应急指挥通信系统车载卫星的找星定位

【摘 要】介绍了油气田应急指挥通信系统中一种车载卫星自动寻星系统的实现方法，并阐述了系统的基本原理。

【关键词】卫星通信；自动跟踪；MSP430单片机

0.概述

卫星通信作为当今通信传输领域的三大支柱之一，以其传输距离远，覆盖范围大，通信方式灵活多样，以及不受地理和自然环境影响而成为应急通信的主要手段。近年来，车载卫星通信成为油气田应急指挥系统中的重要通信方式之一，它可以在现场迅速展开天线，并快速自动寻星，提供迅速、有效的即时通信，保障了油气田生产过程中突发事件时的应对能力。现在，车载卫星通信系统作为一种小型化的能实现自动寻星和跟踪锁定的卫星通信系统，主要呈现出业务临时的特点，这就面临着如何快速，准确的找准卫星的问题。本文以基于MSP430的车载GPS终端与电子罗盘相结合为例，阐述车载卫星系统寻星及跟踪锁定功能的实现。

1.基本原理

本系统的核心为天线快速跟踪平台，能实现自动对星，跟踪锁定卫星信号。该平台将天线伺服控制系统和机械传动系统整合在一起，通过高灵敏度的传感器感知系统的方位，俯仰和极化角度值，并通过坐标变换和耦合分解计算出天线转动的补偿角度。

2.硬件部分

天线控制系统框架图

天线伺服控制系统核心采用T I 公司的MSP430F149 单片机。该单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，具有16 位的RISC结构，CPU 中的16 个寄存器和常数发生器使MSP430 微控制器能达到最高的代码效率，在8MHZ 的晶体驱动下，指令周期为125us。灵活的时钟源可以使期间达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器（DCO）可使元件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。片内的A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps。为了能够快速准确的采集数据，采用美国KVH 公司生产的C100 电子罗盘，它采用磁通门技术，航向精度可达到0.5°以内，通过其数字接口，可提供地球磁场X、Y 轴的水平分量，通过电子罗盘，来采集天线起始方位数据。利用G-503 GPS 获取天线系统所在地的经纬度。利用AT-201-SC倾角仪测量天线的倾斜角度，倾角仪通过硅微机械传感器测量以水平面微参面的双轴倾角变化，输出传感器相对于水平面的倾斜和俯仰角度。极化的调整使用的是直流电机，通过采集极化电位器的电平值，来得到相应的极化角度。方位和俯仰通过步进电机进行驱动，通过减速齿轮和齿轮带带动天线运动。通过MAX202EWE 和F16V8 组成的片选电路进行GPS，倾斜仪数据，电子罗盘数据的信号通道的切换。通过信标接收机来识别卫星信标信号。

3.软件部分

系统加电开机后，首先进行主控单元MSP430F149 的初始化，包括端口，模数转换，时钟，定时器，串口等的初始化。初始化完成后，读入倾斜仪数据，并进行判断。一般情况下，天线最初都处于收藏状态，倾斜仪的读数为负，天线的俯仰需要上抬，使天线俯仰转动轴平行于水平面，天线的方位轴线垂直于水平面。此时主控电路会读入GPS 和电子罗盘数据（AL）。GPS 所得到的系统所在地的经纬度为（θL，ΦL）， 卫星的经度用 表示。通过以下的公式计算出天线所在地的理论方位角（θs），俯仰角（Az）和天线馈源的极化角度值（Pol）：

Az=tan-1 （1）

EL=tan-1

（2）

通过和可以判断出天线的走步方向及走步的角度值。当天线走到理论方位后，天线会上抬到理论俯仰角。然后会把馈源转到理论极化角。由于理论值和实际值存在着一定的误差，所以在天线走到理论位置后，方位要在理论方位正负15°内进行搜索，俯仰方向会在上下5°内进行搜索。当接收的信标信号的agc电平与背景噪声的差值大于门限值的时候，天线便进入跟踪状态。接下来天线根据信号电平的变化进行螺旋式搜索，轨迹由大变小，直到信标信号agc 电平最大，此时天线便进入锁定状态。我们可以认为天线已经对准了卫星。如果天线在搜索状态时没有找到卫星，会重新回到理论位置，进行新的搜索，如此循环，直到最后锁定卫星。

4.结语

本文给出了车载卫星定位系统的硬件与软件的整体实现方式。经试验证明，本套系统具有很好的性能指标。能够快速准确的找准卫星，具有很好跟踪性能。

【参考文献】

[1]丹尼斯·罗迪.卫星通信.人民邮电出版社，2002，5.

[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京航空航天大学出版社，2002，11.