摘 要： 基于GPS和數(shù)字羅盤" title="數(shù)字羅盤">數(shù)字羅盤技術(shù)，提出了雷達(dá)圖像傳輸天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)GPS采集圖傳天線的位置信息，通過(guò)數(shù)字羅盤采集圖傳天線的姿態(tài)信息，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)定向，并進(jìn)行了精度分析。
關(guān)鍵詞： 圖像傳輸天線 自動(dòng)控制? 單片機(jī)? GPS? HMR3000
?
雷達(dá)圖像傳輸系統(tǒng)是雷達(dá)的重要配屬設(shè)備，用于完成雷達(dá)站與指揮所之間的信息傳輸和通信。為了提高戰(zhàn)時(shí)雷達(dá)的生存能力和戰(zhàn)斗力，要求雷達(dá)具有高機(jī)動(dòng)的快速反應(yīng)能力，作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要配屬設(shè)備的圖像傳輸系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求將更高。過(guò)去那種靠人工操作架設(shè)和調(diào)整圖像傳輸天線的方法已不適應(yīng)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的要求。
本文針對(duì)雷達(dá)圖像傳輸（簡(jiǎn)稱“圖傳”）天線定向?qū)?zhǔn)困難的問(wèn)題，將GPS技術(shù)、數(shù)字羅盤技術(shù)用于圖傳天線定向控制，提出了圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了精度分析。該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地完成定向?qū)?zhǔn)工作，滿足高機(jī)動(dòng)雷達(dá)信息傳輸要求。
1 圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理
圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理是通過(guò)GPS采集圖傳天線的經(jīng)緯度和高度等位置信息，通過(guò)數(shù)字羅盤采集圖傳天線的方位角" title="方位角">方位角和俯仰角等姿態(tài)信息，結(jié)合指揮所圖傳接收天線" title="接收天線">接收天線的位置信息，計(jì)算出圖傳天線對(duì)準(zhǔn)指揮所圖傳接收天線所需的方位角、俯仰角，然后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)定向。
2 圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)采集圖傳天線的三坐標(biāo)信息和姿態(tài)信息，控制液晶顯示器的顯示和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用有8KB ROM的AT89S52，可滿足軟件設(shè)計(jì)所需的內(nèi)存空間。
2．1 GPS接收機(jī)
雷達(dá)機(jī)到達(dá)新陣地開始架設(shè)圖傳天線時(shí)，首先由單片機(jī)通過(guò)GPS接收機(jī)采集圖傳天線的三坐標(biāo)信息，作為計(jì)算天線方位角和俯仰角的部分輸入?yún)?shù)。本設(shè)計(jì)選用性價(jià)比較高的GARMIN GPS25 OEM板作為GPS信號(hào)接收設(shè)備。該接收機(jī)差分" title="差分">差分精度可達(dá)5m，輸出RS-232電平,經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后與單片機(jī)通信。GPS25 OEM板與單片機(jī)的通信接口電路圖如圖2所示。
2.2 數(shù)字羅盤
采集天線的姿態(tài)信息，主要需獲取天線實(shí)際的俯仰角和方位角。本設(shè)計(jì)選用了Honeywell公司的HMR3000數(shù)字羅盤。HMR3000安裝在天線座平穩(wěn)的圖傳天線上，這樣就可以不考慮天線架的姿態(tài)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。HMR3000可以為本設(shè)計(jì)提供圖傳天線的俯仰角和方位角，其中方位角測(cè)量精度為0.5°，俯仰角測(cè)量精度為0.3°。它提供RS-232和RS-485兩種輸出方式[1]。因此，它必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換才能與單片機(jī)通信。HMR3000與單片機(jī)的通信接口電路圖如圖3所示。
2.3 步進(jìn)電機(jī)
本設(shè)計(jì)選用性價(jià)比較好的四相八拍、步距角為0.9°的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制原理是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移。通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。四相步進(jìn)電機(jī)的四相分別定義為A、B、C、D。其各相通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A的不斷循環(huán)的通電方式；若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只需將供電順序反方向成D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D的循環(huán)通電方式即可。本設(shè)計(jì)采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別控制天線在水平方向和垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以下分別簡(jiǎn)稱方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)。
2.4 限位開關(guān)
為了防止出現(xiàn)意外情況時(shí)電機(jī)無(wú)法停止，造成損壞，在方位角和俯仰角步進(jìn)電機(jī)的極限位置設(shè)計(jì)限位開關(guān)。天線轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)極限位置后，限位開關(guān)將直接切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源強(qiáng)迫電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)限位開關(guān)的狀態(tài)可以觸發(fā)限位告警，提醒操作人員進(jìn)行必要處理。
3 圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括信息采集、參數(shù)計(jì)算、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)三部分。圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
3.1 信息采集部分
信息采集部分由單片機(jī)負(fù)責(zé)與GPS接收機(jī)及HMR3000通信，提取圖傳天線的三坐標(biāo)信息和姿態(tài)信息。采集GPS信息，主要完成對(duì)經(jīng)緯度、GPS定位指示和海拔高度的采集與顯示。GPS接收機(jī)輸出語(yǔ)句有十余種，其中定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句＄GPGGA是最為常用的語(yǔ)句[2]。GPS定位指示是GPS工作狀態(tài)的標(biāo)志。GPS定位指示有0、1、2三種狀態(tài)：0表示GPS不正常工作，數(shù)據(jù)無(wú)效；1表示無(wú)差分定位但數(shù)據(jù)有效；2表示差分定位數(shù)據(jù)有效。當(dāng)液晶顯示器上顯示的GPS定位指示為2時(shí)，即GPS工作在差分狀態(tài)，GPS信息采集完畢。采集GPS信息的程序流程如圖5所示。
采集圖傳天線的姿態(tài)信息，主要完成對(duì)圖傳天線的方位角、方位角狀態(tài)、俯仰角、俯仰角狀態(tài)的采集與顯示?！鏟INTHPR是HMR3000輸出語(yǔ)句中最常用的語(yǔ)句[1]，其格式為: ＄PINTHPR,方位角,方位角狀態(tài),俯仰角,俯仰角狀態(tài),滾動(dòng)角，滾動(dòng)角狀態(tài)*hh。方位角狀態(tài)、俯仰角狀態(tài)有M、N、O、L、P、C六種標(biāo)志，分別表示小提示、正常、重要提示、小告警、嚴(yán)重告警、調(diào)整電路。當(dāng)液晶顯示器上顯示的方位角狀態(tài)、俯仰角狀態(tài)指示都為N時(shí)，即HMR3000正常工作，姿態(tài)信息采集完畢。采集圖傳天線的姿態(tài)信息的程序流程如圖6所示。
3.2 參數(shù)計(jì)算部分
當(dāng)GPS25和HMR3000都正常工作時(shí)，AT89S52存儲(chǔ)圖傳天線的正確的三坐標(biāo)信息和方位角、俯仰角。設(shè)圖傳天線所處位置的經(jīng)度、緯度、海拔高度分別為L(zhǎng)1、B1、H1, 指揮所接收天線所處位置的經(jīng)度、緯度、海拔高度（確知的固定值已存儲(chǔ)在AT89S52內(nèi)）分別為L(zhǎng)2、B2、H2,地球半徑為R=6 378km，則當(dāng)圖傳天線對(duì)準(zhǔn)指揮所接收天線時(shí)，得到參數(shù)A和E分別為[2]（限于篇幅，省略詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)程）：
式中Φ=L2-L1;參數(shù)E為圖傳天線對(duì)準(zhǔn)指揮所接收天線時(shí)的俯仰角，其范圍是-90°～+90°；圖傳天線對(duì)準(zhǔn)指揮所接收天線時(shí)的方位角A1與參數(shù)A之間的關(guān)系如表1所示。方位角A1以正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，順時(shí)針為正，范圍是0°～360°。
單片機(jī)從HMR3000采集得到圖傳天線初始的方位角和俯仰角分別為A0和E0。E0與E進(jìn)行比較，得到兩個(gè)俯仰角的差值為：
△E=E-E0 (3)
設(shè)步進(jìn)電機(jī)控制圖傳天線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)。A1與A0的關(guān)系和步進(jìn)電機(jī)控制天線的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角角度△A的關(guān)系如表2所示。
3.3 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分
根據(jù)方位角和俯仰角的差值生成控制策略，按照先俯仰后方位的順序驅(qū)動(dòng)電機(jī)使圖傳天線對(duì)準(zhǔn)指揮所接收天線。
對(duì)|△E|/0.9四舍五入保留整數(shù)記為N1，對(duì)|△A|/0.9四舍五入保留整數(shù)記為N2。若△E﹥0，則AT89S52發(fā)送N1個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)俯仰角步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針?lè)崔D(zhuǎn)(向上)N1步； 反之，順時(shí)針正轉(zhuǎn)(向下)N1步。俯仰角步進(jìn)電機(jī)停止后，AT89S52發(fā)送N2個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)方位角步進(jìn)電機(jī)按照表2所示的關(guān)系正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))N2步。這樣，圖傳天線已經(jīng)基本對(duì)準(zhǔn)了指揮所接收天線。
4 精度分析
圖傳的作用距離一般小于50km，50km在赤道上對(duì)應(yīng)的地心角約為0.5°。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)圖傳天線和指揮所接收天線的三坐標(biāo)分別為（0.5°，0.5°，0m）和(0°，0°，1000m),用(1)、(2)式計(jì)算得到的A和E，與用嚴(yán)密復(fù)雜的方位角、俯仰角計(jì)算公式[3-5]計(jì)算得到的A和E比較，方位角誤差為0.15°，俯仰角誤差為0.01°；HMR3000方位精度≤0.5°，俯仰精度≤0.3°；步進(jìn)電機(jī)引起的方位角和俯仰角誤差均≤0.45°；GPS25的差分精度可達(dá)5m，對(duì)方位角和俯仰角引起的誤差可以忽略不計(jì)。綜合上述，方位角的誤差≤1.10°,俯仰角的誤差≤0.76°。本設(shè)計(jì)中的圖傳天線的半功率波瓣寬度B=6.5°，分析表明，在最大誤差范圍內(nèi)，圖傳天線基本對(duì)準(zhǔn)指揮所接收天線，可以正常工作。
本文在充分考慮性價(jià)比的基礎(chǔ)上提出了圖傳天線自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，能夠解決圖傳天線定向?qū)?zhǔn)困難的問(wèn)題，滿足高機(jī)動(dòng)雷達(dá)信息傳輸要求。如果選用更高精度的電子羅盤、步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，或控制軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行微調(diào)等，可以提高圖傳天線定向?qū)?zhǔn)的精度，但所需的成本更高，設(shè)計(jì)的軟硬件更復(fù)雜。
參考文獻(xiàn)
[1] HMR3000 Digital Compass Module User’s Guide.Honeywell,Inc.
[2] 呂海寰，蔡劍銘.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，1993.
[3] 熊 介.橢球大地測(cè)量學(xué)[M].北京：解放軍出版社，1994.
[4] 朱華統(tǒng)，黃繼文.橢球大地計(jì)算[M]. 北京：八一出版社，1993.
[5] 李宗春，李廣云.地球站天線方位/俯仰角嚴(yán)密計(jì)算方法的研究[J].天線技術(shù)，2003(6)：30-32.