒng)的模糊PID算法

根據(jù)反饋給ARM控制系統(tǒng)的天線情況，控制系統(tǒng)將控制5個步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，為了提高隨動系統(tǒng)的控制速度和精度，本系統(tǒng)采用模糊PID算法。

傳統(tǒng)PID的3個參數(shù)Ki、Kp、Kd通過誤差整定，結(jié)構(gòu)和算法相對簡單，而載體在海洋中的工作用傳統(tǒng)的PID很難滿足。模糊PID能夠根據(jù)偏差和偏差變化率自動調(diào)節(jié)PID的3個參數(shù)。參數(shù)整定有如下經(jīng)驗：當(dāng)偏差較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，取較大的Kp，Ki=0；當(dāng)偏差和偏差變化率處于中等大小時，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取值小一些，Kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，Ki的取值要適當(dāng)；當(dāng)偏差較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp與Ki均應(yīng)取得大些，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，Kd的取值相當(dāng)重要，一般在偏差變化率較小時，Kd取值應(yīng)該較大，反之則反。在系統(tǒng)運(yùn)行時實時檢測偏差和偏差變化率的值，根據(jù)模糊規(guī)則在線修改PID的3個參數(shù)，使得PID參數(shù)可自整定，以滿足不同偏差和偏差變化率對控制參數(shù)的要求。

2.3.2船載天線的搜索算法和跟蹤算法

利用電子羅盤和雙GPS測姿儀能直接定位載體的方位角，所以船載天線可以直接或間接地走到理論方位。搜索模式采用畫框模式，就是以理論位置為中心向外畫框，隨著搜索的進(jìn)行畫的框越來越大。畫框的同時監(jiān)控自動增益控制(Analog Gain Control，AGC)的變化，如果超過門限，立即停止畫框進(jìn)入跟蹤模式。若畫框搜索完設(shè)定的圈數(shù)后還沒有找到衛(wèi)星，則重新走到理論位置，再次進(jìn)行畫框搜索。應(yīng)用人員也可以根據(jù)實際情況在監(jiān)控系統(tǒng)中調(diào)節(jié)方位、俯仰的步進(jìn)角度和畫框圈數(shù)。畫框搜索算法的船載天線波束的運(yùn)動軌跡如圖4所示。

畫框搜索監(jiān)控到目標(biāo)衛(wèi)星的AGC超過門限值后立即進(jìn)入圓錐跟蹤狀態(tài)。圓錐跟蹤狀態(tài)是船載天線進(jìn)行通信時所保持的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，程序會控制天線做軌跡為圓的圓周運(yùn)動，根據(jù)AGC的差值計算天線需要調(diào)整的角度，通過對方向圖的擬合，發(fā)現(xiàn)超過門限值的方向圖成二次曲線。將固定相差角度的兩點AGC與這兩點的中心距離方向圖中AGC最大點兩者的分布進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線性度很高，R2=0.949 3。所以用左右兩點多的AGC的差值乘以一個系數(shù)就可以作為調(diào)整的角度。最終使得船載天線始終指向目標(biāo)衛(wèi)星。圓錐搜索算法的船載天線波束的運(yùn)動軌跡如圖5所示。

3監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

前文已經(jīng)說明支撐監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件配置，這里對監(jiān)控系統(tǒng)本身進(jìn)行說明。可以在選型為AT91SAM9263的ARM芯片中移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要考慮到它具有可裁剪、多用戶、多任務(wù)、設(shè)備文件化以及適合小型嵌入式系統(tǒng)等優(yōu)點。利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，還要在ARM芯片中移植Web服務(wù)器Boa，Boa是一個非常小巧的網(wǎng)頁服務(wù)器。由于嵌入式系統(tǒng)本身對數(shù)據(jù)的存儲和程序運(yùn)行空間有較大的限制等特點，所以采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫。客戶端瀏覽器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的信息傳遞規(guī)范采用通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface，CGI)，它的主要功能是從瀏覽器的表單中解析出有用成分，再將解析的結(jié)果與服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，以布局整潔的網(wǎng)頁呈現(xiàn)給用戶。

客戶端用戶在瀏覽器的地址欄中輸入Web服務(wù)器的IP地址，瀏覽器與服務(wù)器之間就會通過HTTP協(xié)議建立連接。連接建立之后，瀏覽器就能發(fā)送表單請求，每當(dāng)服務(wù)器端接收到請求之后，服務(wù)器Boa就會創(chuàng)建新的CGI進(jìn)程來處理請求。一方面，CGI程序能夠獲得來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，另一方面，CGI程序所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)又能夠經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出返回給服務(wù)器。服務(wù)器端的CGI程序還能夠通過消息緩存隊列與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，將用戶要求發(fā)送給控制程序，控制程序根據(jù)用戶需求驅(qū)動電機(jī)完成對星動作。

監(jiān)控系統(tǒng)通過Ajax技術(shù)和CGI為用戶提供良好的用戶體驗。為了使監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)不同的客戶端設(shè)備，在網(wǎng)頁設(shè)計中，必須采用不同網(wǎng)頁分辨率的自適應(yīng)技術(shù)。

4結(jié)束語

本文主要對船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的硬件、隨動系統(tǒng)的控制策略以及目標(biāo)衛(wèi)星的搜索跟蹤算法進(jìn)行研究與設(shè)計。在搖擺臺上進(jìn)行了重復(fù)試驗，船載天線能在2 min左右跟蹤到目標(biāo)衛(wèi)星，檢測到的目標(biāo)衛(wèi)星AGC信號波動范圍小于0.5 dB。由于陀螺儀零點漂移引起的丟星現(xiàn)象也得到了有效的改善；并且通過瀏覽器監(jiān)控系統(tǒng)，使其擁有更好的用戶體驗。