毫米波自動對準系統方位角的優化與實現

周勇 吳艷 楊崢

【摘 要】本文介紹了云臺天線自動對準原理，及其系統中參考方位角的作用與意義。對方位角進行了算法實現和C語言編程，并對該方位角在幾個象限特殊值處存的計算缺陷，進行了算法上的優化，解決了幾個特殊值導致云臺天線大幅搖擺，對準錯誤的情況，進一步完善了云臺天線自動對準系統。

【關鍵詞】云臺天線自動對準；參考方位角；算法實現；計算缺陷

中圖分類號： TN822.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0021-002

【Abstract】The design introduces the principle of automatic pan-tilt antenna and the role and significance of reference azimuth in the system. The implementation of the azimuth and C language programming， and the azimuth at several quadrant special value stored in the calculation of defects， the algorithm optimization， to solve a few special value led to a large pan-tilt antenna， the right Quasi-error situation， to further improve the automatic alignment system antenna.

【Key words】Antenna auto-alignment；Reference azimuth；Algorithm implementation；Calculation of defects

0 引言

毫米波是一種波長介于1～10毫米的電磁波，由于其具有高頻段、傳輸頻帶寬、性能穩定等優點，被廣泛地應用于通信作戰系統中，但由于毫米波瓣窄，副瓣低，使得其在通信天線對準過程中較為困難[1]。毫米波波瓣對準示意圖見圖1所示。

論文基于毫米波云臺天線自動對準控制系統中，一個重要的參考方位角計算中存在著的不足，進行了優良改進。兩云臺天線若要進行正常通信，需要使兩天線達到較高的對準精度，兩天線對準是根據兩云臺天線接收到的AGC反饋電壓最大值為依據[2]，在兩云臺天線未對準前，需用單片機控制兩臺天線，在一定的水平范圍內和俯仰范圍內進行對準掃描，再不斷實時的讀取AGC的最大值。若兩云臺天線都在隨意的初始位置開始盲目掃描，這勢必導致系統掃描對準時間過長。為了減小掃描時間，在系統初始掃描時加入一個參考方位角，使兩天線先運動到一個大致的基準方位上，再進行小范圍的水平和俯仰掃描，即可實現云臺天線的快速對準。

1 系統硬件結構圖

系統中云臺天線安裝了GPS模塊和羅盤模塊，分別對云臺天線進行位置定位和姿態檢測。LPC1768主控單片機，將讀取GPS的經緯度數據，并按照參考方位角計算公式，計算出方位角度。并發出相應的角度控制命令，驅動云臺電機使兩云臺天線運動到初始對準掃描位置，圖中AGC反饋電壓信號為天線自動對準提供對準電壓信號。電機驅動模塊主要解析單片機的控制命令，并將相應的控制命令轉化為相應的角度控制脈沖，驅動方位電機和俯仰電機按要求轉動。

2 參考方位角主要算法

根據遠程航行器正北夾角的計算原理[3]，對系統中的參考方位角計算如下。先給出兩個如下定義：

基準方向：把正北方向作為整個云臺天線運動的基準方向。

參考方位角：云臺天線運動終端所在點到目標點的矢量方向按逆時針方向旋轉到基準方向的所轉過的角度。

如圖3所示，假設本方云臺目標點為P（λ，φ），對端云臺坐標為PS（λS，φS），其中（λ，φ）為點的經度和緯度。則運動終端將要運動的北向距離為：

對于上述公式中的反正切函數計算，考慮到浮點數據運算量和系統單片機運行內存的大小，對于反正切函數的實現，在系統程序中采用采樣數組取值完成。

在后期的工程實踐中發現，云臺天線在角度趨于幾個象限的軸線上時，會出現大幅度搖擺、位置跑偏的情況，不能實現自動對準。經過反復實驗和尋找發現單片機在處理dy/dx的時候，當dx趨于零時，不能計算出方位角度值。后期對幾個臨界值進行優化處理，完善了方位角在整個平面內的計算。經過反復實驗得到完善算法前和完善算法后的數據結果如表2和表3。

3 實驗結果及分析

經過工程實驗，當角度值范圍在0

4 結束語

對于本次云臺天線設計系統中參考方位角的計算，在幾個臨界值處存在算法上的不足，并對該缺陷進行了算法上的程序優化。從而保證了云臺天線在運動到參考方位角的準確性。

【參考文獻】

[1]鄒春華.基于ARM的毫米波天線自動對準平臺系統云臺單元設計[D].成都理工大學，2011.

[2]甘仲民.毫米波通信技術與系統[M].電子工業出版社：北京，2003.

[3]張博.自主水下航行器組合導航算法研究與系統實現[D].浙江大學，2011.

[4]范項媛.無人飛行器的北斗衛星組合導航算法研究[J].網絡安全技術與應用，2014（05）：5-7.

[5]蘇宇.空間非合作目標超近段逼近導航算法研究[D].哈爾濱工業大學，2017.

[6]倪友軍.基于DSP的伺服電機初始角度測量方法的研究[J].信息系統工程，2017（06）：22.