《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM和B/S的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)
2017年微型機(jī)與應(yīng)用第1期
成玉柱,潘玲云,夏雪婷
南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210023
摘要: 在占地球總面積70%左右的海洋上無(wú)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(jì)、控制策略、硬件選型和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了克服船體的運(yùn)動(dòng),三軸隨動(dòng)控制系統(tǒng)采用模糊PID算法,根據(jù)一系列的對(duì)星策略以使船體在運(yùn)動(dòng)中始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)隨動(dòng)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(hù)端/服務(wù)器架構(gòu),選擇瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。通過(guò)模擬測(cè)試,驗(yàn)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。
Abstract:
Key words :

  成玉柱,潘玲云,夏雪婷

 ?。暇┼]電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210023)

       摘要:在占地球總面積70%左右的海洋上無(wú)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(jì)、控制策略、硬件選型和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了克服船體的運(yùn)動(dòng),三軸隨動(dòng)控制系統(tǒng)采用模糊PID算法,根據(jù)一系列的對(duì)星策略以使船體在運(yùn)動(dòng)中始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)隨動(dòng)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(hù)端/服務(wù)器架構(gòu),選擇瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。通過(guò)模擬測(cè)試,驗(yàn)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。

  關(guān)鍵詞:船載衛(wèi)星通信;溫度補(bǔ)償;模糊控制;瀏覽器/服務(wù)器模式

  中圖分類(lèi)號(hào):TP27;TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.16747720.2017.01.008

  引用格式:成玉柱,潘玲云,夏雪婷. 基于ARM和B/S的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(1):25-28.

0引言

  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(guó)要建設(shè)成為海洋強(qiáng)國(guó),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(kāi)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(shí)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(duì)地理坐標(biāo),配以電子羅盤(pán)測(cè)量三軸理論角度,加上基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)的溫度補(bǔ)償過(guò)的三軸陀螺儀測(cè)量三軸的瞬時(shí)速度來(lái)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)在模糊PID控制算法下更為精準(zhǔn)快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)星。為了監(jiān)控船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能以及實(shí)現(xiàn)對(duì)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的人為操作,通過(guò)有線局域網(wǎng)或無(wú)線WiFi實(shí)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]。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  1.1船載衛(wèi)星通信工作過(guò)程

  船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過(guò)程可以分成兩個(gè)部分,即發(fā)射過(guò)程和接收過(guò)程。發(fā)射過(guò)程將要傳輸?shù)男畔⒁来谓?jīng)過(guò)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(hào)調(diào)制成適合在無(wú)線環(huán)境中傳輸?shù)男盘?hào),再由船載天線發(fā)射出去[2]。船載接收過(guò)程則與發(fā)射過(guò)程相反,天線接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)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(hào)源,用于測(cè)量目標(biāo)衛(wèi)星的信號(hào)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(duì)象由ARM控制系統(tǒng)、控制天線姿態(tài)的隨動(dòng)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(diǎn)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(dòng)的干擾下不僅會(huì)有三維運(yùn)動(dòng),而且運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有規(guī)律無(wú)法制定相應(yīng)的規(guī)則。為了高效率、高精度地實(shí)現(xiàn)船載天線時(shí)刻保持對(duì)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(guò)安裝在船載跟蹤系統(tǒng)上的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)實(shí)時(shí)地獲取跟蹤系統(tǒng)的經(jīng)、緯度信息,通過(guò)和目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)緯度計(jì)算得到船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的理論位置和俯仰角,電子羅盤(pán)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(cè)量三軸的瞬時(shí)速度來(lái)達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康模?]。ARM控制系統(tǒng)會(huì)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(lái)的信號(hào)強(qiáng)度實(shí)時(shí)地控制隨動(dòng)系統(tǒng)使船載天線對(duì)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?! ?/p>

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2硬件模塊設(shè)計(jì)

  2.1陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

  為了提高本系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比,本設(shè)計(jì)沒(méi)有選擇昂貴的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而選擇使用型號(hào)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(diǎn)漂移問(wèn)題,這是以前船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所不能解決的難點(diǎn),本系統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償策略克服三軸陀螺儀的溫漂問(wèn)題。對(duì)于溫度補(bǔ)償?shù)哪P腿绻麖牟牧显矸矫嬗美碚撏茖?dǎo)過(guò)于復(fù)雜,不如采用實(shí)驗(yàn)的方法快速有效。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)量一次零點(diǎn)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(diǎn)偏量[4]。圖2中用實(shí)心圓點(diǎn)表示測(cè)量的數(shù)據(jù),實(shí)線是通過(guò)三次方基本擬合得到零點(diǎn)偏移量的擬合曲線方程,即:

  當(dāng)-30℃≤T≤-16℃時(shí),

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

  當(dāng)-16℃≤T≤+24℃時(shí),

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

  當(dāng)24℃≤T≤40℃時(shí),

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

  當(dāng)40℃≤T≤80℃時(shí),

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

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  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(gè)輸入通道分成兩組,每組的4個(gè)通道可以同時(shí)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(hào)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(cè)量。FPGA芯片是這個(gè)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(shí)驗(yàn)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(xiě)成相應(yīng)的補(bǔ)償程序就可以計(jì)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(hào)數(shù)字量,即可通過(guò)FPGA串口傳送給ARM控制系統(tǒng),使得隨動(dòng)系統(tǒng)能夠控制天線實(shí)時(shí)跟蹤到衛(wèi)星[45]。三軸陀螺儀溫度補(bǔ)償子模塊硬件框圖如圖3所示。

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  2.2網(wǎng)絡(luò)模塊

  采用客戶(hù)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(guò)無(wú)線(WiFi)或有線(TCP/IP)實(shí)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(hù)端/服務(wù)器架構(gòu)的不足。

  為了實(shí)現(xiàn)B/S模式,網(wǎng)絡(luò)模塊采用無(wú)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(guò)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(wú)線模塊,為了提高本設(shè)計(jì)的進(jìn)程,無(wú)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(wú)線模塊,直接通過(guò)USB接口實(shí)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(wú)線網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本配置?;谶@些設(shè)計(jì)之后,系統(tǒng)監(jiān)控只需要在客戶(hù)端設(shè)備安裝瀏覽器軟件即可。

  2.3隨動(dòng)系統(tǒng)

  2.3.1隨動(dòng)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(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,為了提高隨動(dòng)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(gè)參數(shù)Ki、Kp、Kd通過(guò)誤差整定,結(jié)構(gòu)和算法相對(duì)簡(jiǎn)單,而載體在海洋中的工作用傳統(tǒng)的PID很難滿(mǎn)足。模糊PID能夠根據(jù)偏差和偏差變化率自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù)。參數(shù)整定有如下經(jīng)驗(yàn):當(dāng)偏差較大時(shí),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(shí),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(duì)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(shí),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(shí),Kd取值應(yīng)該較大,反之則反。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(gè)參數(shù),使得PID參數(shù)可自整定,以滿(mǎn)足不同偏差和偏差變化率對(duì)控制參數(shù)的要求[6]。

  2.3.2船載天線的搜索算法和跟蹤算法

  利用電子羅盤(pán)和雙GPS測(cè)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(huà)框模式,就是以理論位置為中心向外畫(huà)框,隨著搜索的進(jìn)行畫(huà)的框越來(lái)越大。畫(huà)框的同時(shí)監(jiān)控自動(dòng)增益控制(Analog Gain Control,AGC)的變化,如果超過(guò)門(mén)限,立即停止畫(huà)框進(jìn)入跟蹤模式。若畫(huà)框搜索完設(shè)定的圈數(shù)后還沒(méi)有找到衛(wèi)星,則重新走到理論位置,再次進(jìn)行畫(huà)框搜索。應(yīng)用人員也可以根據(jù)實(shí)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(huà)框圈數(shù)。畫(huà)框搜索算法的船載天線波束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

004.jpg

  畫(huà)框搜索監(jiān)控到目標(biāo)衛(wèi)星的AGC超過(guò)門(mén)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(shí)所保持的狀態(tài),在該狀態(tài)下,程序會(huì)控制天線做軌跡為圓的圓周運(yùn)動(dòng),根據(jù)AGC的差值計(jì)算天線需要調(diào)整的角度,通過(guò)對(duì)方向圖的擬合,發(fā)現(xiàn)超過(guò)門(mén)限值的方向圖成二次曲線。將固定相差角度的兩點(diǎn)AGC與這兩點(diǎn)的中心距離方向圖中AGC最大點(diǎn)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(diǎn)多的AGC的差值乘以一個(gè)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(dòng)軌跡如圖5所示。

 

005.jpg

3監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  前文已經(jīng)說(shuō)明支撐監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件配置,這里對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)本身進(jìn)行說(shuō)明??梢栽谶x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(hù)、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(diǎn)。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(gè)非常小巧的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器[7]。由于嵌入式系統(tǒng)本身對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和程序運(yùn)行空間有較大的限制等特點(diǎn),所以采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)??蛻?hù)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(yè)呈現(xiàn)給用戶(hù)。

  客戶(hù)端用戶(hù)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(huì)通過(guò)HTTP協(xié)議建立連接[8]。連接建立之后,瀏覽器就能發(fā)送表單請(qǐng)求,每當(dāng)服務(wù)器端接收到請(qǐng)求之后,服務(wù)器Boa就會(huì)創(chuàng)建新的CGI進(jìn)程來(lái)處理請(qǐng)求。一方面,CGI程序能夠獲得來(lái)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(guò)消息緩存隊(duì)列與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互,將用戶(hù)要求發(fā)送給控制程序,控制程序根據(jù)用戶(hù)需求驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成對(duì)星動(dòng)作。

  監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)Ajax技術(shù)和CGI為用戶(hù)提供良好的用戶(hù)體驗(yàn)。為了使監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)不同的客戶(hù)端設(shè)備,在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)中,必須采用不同網(wǎng)頁(yè)分辨率的自適應(yīng)技術(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

  本文主要對(duì)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的硬件、隨動(dòng)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(jì)。在搖擺臺(tái)上進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn),船載天線能在2 min左右跟蹤到目標(biāo)衛(wèi)星,檢測(cè)到的目標(biāo)衛(wèi)星AGC信號(hào)波動(dòng)范圍小于0.5 dB。由于陀螺儀零點(diǎn)漂移引起的丟星現(xiàn)象也得到了有效的改善;并且通過(guò)瀏覽器監(jiān)控系統(tǒng),使其擁有更好的用戶(hù)體驗(yàn)。

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