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)，提出了雷達圖像傳輸天線自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過GPS采集圖傳天線的位置信息，通過數(shù)字羅盤采集圖傳天線的姿態(tài)信息，通過步進電機" title="步進電機">步進電機驅(qū)動天線實現(xiàn)定向，并進行了精度分析。
關(guān)鍵詞： 圖像傳輸天線 自動控制? 單片機? GPS? HMR3000
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雷達圖像傳輸系統(tǒng)是雷達的重要配屬設(shè)備，用于完成雷達站與指揮所之間的信息傳輸和通信。為了提高戰(zhàn)時雷達的生存能力和戰(zhàn)斗力，要求雷達具有高機動的快速反應(yīng)能力，作為雷達系統(tǒng)的重要配屬設(shè)備的圖像傳輸系統(tǒng)對機動性的要求將更高。過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)機動作戰(zhàn)的要求。
本文針對雷達圖像傳輸（簡稱“圖傳”）天線定向?qū)世щy的問題，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控制系統(tǒng)的詳細軟硬件設(shè)計方案，進行了精度分析。該系統(tǒng)能夠快速準確地完成定向?qū)使ぷ?，滿足高機動雷達信息傳輸要求。
1 圖傳天線自動控制系統(tǒng)的原理
圖傳天線自動控制系統(tǒng)的原理是通過GPS采集圖傳天線的經(jīng)緯度和高度等位置信息，通過數(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，計算出圖傳天線對準指揮所圖傳接收天線所需的方位角、俯仰角，然后通過步進電機驅(qū)動天線實現(xiàn)定向。
2 圖傳天線自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
圖傳天線自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖1所示。單片機是本系統(tǒng)的核心，它負責采集圖傳天線的三坐標信息和姿態(tài)信息，控制液晶顯示器的顯示和步進電機的轉(zhuǎn)動。本設(shè)計選用有8KB ROM的AT89S52，可滿足軟件設(shè)計所需的內(nèi)存空間。
2．1 GPS接收機
雷達機到達新陣地開始架設(shè)圖傳天線時，首先由單片機通過GPS接收機采集圖傳天線的三坐標信息，作為計算天線方位角和俯仰角的部分輸入?yún)?shù)。本設(shè)計選用性價比較高的GARMIN GPS25 OEM板作為GPS信號接收設(shè)備。該接收機差分" title="差分">差分精度可達5m，輸出RS-232電平,經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后與單片機通信。GPS25 OEM板與單片機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，主要需獲取天線實際的俯仰角和方位角。本設(shè)計選用了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)，簡化系統(tǒng)的設(shè)計。HMR3000可以為本設(shè)計提供圖傳天線的俯仰角和方位角，其中方位角測量精度為0.5°，俯仰角測量精度為0.3°。它提供RS-232和RS-485兩種輸出方式[1]。因此，它必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能與單片機通信。HMR3000與單片機的通信接口電路圖如圖3所示。
2.3 步進電機
本設(shè)計選用性價比較好的四相八拍、步距角為0.9°的步進電機。步進電機的控制原理是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移。通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。四相步進電機的四相分別定義為A、B、C、D。其各相通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A的不斷循環(huán)的通電方式；若要實現(xiàn)電機反方向轉(zhuǎn)動，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)計采用兩臺步進電機分別控制天線在水平方向和垂直方向轉(zhuǎn)動，以下分別簡稱方位步進電機和俯仰步進電機。
2.4 限位開關(guān)
為了防止出現(xiàn)意外情況時電機無法停止，造成損壞，在方位角和俯仰角步進電機的極限位置設(shè)計限位開關(guān)。天線轉(zhuǎn)動到達極限位置后，限位開關(guān)將直接切斷電機驅(qū)動器電源強迫電機停轉(zhuǎn)，同時限位開關(guān)的狀態(tài)可以觸發(fā)限位告警，提醒操作人員進行必要處理。
3 圖傳天線自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
圖傳天線自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括信息采集、參數(shù)計算、控制步進電機轉(zhuǎn)動三部分。圖傳天線自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖4所示。
3.1 信息采集部分
信息采集部分由單片機負責與GPS接收機及HMR3000通信，提取圖傳天線的三坐標信息和姿態(tài)信息。采集GPS信息，主要完成對經(jīng)緯度、GPS定位指示和海拔高度的采集與顯示。GPS接收機輸出語句有十余種，其中定位數(shù)據(jù)語句＄GPGGA是最為常用的語句[2]。GPS定位指示是GPS工作狀態(tài)的標志。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)無效；1表示無差分定位但數(shù)據(jù)有效；2表示差分定位數(shù)據(jù)有效。當液晶顯示器上顯示的GPS定位指示為2時，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。＄PINTHPR是HMR3000輸出語句中最常用的語句[1]，其格式為: ＄PINTHPR,方位角,方位角狀態(tài),俯仰角,俯仰角狀態(tài),滾動角，滾動角狀態(tài)*hh。方位角狀態(tài)、俯仰角狀態(tài)有M、N、O、L、P、C六種標志，分別表示小提示、正常、重要提示、小告警、嚴重告警、調(diào)整電路。當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，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)計算部分
當GPS25和HMR3000都正常工作時，AT89S52存儲圖傳天線的正確的三坐標信息和方位角、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L1、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在AT89S52內(nèi)）分別為L2、B2、H2,地球半徑為R=6 378km，則當圖傳天線對準指揮所接收天線時，得到參數(shù)A和E分別為[2]（限于篇幅，省略詳細的推導(dǎo)過程）：
式中Φ=L2-L1;參數(shù)E為圖傳天線對準指揮所接收天線時的俯仰角，其范圍是-90°～+90°；圖傳天線對準指揮所接收天線時的方位角A1與參數(shù)A之間的關(guān)系如表1所示。方位角A1以正北方向為基準，順時針為正，范圍是0°～360°。
單片機從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進行比較，得到兩個俯仰角的差值為：
△E=E-E0 (3)
設(shè)步進電機控制圖傳天線順時針轉(zhuǎn)動為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)。A1與A0的關(guān)系和步進電機控制天線的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)動的方位角角度△A的關(guān)系如表2所示。
3.3 控制步進電機轉(zhuǎn)動部分
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)動電機使圖傳天線對準指揮所接收天線。
對|△E|/0.9四舍五入保留整數(shù)記為N1，對|△A|/0.9四舍五入保留整數(shù)記為N2。若△E﹥0，則AT89S52發(fā)送N1個脈沖驅(qū)動俯仰角步進電機逆時針反轉(zhuǎn)(向上)N1步； 反之，順時針正轉(zhuǎn)(向下)N1步。俯仰角步進電機停止后，AT89S52發(fā)送N2個脈沖驅(qū)動方位角步進電機按照表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)基本對準了指揮所接收天線。
4 精度分析
圖傳的作用距離一般小于50km，50km在赤道上對應(yīng)的地心角約為0.5°。為了簡化計算，設(shè)圖傳天線和指揮所接收天線的三坐標分別為（0.5°，0.5°，0m）和(0°，0°，1000m),用(1)、(2)式計算得到的A和E，與用嚴密復(fù)雜的方位角、俯仰角計算公式[3-5]計算得到的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°；步進電機引起的方位角和俯仰角誤差均≤0.45°；GPS25的差分精度可達5m，對方位角和俯仰角引起的誤差可以忽略不計。綜合上述，方位角的誤差≤1.10°,俯仰角的誤差≤0.76°。本設(shè)計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)，圖傳天線基本對準指揮所接收天線，可以正常工作。
本文在充分考慮性價比的基礎(chǔ)上提出了圖傳天線自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，能夠解決圖傳天線定向?qū)世щy的問題，滿足高機動雷達信息傳輸要求。如果選用更高精度的電子羅盤、步距角更小的步進電機，或控制軟件對電機轉(zhuǎn)動進行微調(diào)等，可以提高圖傳天線定向?qū)实木龋璧某杀靖撸O(shè)計的軟硬件更復(fù)雜。
參考文獻
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