摘 要： 基于GPS和數字羅盤" title="數字羅盤">數字羅盤技術，提出了雷達圖像傳輸天線自動控制系統的設計方案，通過GPS采集圖傳天線的位置信息，通過數字羅盤采集圖傳天線的姿態信息，通過步進電機" title="步進電機">步進電機驅動天線實現定向，并進行了精度分析。
關鍵詞： 圖像傳輸天線 自動控制? 單片機? GPS? HMR3000
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雷達圖像傳輸系統是雷達的重要配屬設備，用于完成雷達站與指揮所之間的信息傳輸和通信。為了提高戰時雷達的生存能力和戰斗力，要求雷達具有高機動的快速反應能力，作為雷達系統的重要配屬設備的圖像傳輸系統對機動性的要求將更高。過去那種靠人工操作架設和調整圖像傳輸天線的方法已不適應機動作戰的要求。
本文針對雷達圖像傳輸（簡稱“圖傳”）天線定向對準困難的問題，將GPS技術、數字羅盤技術用于圖傳天線定向控制，提出了圖傳天線自動控制系統的詳細軟硬件設計方案，進行了精度分析。該系統能夠快速準確地完成定向對準工作，滿足高機動雷達信息傳輸要求。
1 圖傳天線自動控制系統的原理
圖傳天線自動控制系統的原理是通過GPS采集圖傳天線的經緯度和高度等位置信息，通過數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信息，結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動天線實現定向。
2 圖傳天線自動控制系統的硬件設計
圖傳天線自動控制系統的硬件設計框圖如圖1所示。單片機是本系統的核心，它負責采集圖傳天線的三坐標信息和姿態信息，控制液晶顯示器的顯示和步進電機的轉動。本設計選用有8KB ROM的AT89S52，可滿足軟件設計所需的內存空間。
2．1 GPS接收機
雷達機到達新陣地開始架設圖傳天線時，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參數。本設計選用性價比較高的GARMIN GPS25 OEM板作為GPS信號接收設備。該接收機差分" title="差分">差分精度可達5m，輸出RS-232電平,經過電平轉換后與單片機通信。GPS25 OEM板與單片機的通信接口電路圖如圖2所示。
2.2 數字羅盤
采集天線的姿態信息，主要需獲取天線實際的俯仰角和方位角。本設計選用了Honeywell公司的HMR3000數字羅盤。HMR3000安裝在天線座平穩的圖傳天線上，這樣就可以不考慮天線架的姿態，簡化系統的設計。HMR3000可以為本設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，它必須經過電平轉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化為角位移。通過控制脈沖的個數來控制角位移量，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的不斷循環的通電方式；若要實現電機反方向轉動，只需將供電順序反方向成D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D的循環通電方式即可。本設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
為了防止出現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計限位開關。天線轉動到達極限位置后，限位開關將直接切斷電機驅動器電源強迫電機停轉，同時限位開關的狀態可以觸發限位告警，提醒操作人員進行必要處理。
3 圖傳天線自動控制系統的軟件設計
圖傳天線自動控制系統的軟件設計主要包括信息采集、參數計算、控制步進電機轉動三部分。圖傳天線自動控制系統的軟件設計流程如圖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信息。采集GPS信息，主要完成對經緯度、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，其中定位數據語句＄GPGGA是最為常用的語句[2]。GPS定位指示是GPS工作狀態的標志。GPS定位指示有0、1、2三種狀態：0表示GPS不正常工作，數據無效；1表示無差分定位但數據有效；2表示差分定位數據有效。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，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信息，主要完成對圖傳天線的方位角、方位角狀態、俯仰角、俯仰角狀態的采集與顯示?！鏟INTHPR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,俯仰角,俯仰角狀態,滾動角，滾動角狀態*hh。方位角狀態、俯仰角狀態有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、調整電路。當液晶顯示器上顯示的方位角狀態、俯仰角狀態指示都為N時，即HMR3000正常工作，姿態信息采集完畢。采集圖傳天線的姿態信息的程序流程如圖6所示。
3.2 參數計算部分
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。設圖傳天線所處位置的經度、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度、緯度、海拔高度（確知的固定值已存儲在AT89S52內）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A和E分別為[2]（限于篇幅，省略詳細的推導過程）：
式中Φ=L2-L1;參數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A之間的關系如表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)
設步進電機控制圖傳天線順時針轉動為正轉，反之為反轉。A1與A0的關系和步進電機控制天線的轉向與轉動的方位角角度△A的關系如表2所示。
3.3 控制步進電機轉動部分
根據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記為N1，對|△A|/0.9四舍五入保留整數記為N2。若△E﹥0，則AT89S52發送N1個脈沖驅動俯仰角步進電機逆時針反轉(向上)N1步； 反之，順時針正轉(向下)N1步。俯仰角步進電機停止后，AT89S52發送N2個脈沖驅動方位角步進電機按照表2所示的關系正轉(或反轉)N2步。這樣，圖傳天線已經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在赤道上對應的地心角約為0.5°。為了簡化計算，設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，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上提出了圖傳天線自動控制系統的設計方案。該系統結構簡單，價格便宜，能夠解決圖傳天線定向對準困難的問題，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動進行微調等，可以提高圖傳天線定向對準的精度，但所需的成本更高，設計的軟硬件更復雜。
參考文獻
[1] HMR3000 Digital Compass Module User’s Guide.Honeywell,Inc.
[2] 呂海寰，蔡劍銘.衛星通信系統[M].北京：人民郵電出版社，1993.
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[5] 李宗春，李廣云.地球站天線方位/俯仰角嚴密計算方法的研究[J].天線技術，2003(6)：30-32.