雷达图像传输天线自动控制系统的设计
2008-03-13
作者：黄少锋1， 张尊泉2， 邓 斌2
摘 要：基于GPS和数字罗盘" title="数字罗盘">数字罗盘技术，提出了雷达图像传输天线自动控制系统的设计方案，通过GPS采集图传天线的位置信息，通过数字罗盘采集图传天线的姿态信息，通过步进电机" title="步进电机">步进电机驱动天线实现定向，并进行了精度分析。
关键词：图像传输天线 自动控制 单片机 GPS HMR3000
雷达图像传输系统是雷达的重要配属设备，用于完成雷达站与指挥所之间的信息传输和通信。为了提高战时雷达的生存能力和战斗力，要求雷达具有高机动的快速反应能力，作为雷达系统的重要配属设备的图像传输系统对机动性的要求将更高。过去那种靠人工操作架设和调整图像传输天线的方法已不适应机动作战的要求。
本文针对雷达图像传输（简称“图传”）天线定向对准困难的问题，将GPS技术、数字罗盘技术用于图传天线定向控制，提出了图传天线自动控制系统的详细软硬件设计方案，进行了精度分析。该系统能够快速准确地完成定向对准工作，满足高机动雷达信息传输要求。
1 图传天线自动控制系统的原理
图传天线自动控制系统的原理是通过GPS采集图传天线的经纬度和高度等位置信息，通过数字罗盘采集图传天线的方位角" title="方位角">方位角和俯仰角等姿态信息，结合指挥所图传接收天线" title="接收天线">接收天线的位置信息，计算出图传天线对准指挥所图传接收天线所需的方位角、俯仰角，然后通过步进电机驱动天线实现定向。
2 图传天线自动控制系统的硬件设计
图传天线自动控制系统的硬件设计框图如图1所示。单片机是本系统的核心，它负责采集图传天线的三坐标信息和姿态信息，控制液晶显示器的显示和步进电机的转动。本设计选用有8KB ROM的AT89S52，可满足软件设计所需的内存空间。
2．1 GPS接收机
雷达机到达新阵地开始架设图传天线时，首先由单片机通过GPS接收机采集图传天线的三坐标信息，作为计算天线方位角和俯仰角的部分输入参数。本设计选用性价比较高的GARMIN GPS25 OEM板作为GPS信号接收设备。该接收机差分" title="差分">差分精度可达5m，输出RS-232电平,经过电平转换后与单片机通信。GPS25 OEM板与单片机的通信接口电路图如图2所示。
2.2 数字罗盘
采集天线的姿态信息，主要需获取天线实际的俯仰角和方位角。本设计选用了Honeywell公司的HMR3000数字罗盘。HMR3000安装在天线座平稳的图传天线上，这样就可以不考虑天线架的姿态，简化系统的设计。HMR3000可以为本设计提供图传天线的俯仰角和方位角，其中方位角测量精度为0.5°，俯仰角测量精度为0.3°。它提供RS-232和RS-485两种输出方式[1]。因此，它必须经过电平转换才能与单片机通信。HMR3000与单片机的通信接口电路图如图3所示。
2.3 步进电机
本设计选用性价比较好的四相八拍、步距角为0.9°的步进电机。步进电机的控制原理是将电脉冲信号转化为角位移。通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。四相步进电机的四相分别定义为A、B、C、D。其各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A的不断循环的通电方式；若要实现电机反方向转动，只需将供电顺序反方向成D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D的循环通电方式即可。本设计采用两台步进电机分别控制天线在水平方向和垂直方向转动，以下分别简称方位步进电机和俯仰步进电机。
2.4 限位开关
为了防止出现意外情况时电机无法停止，造成损坏，在方位角和俯仰角步进电机的极限位置设计限位开关。天线转动到达极限位置后，限位开关将直接切断电机驱动器电源强迫电机停转，同时限位开关的状态可以触发限位告警，提醒操作人员进行必要处理。
3 图传天线自动控制系统的软件设计
图传天线自动控制系统的软件设计主要包括信息采集、参数计算、控制步进电机转动三部分。图传天线自动控制系统的软件设计流程如图4所示。
3.1 信息采集部分
信息采集部分由单片机负责与GPS接收机及HMR3000通信，提取图传天线的三坐标信息和姿态信息。采集GPS信息，主要完成对经纬度、GPS定位指示和海拔高度的采集与显示。GPS接收机输出语句有十余种，其中定位数据语句＄GPGGA是最为常用的语句[2]。GPS定位指示是GPS工作状态的标志。GPS定位指示有0、1、2三种状态：0表示GPS不正常工作，数据无效；1表示无差分定位但数据有效；2表示差分定位数据有效。当液晶显示器上显示的GPS定位指示为2时，即GPS工作在差分状态，GPS信息采集完毕。采集GPS信息的程序流程如图5所示。
采集图传天线的姿态信息，主要完成对图传天线的方位角、方位角状态、俯仰角、俯仰角状态的采集与显示。＄PINTHPR是HMR3000输出语句中最常用的语句[1]，其格式为: ＄PINTHPR,方位角,方位角状态,俯仰角,俯仰角状态,滚动角，滚动角状态*hh。方位角状态、俯仰角状态有M、N、O、L、P、C六种标志，分别表示小提示、正常、重要提示、小告警、严重告警、调整电路。当液晶显示器上显示的方位角状态、俯仰角状态指示都为N时，即HMR3000正常工作，姿态信息采集完毕。采集图传天线的姿态信息的程序流程如图6所示。
3.2 参数计算部分
当GPS25和HMR3000都正常工作时，AT89S52存储图传天线的正确的三坐标信息和方位角、俯仰角。设图传天线所处位置的经度、纬度、海拔高度分别为L1、B1、H1, 指挥所接收天线所处位置的经度、纬度、海拔高度（确知的固定值已存储在AT89S52内）分别为L2、B2、H2,地球半径为R=6 378km，则当图传天线对准指挥所接收天线时，得到参数A和E分别为[2]（限于篇幅，省略详细的推导过程）：
式中Φ=L2-L1;参数E为图传天线对准指挥所接收天线时的俯仰角，其范围是-90°～+90°；图传天线对准指挥所接收天线时的方位角A1与参数A之间的关系如表1所示。方位角A1以正北方向为基准，顺时针为正，范围是0°～360°。
单片机从HMR3000采集得到图传天线初始的方位角和俯仰角分别为A0和E0。E0与E进行比较，得到两个俯仰角的差值为：
△E=E-E0 (3)
设步进电机控制图传天线顺时针转动为正转，反之为反转。A1与A0的关系和步进电机控制天线的转向与转动的方位角角度△A的关系如表2所示。
3.3 控制步进电机转动部分
根据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顺序驱动电机使图传天线对准指挥所接收天线。
对|△E|/0.9四舍五入保留整数记为N1，对|△A|/0.9四舍五入保留整数记为N2。若△E﹥0，则AT89S52发送N1个脉冲驱动俯仰角步进电机逆时针反转(向上)N1步； 反之，顺时针正转(向下)N1步。俯仰角步进电机停止后，AT89S52发送N2个脉冲驱动方位角步进电机按照表2所示的关系正转(或反转)N2步。这样，图传天线已经基本对准了指挥所接收天线。
4 精度分析
图传的作用距离一般小于50km，50km在赤道上对应的地心角约为0.5°。为了简化计算，设图传天线和指挥所接收天线的三坐标分别为（0.5°，0.5°，0m）和(0°，0°，1000m),用(1)、(2)式计算得到的A和E，与用严密复杂的方位角、俯仰角计算公式[3-5]计算得到的A和E比较，方位角误差为0.15°，俯仰角误差为0.01°；HMR3000方位精度≤0.5°，俯仰精度≤0.3°；步进电机引起的方位角和俯仰角误差均≤0.45°；GPS25的差分精度可达5m，对方位角和俯仰角引起的误差可以忽略不计。综合上述，方位角的误差≤1.10°,俯仰角的误差≤0.76°。本设计中的图传天线的半功率波瓣宽度B=6.5°，分析表明，在最大误差范围内，图传天线基本对准指挥所接收天线，可以正常工作。
本文在充分考虑性价比的基础上提出了图传天线自动控制系统的设计方案。该系统结构简单，价格便宜，能够解决图传天线定向对准困难的问题，满足高机动雷达信息传输要求。如果选用更高精度的电子罗盘、步距角更小的步进电机，或控制软件对电机转动进行微调等，可以提高图传天线定向对准的精度，但所需的成本更高，设计的软硬件更复杂。
参考文献
[1] HMR3000 Digital Compass Module User’s Guide.Honeywell,Inc.
[2] 吕海寰，蔡剑铭.卫星通信系统[M].北京：人民邮电出版社，1993.
[3] 熊 介.椭球大地测量学[M].北京：解放军出版社，1994.
[4] 朱华统，黄继文.椭球大地计算[M]. 北京：八一出版社，1993.
[5] 李宗春，李广云.地球站天线方位/俯仰角严密计算方法的研究[J].天线技术，2003(6)：30-32.