基于ARM9的快速對星裝置設計與實現

伍文平,王小兵

摘 要:該裝置以ARM9為核心,采用Windows CE多線程編程技術,分別采集GPS和電子羅盤等傳感器件數據,加以綜合計算,得到衛星通信天線對星的理論值與實際值,調整天線指向使實際值與理論值一致,即可完成對星。使用該裝置能夠明顯縮短對星時間,平均對星時間由原來不可預知,縮短到2 min以內,顯著提高了通信效能。該裝置在天線方位角的磁偏角修正方面具有先進性。

關鍵詞:電子羅盤;對星;磁偏角;ARM9

中圖分類號:TP216文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-053-03

Design and Implement of Quickly Aimed the Satellite Device Based on ARM9

WU Wenping1,WANG Xiaobing2

(1.Uint 69046,Urumqi,830002;2.Xinjiang Mobile Communication Corp.,Urumqi,830063,China)

Abstract:This device based on ARM9 collects the data from GPS and compass,then the theoretic value and the real value can obtain by computing the data.The antenna can be rotated to make the real value equal to the theoretic value,then the antenna is aimed at the satellite accurately.Using this device can reduce the time of aim the satellite,the average time for aim the satellite can be reduced from the unpredictable period to 2 minutes,then the efficiency of communication is increased markedly.The device is advanced on the azimuthal angle revised by the declination.

Keywords:compass;aimed the satellite;declination;ARM9

0 引 言

大中型衛星站均具有相應的、完善的天線跟蹤伺服系統,天線伺服跟蹤系統依據信標信號強弱,決定天線轉向,驅動天線旋轉,達到準確對星。隨著通信技術和電子技術的發展,小型衛星站如車載站、便攜站受機動性能和便攜性能的局限,不可能采用大中型衛星站才能使用的伺服跟蹤系統,采用不同原理,開發適用于小型衛星站天線的對星裝置,具有現實意義。

1 系統概述

該裝置通過GPS采集地理信息、電子羅盤采集姿態信息,根據GPS采集的地理信息,結合通信衛星位置,計算出對星所需要的標準方位、俯仰、極化參數,同時計算出當地、當年磁偏角數據;通過采集電子羅盤數據,得到初步方位、俯仰、極化數據,其中俯仰和極化均為天線實際指向值,但是方位值是以磁北為標準測量值;通過GPS得到的磁偏角數據,對從電子羅盤得到的以磁北為標準的方位值進行修正,得到比較準確的、以真北為標準的真實方位數據。其系統結構如圖1所示,其中基于EVC4平臺的多線程應用程序流程結構如圖2所示。

圖1 系統結構構圖

圖2 簡要程序流程圖

2 硬件設計

本裝置在設計上,選擇S3C2440作為主控制器構成硬件平臺,利用其豐富的外部接口和高速處理能力,達到實時采集數據、及時處理數據、快速傳輸數據、不附加額外接口設備的目的。由于該裝置需要測量的參數多,GPS、電子羅盤統一采用RS 232接口,保證了測量數據精度和接口一致性。供電統一采用+5 V鋰電池電源供電。

3 軟件設計

本裝置采用ARM9作為主控制器,以Windows CE.net操作系統作為系統平臺,使用EVC4開發環境作為開發工具,軟件采用多線程結構,MFC和API編程技術,實時采集傳感器數據,計算修正方位值,達到準確對星的目的。

3.1 總體程序設計

本裝置程序采用多線程結構,在主線程(用戶接口線程)的基礎上,增加兩個輔助線程(工作者線程),輔助線程負責處理數據采集,主線程負責界面響應、數據融合、數據顯示。線程處理采用API,而不采用MFC編程,增加了程序的通用性。程序中還使用SuspendThread掛起線程、ResumeThread恢復線程、ExitThread退出線程[1,2]。

線程同步采用臨界區域(也稱關鍵區域,即CRITICALSECTION)措施,首先用CRITICALSECTION申明一個全局變量,再調用InitializeCriticalSection初始化,使用EnterCriticalSection進入關鍵區域,使用LeaveCriticalSection離開關鍵區域,使用DeleteCriticalSection 函數刪除關鍵區域[1,2]。其關鍵部分代碼如下:

CRITICALSECTION gcs;

DWORD WINAPI GpsThreadProc(LPVOID);

DWORD WINAPI CompassThreadProc(LPVOID);

void MainDlg::Starton()

{ …

HANDLE hThread1,hThread2;

DWORD dwThreadId1,dwThreadId2;

hThread1 = CreateThread(NULL,0,GpsThreadProc,NULL,0,&dwThreadId1;);

hThread2 = CreateThread(NULL,0,CompassThreadProc,NULL,0,&dwThreadId2;);

if((hThread1 != NULL)&( hThread2 != NULL))

{…//創建線程后的一些初始化、計算、顯示等工作}

InitializeCriticalSection(&gcs;);

WaitForSingleObject(hThread1,INFINITE);

WaitForSingleObject(hThread2,INFINITE);

DeleteCriticalSection(&gcs;);

CloseHandle(hThread1);

CloseHandle(hThread2);

…

}

3.2 HMR3000程序設計

電子羅盤數據輸出格式滿足NMEA0183通信協議規范,根據需求選用$PTNTHPR語句,每秒更新30次,基本滿足實時測量的要求。$PTNTHPR語句的數據格式為[3,4]:

$PTNTHPR,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh

各字段含義為:<1>表示方位值,<2>表示方位狀態,<3>表示俯仰值,<4>表示俯仰狀態, <5>表示橫滾值,<6>表示橫滾狀態,hh表示校驗和。采集數據程序在判斷各參數狀態正常的基礎上,從輸出語句中提取對應參數值。其線程函數部分代碼如下:

DWORD WINAPI CompassThreadProc(LPVOID)

{…

EnterCriticalSection(&gcs;);

ucTemp=ReadByte();

if(ucTemp=′$′) //判斷語句開始

{iAZ=0;iEL=0;iPOL=0;numberComa=0;}//變量初始化

if(ucTemp1=′,′)

{numberComa++;}//逗號加一,根據逗號數目劃分字段

If((numberComa==1)&(ucTemp!=′,′))//讀取方位數據

{AZ[iAZ]=ucTemp;iAZ++;}

If((numberComa==2)&(ucTemp!=′,′))//讀取方位狀態

{MarkAZ=ucTemp;}

…//讀取其他參數并處理

LeaveCriticalSection(&gcs;);

return 0;

}

3.3 GPS模塊程序設計

GPS模塊數據輸出格式也滿足NMEA0183通信協議規范,根據需求選用$GPRMC語句[5],默認更新速率。$GPRMC語句的數據格式為:

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,*hh。

各字段含義為:<1>表示方位值,<2>表示方位狀態,<3>表示俯仰值,<4>表示俯仰狀態, <5>表示橫滾值,<6>表示橫滾狀態。采集數據程序在判斷各參數狀態正常的基礎上,從輸出語句中提取對應參數值。其線程函數部分代碼如下:

DWORD WINAPI GpsThreadProc(LPVOID)

{…

EnterCriticalSection(&gcs;);

ucTemp=ReadByte();

if(ucTemp==′$′)

{iLog=0;iLat=0;numberComa=0;}

if(ucTemp==′,′)

{numberComa++;}

if((numberComa==2)&(ucTemp!=′,′)) //讀取標示位,為A則數據有效

{iFlag=ucTemp;}

if((numberComa==3)&(ucTemp!=′,′))//讀取緯度數據

{Lat[iLat]=ucTemp;iLat++;}

if((numberComa==5)&(ucTemp!=′,′))//讀取經度數據

{Log[iLog]=ucTemp;iLog++;}

…//讀取其他數據并處理

LeaveCriticalSection(&gcs;);

return 0;…

}

3.4 對星參數理論值計算

衛星通信中重要的一步就是衛星通信天線準確對準通信衛星。對星需要三個參數:方位、俯仰、極化。下面分別是三個參數的計算公式[6],其中Ψc是衛星波束中心經度,Ψs為衛星的經度,Ψg是接收地經度,θ為接收地緯度。

衛星通信天線方位角計算公式:

AZ=arctg[tg(Ψs -Ψg)/sin θ]

(1)

俯仰角計算公式:

EL=arctgcos(Ψs-Ψg)cos θ-0.151 721-[cos(Ψs-Ψg)cos θ]2

(2)

極化角計算公式1:

POL=arctg[sin(Ψs-Ψg)/tg θ]

(3)

極化角計算公式2:

POL=arctg[sin(Ψc-Ψg)/tg θ]

(4)

極化角通常位于式(3)和式(4)的計算值之間,為簡化計算常采用式(3)作為極化角計算公式使用。

經過GPS采集得到接收地經度、緯度,結合衛星經度,采用C語言提供的數學函數可以很簡便地計算出天線準確對星需要的三個參數:方位、俯仰、極化。為對星操作提供理論標準值,將對星操作簡化為比對理論標準值,調整天線,使實際值與理論值完全一致,從而完成對星任務。

3.5 方位角修正程序設計

電子羅盤測量得到的是天線實際指向值,由于電子羅盤是根據地磁場測量出方位值,此方位值實際是以磁北為標準的方位值,而理論值是以真北為標準的方位值,這樣在電子羅盤測量值和理論計算值之間存在一個差值,此差值即為磁偏角。要使電子羅盤測量的方位值代表以真北為標準的方位值,必須在電子羅盤測量的數據基礎上進行磁偏角的修正[7]。

根據IGRF2005地磁場模型,利用NOAA的NGDC提供的磁偏角計算程序,逐一計算覆蓋我國領土及周邊的磁偏角數據,其緯度為北緯10°~50°,經度為東經70°~140°,構成41×71的二維數組,根據經度、緯度數據提取磁偏角數據,與采集的羅盤數據進行運算,修正羅盤方位值,從而得到代表物體指向的比較準確的方位值。其部分代碼如下所示:

fAZ=cAZ+Dec[nLat,nLog];

Double Dec[int x,int y]

{ ……

Doule DecTable[41,71]

{{23,232,233,235,235,235,233,23,23,225,222,212,212,205,198,192,183,175,167,157,147,137,127,115,105,095,085,075,065,055,047,04,033,027,022,018,015,013,012,012,012,013,017,018,022,025,028,032,035,038,04,042,043,043,042,04,037,032,025,018,01,0,-01,-022,-035,-05,-065,-082,-10,-118},…}

//磁偏角數組

Return(DecTable[x-10,y-70]);

}

從電子羅盤得到的方位數據,經過磁偏角修正,形成以真北為標準的真實方位數據,從而具有與理論對星參數比對的基礎。

4 應用及結果

該裝置巧妙利用GPS模塊和電子羅盤模塊,在分別采集模塊數據的基礎上,利用地理信息進行查表運算,得出當地磁偏角,利用磁偏角修正方位,得到較為準確的方位指向數據。此裝置采用S3C2440ARM9芯片作為主CPU,Windows CE.Net為操作系統平臺;電子羅盤選用Honeywell HMR3000,GPS選用GARMIN GPS25LVS,蘑菇頭天線,單一+5 V供電,輸出接口均為RS 232。該系統精度高、實時性好、界面直觀,具有廣泛的應用前景。某型衛星通信裝備,天線口徑1 m,工作于Ku波段,其半功率波瓣寬度近似計算公式為:θ=70λ/D[6],得到半功率波瓣寬度θ=1.75°;通過磁偏角修正后的電子羅盤角度指示誤差為φ=±0.5°,θ≥φ,滿足應用需求。2009年烏魯木齊的磁偏角為-2.93°,如果不加磁偏角修正,其誤差總和為2.93°+0.5°=3.43°,超過半功率波束寬度,無法完成對星任務。程序運行后界面如圖3所示。

圖3 快速對星裝置程序實例

5 結 語

經過使用證明:該裝置經過磁偏角修正后,可以使用于方位精度要求±0.5°、傾角和橫滾經度要求±0.1°的物體位置和姿態測量。經過在昆明、喀什、北京等地實際使用測量,效果良好,平均對星時間由原來不確定減少到2 min以內(實際測量平均時間為14 min),改善效果明顯。使用中注意事項:由于此裝置采用的電子羅盤,利用地磁場根據磁阻傳感信息計算方位的原理,因此,此裝置在使用中要求盡量遠離框架式建筑物、鐵礦廠、鐵柵欄、鐵門鐵窗等大型硬鐵物質,避免因硬鐵物質對磁力線的影響,導致測量誤差大的情況出現。

參考文獻

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