【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于CAN總線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-軟件工程

碩士學(xué)位論文 （軟件工程碩士） 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 姓 名：王立基 學(xué) 號(hào)： 0721170648 所在院系：軟件學(xué)院 職業(yè)類型：工程碩士 專業(yè)領(lǐng)域：軟件工程 指導(dǎo)教師：張惠娟 副指導(dǎo)教師：俞劉寶 二 一三年九月 in of a i 0721170648 2013 基于同濟(jì)大學(xué) 位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家 有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 學(xué)位論文作者簽名： 2013 年 9 月 25 日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒 有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 2013 年 9 月 25 日 濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 摘要 1 摘要 伴隨我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)信息的獲取方式和獲取渠道及信息獲取的實(shí)時(shí)性提出了新的要求。傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)雖然能夠提供大帶寬數(shù)據(jù)通信，但受地域、環(huán)境等因素限制，在處 理突發(fā)事件、現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控等情況時(shí)卻不能滿足使用需求。因此衛(wèi)星通信作為一種不受空間、時(shí)間限制的通信方式正越來越受各行各業(yè)的青睞?；?統(tǒng)正逐漸興起，其提供的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)通信功能可以滿足用戶在任何時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行視頻、圖像、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ擁?xiàng)技術(shù)正越來越廣泛的應(yīng)用于軍事、海事、減災(zāi)等領(lǐng)域。 論文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種衛(wèi)星動(dòng)中通系統(tǒng)。通過對(duì)衛(wèi)星通信市場的廣泛調(diào)研，了解一線用戶需求，深入分析了衛(wèi)星動(dòng)中通產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于 系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的在于實(shí)現(xiàn)在車載、船載安裝條件下，穩(wěn)定的衛(wèi)星跟蹤功能。確保在載體正常行駛過程中，為用戶提供了可靠的寬帶通信服務(wù)。該設(shè)計(jì)大量采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，降低了研發(fā)成本的同時(shí)提高產(chǎn)品可靠性。具體來說，系統(tǒng)核心控制部分采用 用嵌入式編程技術(shù)及 最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程經(jīng)歷需求分析、產(chǎn)品預(yù)研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、批量生產(chǎn)幾個(gè)階段，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)，目前已交付用戶使用。經(jīng)用戶反饋，穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)性能可 靠。 關(guān)鍵字： 動(dòng)中通， 蹤，衛(wèi)星通信 no is to it is in of in is a in by in in is in a of of of up a of is of on a It of to of RM to of of in is by in 濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 摘要 3 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 4 目 錄 第一章 概述 . 1 究背景 . 1 究現(xiàn)狀 . 2 究意義 . 3 究內(nèi)容與論文組織安排 . 3 第二章 相關(guān)技術(shù) . 7 星通信技術(shù) . 7 蹤系統(tǒng)控制技術(shù) . 8 入式系統(tǒng) . 8 . 11 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù) . 13 服驅(qū)動(dòng)技術(shù) . 13 度測(cè)量技術(shù) . 14 纖陀螺技術(shù) . 14 . 15 號(hào)測(cè)量技術(shù) . 16 蹤系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 . 17 入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境 . 17 件燒錄工具 . 17 第三章 系統(tǒng)功能需求分析 . 18 體系統(tǒng)需求 . 18 蹤系統(tǒng)總線需求 . 20 星通信系統(tǒng)功能需求 . 20 蹤系統(tǒng)功能需求 . 22 動(dòng)尋星功能 . 22 號(hào)自動(dòng)搜索跟蹤功能 . 23 蹤系統(tǒng)總體性能需求 . 24 第四章 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 26 蹤系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) . 26 蹤系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì) . 27 蹤系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) . 27 動(dòng)尋星功能設(shè)計(jì) . 28 號(hào)自動(dòng)搜索跟蹤功能設(shè)計(jì) . 29 蹤系統(tǒng) . 32 蹤系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 32 蹤系統(tǒng) . 33 系統(tǒng)控制單元總線地址規(guī)劃 . 33 系 統(tǒng)功能設(shè)計(jì) . 34 環(huán)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 35 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 5 號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 37 性測(cè)量分系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 38 位定向分系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 39 . 40 第五章 跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) . 43 蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn) . 43 理器配置 . 43 要寄存器初始化實(shí)現(xiàn) . 48 . 50 要分系統(tǒng)功能關(guān)鍵技術(shù)軟件實(shí)現(xiàn) . 51 環(huán)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng) . 52 位定向分系統(tǒng) . 54 性測(cè)量分系統(tǒng) . 57 號(hào)測(cè)量分系統(tǒng) . 57 線控制分系統(tǒng) . 60 統(tǒng)自動(dòng)跟蹤功能的軟件實(shí)現(xiàn) . 62 動(dòng)尋星功能 . 62 號(hào)自動(dòng)搜索跟蹤 功能 . 65 定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果 . 67 系統(tǒng)性能測(cè)試 . 68 蹤系統(tǒng)整體性能測(cè)試 . 71 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果 . 75 第六章 總結(jié)與展望 . 77 結(jié) . 77 望 . 78 致謝 . 1 參考文獻(xiàn) . 3 個(gè)人簡歷、在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成 果 . 6 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 6 第 1 章 概述 1 第一章 概述 本章首先闡述了研究的背景和現(xiàn)狀，然后對(duì)市場和行業(yè)狀況進(jìn)行了簡單介紹， 最后說明本論文的主要研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)。 究背景 伴隨當(dāng)今社會(huì)信息化的不斷發(fā)展，通信領(lǐng)域技術(shù)的不斷創(chuàng)新，各種新的業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備的出現(xiàn)，為人人、人機(jī)之間的交互方式提供了廣泛選擇。隨著信息量的不斷增長，單純依靠有線網(wǎng)和地面蜂窩系統(tǒng)已經(jīng)不能更大限度滿足人們對(duì)通信的需求，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的長足發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。衛(wèi)星技術(shù)可以為地面、航空、海事等領(lǐng)域的用戶提供大帶 寬的通信服務(wù)。并且利用同步軌道通信衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)覆蓋，不受空間、時(shí)間、地理環(huán)境限制實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的寬帶數(shù)據(jù)通信。 從 1964年第一顆人造同步軌道通信衛(wèi)星發(fā)射至今，衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷近 50年的發(fā)展，通信衛(wèi)星已經(jīng)由最簡單的中繼站發(fā)展到目前具備先進(jìn)處理轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的交換平臺(tái)。特別是上世紀(jì)末期衛(wèi)星通信技術(shù)突飛猛進(jìn)，各種新技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信上，大幅提高了衛(wèi)星通信能力，并且有效降低成本，用戶數(shù)量激增。通信衛(wèi)星已不再是少數(shù)群體能夠使用的資源。衛(wèi)星通信覆蓋的行業(yè)領(lǐng)域也越來越廣泛。隨之而來對(duì)衛(wèi)星通信技術(shù)提出了更高的要求。從簡單的 地面站 地面站這種固定式的通信模式，發(fā)展到先進(jìn)的地面站 移動(dòng)地面站，甚至是移動(dòng)站移動(dòng)站的通信模式。由此衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展衍生出具備移動(dòng)中通信能力的衛(wèi)星通信技術(shù)，簡稱動(dòng)中通技術(shù)。 所謂衛(wèi)星通信“動(dòng)中通”系統(tǒng)是指可以在移動(dòng)狀態(tài)下通過衛(wèi)星進(jìn)行無線電通信的終端地球站，包括車載、船載、機(jī)載三種安裝方式。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下： （ 1）天線口徑小，動(dòng)中通系統(tǒng)受車輛、船舶等載體安裝環(huán)境限制，通常采用直徑 小口徑天線。 （ 2）動(dòng)中通系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中隨地理位置變化影響，與連接衛(wèi)星的 ，需要修正發(fā)射功率或發(fā)射速率。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 （ 3）動(dòng)中通系統(tǒng)在移動(dòng)過程中電波傳輸受遮擋影響會(huì)時(shí)常中斷，因此要求具備快速星地鏈路恢復(fù)能力。 （ 4）動(dòng)中通系統(tǒng)由于在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行衛(wèi)星通信，而衛(wèi)星通信本神對(duì)天線面指向精度有很高要求，因此動(dòng)中通系統(tǒng)需具備優(yōu)秀的跟蹤能力，不論載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如何變化，始終保證天線準(zhǔn)確指向，避免指向偏差造成鄰星干擾。 典型的動(dòng)中通系統(tǒng)應(yīng)用示例如圖 衛(wèi) 星 站 1衛(wèi) 星 站 2C D M - 5 7 0 L M - 5 7 0 L 圖 型動(dòng)中通應(yīng)用示例圖 圖 備了動(dòng)中通系統(tǒng)，采用 路單載波方式）通過通信衛(wèi)星與遠(yuǎn)端地面站進(jìn)行連接。兩端都配有 以為用戶提供標(biāo)準(zhǔn) 過搭配 換機(jī)， 頻會(huì)議終端等設(shè)備，能向用戶提供語音、視頻和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)确?wù)。 究 現(xiàn)狀 目前，動(dòng)中通系統(tǒng)作為新興技術(shù)處于衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)業(yè)的前沿，由于技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛和設(shè)備價(jià)格相對(duì)低廉，市場發(fā)展迅猛。用戶群體涵蓋電信、公安、人防、鐵路、應(yīng)急救災(zāi)、海事、軍事、航空、航天等領(lǐng)域。歐洲咨詢公司（ 測(cè)到 2020年國際市場對(duì)衛(wèi)星動(dòng)中通產(chǎn)品的年需求將超過 10億美元。國際老牌衛(wèi)星通信設(shè)備制造商如韓國的 國的 舶及航空器的動(dòng)中通產(chǎn)品。并且占有國內(nèi)外 95%以上的市場份額。 第 1 章 概述 3 國內(nèi)動(dòng)中通技術(shù)由于衛(wèi)星行業(yè)起步較晚，目前主要國內(nèi)廠商等盈利點(diǎn)集中于固定站建設(shè)、系統(tǒng)集成及靜中通產(chǎn)品研發(fā)階段。僅有部分廠商如中國電子集團(tuán)39所、 54所、中國航天集團(tuán)發(fā)動(dòng)中通產(chǎn)品，且尚未形成產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模。并且依然存在技術(shù)難點(diǎn)待攻關(guān)。主要應(yīng)用市場面向船載用戶，其特點(diǎn)是跟蹤速度較慢、跟蹤精確度較差，且不適用于 載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化較復(fù)雜的車輛和航空器上。 針對(duì)現(xiàn)今市場對(duì)衛(wèi)星通信提出移動(dòng)通信需求，動(dòng)中通系統(tǒng)將是未來衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力，將會(huì)大力提高衛(wèi)星通信技術(shù)在整個(gè)通信行業(yè)所占比重。市場需求前景廣闊。并且國內(nèi)廠商迫切需要自主研發(fā)動(dòng)中通產(chǎn)品，提高市場競爭力，減少或避免對(duì)國外產(chǎn)品的依賴性，增強(qiáng)自身競爭能力。 究 意義 衛(wèi)星通信動(dòng)中通系統(tǒng)主要應(yīng)用于移動(dòng)載體在移動(dòng)過程中的通信聯(lián)絡(luò)，由于采用 小口徑天線終端）作為技術(shù)基礎(chǔ)，具備了衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧 了載體安裝尺寸限制。真正實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)中衛(wèi)星通信的目的。 現(xiàn)有主流動(dòng)中通系統(tǒng)主要由衛(wèi)星自動(dòng)跟蹤設(shè)備和衛(wèi)星通信設(shè)備兩部分組成。通過采用自主跟蹤，信號(hào)閉環(huán)控制等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)了各種車輛、船舶、航空器等載體通過同步軌道通信衛(wèi)星，實(shí)時(shí)不間斷傳遞寬帶數(shù)據(jù)、語音、視頻等多媒體信息。 本論文所進(jìn)行的研究，旨在設(shè)計(jì)一種可以兼顧車載、船載兩種環(huán)境下的通用動(dòng)中通衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)。利用成熟的衛(wèi)星通信技術(shù)、光纖陀螺技術(shù)、微處理器技術(shù)、 服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和先進(jìn)可靠的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一種高穩(wěn)定衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用以上 技術(shù)，研發(fā)出低成本、小型化、高可靠性和通用性的衛(wèi)星動(dòng)中通產(chǎn)品。 究內(nèi)容與論文組織安排 本論文是我單位根據(jù)對(duì)衛(wèi)星通信行業(yè)中動(dòng)中通產(chǎn)品的市場需求分析得出的結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)需方對(duì)動(dòng)中通產(chǎn)品的小型化、通用化、高穩(wěn)定跟蹤等同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 要求，對(duì)動(dòng)中通衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。論文主要從技術(shù)角度研究該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可行性。我處接到該設(shè)計(jì)任務(wù)后，結(jié)合單位情況進(jìn)行了以下工作： （ 1）研究了市場上同類型產(chǎn)品的主要技術(shù)性能指標(biāo)、成本和市場需求等信息，明確目標(biāo)客戶群體，對(duì)自身產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確定位。 （ 2）根據(jù)產(chǎn)品整體性能指 標(biāo)和主要功能要求，分析了主要部件的功能要求和技術(shù)難點(diǎn)。主要包括伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、角度測(cè)量技術(shù)、總線技術(shù)、定位定向技術(shù)、光纖陀螺技術(shù)、嵌入式軟件開發(fā)和衛(wèi)星通信技術(shù)等。 （ 3）參照對(duì)比現(xiàn)有同類主流產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)部分。衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分由于 計(jì)中以使用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品為原則，避免重復(fù)開發(fā)。作為重點(diǎn)研發(fā)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)部分為保證產(chǎn)品質(zhì)量和控制研發(fā)成本，盡可能采用已有成熟技術(shù)，設(shè)計(jì)了以 于 蓋了伺服驅(qū)動(dòng)、 位定向、角度測(cè)量、 光纖陀螺和信號(hào)測(cè)量等技術(shù)的分布嵌入式控制系統(tǒng)及其控制軟件。 （ 4）該設(shè)計(jì)軟件很好的實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品在移動(dòng)載具（車輛、船舶）行進(jìn)過程中可靠的衛(wèi)星跟蹤功能?？梢钥焖?、可靠的控制衛(wèi)星天線進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的初捕、重捕和連續(xù)跟蹤。各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足客戶需求，且部分指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。 本論文章節(jié)具體安排如下： 第一章 概述：分析衛(wèi)星通信行業(yè)現(xiàn)狀及動(dòng)中通產(chǎn)品產(chǎn)生的背景，簡述現(xiàn)階段行業(yè)狀況及市場前景，介紹本論文內(nèi)容和具體章節(jié)安排。 第二章 相關(guān)技術(shù)：介紹實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)涉及到的技術(shù)，研發(fā)環(huán)境，技術(shù)背景，工作原理和開發(fā)平臺(tái)。 第三章 需求分析：討論系統(tǒng)的功能需求和可行性分析。 第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：詳細(xì)說明跟蹤系統(tǒng)的總線設(shè)計(jì)，跟蹤系統(tǒng)與相應(yīng)分系統(tǒng)的軟硬件功能和工作流程設(shè)計(jì)。 第五章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：介紹系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中跟蹤系統(tǒng)主要功能及各分系統(tǒng)控制單元的軟件實(shí)現(xiàn)。 第 1 章 概述 5 第六章 總結(jié)與展望： 對(duì)于所做工作的總結(jié)和對(duì)未來工作的展望。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 第 2 章 相關(guān)技術(shù) 7 第二章 相關(guān)技術(shù) 本章介紹在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)中所用到的技術(shù)、理論背景和工具，并進(jìn)行說明。 星通信技術(shù) 衛(wèi)星通信技術(shù)來源于地面微波中繼通信，其主要特點(diǎn)是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行信號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。 衛(wèi) 星通信定義：是指設(shè)置在地球上的無線電通信站之間利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站的兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。 衛(wèi)星通信種類： 1. 按照地球站部署位置劃分，包括地面、空中、水面三種類型。 2. 按照移動(dòng)狀態(tài)劃分，可分為固定、機(jī)動(dòng)和移動(dòng)三種狀態(tài)。 （ 1） 固定式地球站是指不可移動(dòng)的，通常固定安裝在建筑上衛(wèi)星地面站。 （ 2）機(jī)動(dòng)地球站指可由車輛、船舶搭載，具備一定機(jī)動(dòng)能力的，可根據(jù)需要機(jī)動(dòng)至指定位置后，展開天線進(jìn)行通信的地面站。需要指出的是該類型地球站不具備移動(dòng)中通信的能力。 （ 3）移動(dòng)地面站是指可搭載在 車輛船舶載體上，并在移動(dòng)過程中進(jìn)行通信的地球站，即動(dòng)中通系統(tǒng)。 3. 按照衛(wèi)星軌道方式劃分，可分為同步軌道和非同步軌道。其中同步軌道衛(wèi)星是指對(duì)地靜止的衛(wèi)星。其需要滿足 3 個(gè)條件： （ 1）衛(wèi)星那個(gè)必須以與地球相同的旋轉(zhuǎn)速度向東運(yùn)動(dòng)。 （ 2）軌道必須為圓形。 （ 3）軌道傾角必須為零度。 目前主流通信衛(wèi)星均采用同步軌道方式。 4. 按照通信頻段劃分，目前主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻段管理是在國際電信聯(lián)盟（ 理下進(jìn)行的，其劃分標(biāo)準(zhǔn)如下（表 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 頻段名稱 頻段范圍（ 使用頻段（ 可 用帶寬（ 00250M L 波段（ 1 90/70M S 波段（ 2 80/20M 波段（ 4 800M X 波段（ 8 500M 段（ 12 500M 0a（ 27 3G 表 星通信頻段劃分表 根據(jù)以上對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)類型的劃分，本文所設(shè)計(jì)的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)，是一種用于 段同步軌道衛(wèi)星通信的車船載通用型移動(dòng)地球站。 蹤 系統(tǒng)控制技術(shù) 穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)中的跟蹤系統(tǒng)部分，主要采用基于 構(gòu)嵌入式系統(tǒng)和 中嵌入式系統(tǒng)用作實(shí)現(xiàn)整個(gè)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)， 各分系統(tǒng)提供基本功能支持。每個(gè)分系統(tǒng)的控制單元由針對(duì)各自功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)的嵌入式程序軟件進(jìn)行控制，準(zhǔn)確無誤的向天線控制分系統(tǒng)的控制單元提供跟蹤所需信息并嚴(yán)格執(zhí)行天線控制單元的運(yùn)轉(zhuǎn)指令，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的衛(wèi)星跟蹤功能。下面將重點(diǎn)介紹跟蹤系統(tǒng)控制所采用的主要技術(shù)。 入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是指 以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、體積、功耗等要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 它是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各行業(yè)應(yīng)用結(jié)合后的產(chǎn)物，作為專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常面向特定任務(wù)因此功能較為單一，但是卻具有執(zhí)行效率高、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。 其發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：無操作系統(tǒng)階段、簡單操作系統(tǒng)階段、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段、面向 段。 第 2 章 相關(guān)技術(shù) 9 一個(gè)完善的嵌入式系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成： （ 1）硬件層：主要包括嵌入式微處理器、存儲(chǔ) 器、通用設(shè)備接口和 I/O 接口。該層為上層操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件提供了硬件環(huán)境，其核心由微處理器、電源電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器四部分組成。 （ 2）中間層：也稱板級(jí)支持包 將系統(tǒng)上層應(yīng)用和底層硬件分離開來，使系統(tǒng)上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù) 提供的接口開發(fā)即可。 （ 3）系統(tǒng)軟件層：由 時(shí)操作系統(tǒng)）、文件系統(tǒng)、 絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。 （ 4）應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。 于 構(gòu)的嵌入式系統(tǒng) 司上世紀(jì)九十年代初成立于英國劍橋，是專門從事基于 術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，目前主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)授權(quán)，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?處理器芯片進(jìn)入市場。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用 司的授權(quán)，使得 的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場和更具競爭力。目前， 線通信、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、成像和安全產(chǎn)品各個(gè)領(lǐng)域。 采用 簡指令集計(jì)算機(jī) )架構(gòu)的 （ 1）支持 16 位） /32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16位器件，具有更好的代碼密度； （ 2）指令執(zhí)行采用 3級(jí)流水線 /5級(jí)流水線技術(shù)； （ 3）帶有指令和數(shù)據(jù) 緩存，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 （ 4）支持用戶、快中斷、中斷、管理、中止、系統(tǒng)和未定義等 7 種處理器模式，除了用戶模式外，其余的均為特權(quán)模式； （ 5）處理器芯片通過 免使用昂貴的在線仿真器。 （ 6） 具有片上總線 一個(gè)典型的 示： 圖 型 其包含有 31個(gè) 32位通用寄 存器及 6位狀態(tài)寄存器、 32 8位乘法器 32 32位桶形移位寄存器、指令譯碼及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)地址寄存器等。 處理器 中，2位嵌入式 頻最高可達(dá) 130用能夠提供 三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌硬件乘法器（ 第 2 章 相關(guān)技術(shù) 11 支持 16為壓縮指令集 入式 持片上 持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。指令系統(tǒng)與 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)從成本和功能需求等方面因素考慮，采用 型號(hào)處理器主頻為 60以滿足各單元數(shù)據(jù)處理，此外還具備 寬調(diào)制）、 2以滿足各分系統(tǒng)中不同傳感器及元器件的數(shù)據(jù)處理和傳輸需求。 核型號(hào)定義該型號(hào)處理器功能特點(diǎn)如下表 x 系列號(hào)，如 y 含有內(nèi)存管理或保護(hù) 單元，如 z 含有 含有 令解碼器，支持 令集，如 含有 試器，支持 持片上調(diào)試 M 含有硬件快速乘法器，如 含有內(nèi)嵌的在線調(diào)試宏單元（ CE 件部件，提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持，如 表示支持增強(qiáng)型 令 J 含有 速器 含有向量浮點(diǎn)單元 S 可以綜合版本，以源代碼形式提 供的，可被 具使用 表 場總線技術(shù) 總線是指各種信號(hào)線的集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時(shí)刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號(hào)。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。總線的主要參數(shù)包括： （ 1）總線帶寬：一定時(shí)間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，用 s 表示。 （ 2）總線位寬：總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)（ 總線的位寬指標(biāo)直接影響數(shù)據(jù)傳輸速率越大。 （ 3）總線頻率：工作 時(shí)鐘頻率以 單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。帶寬計(jì)算方式如下： 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 總線帶寬（ =總線位寬（ 總線頻率 (8 嵌入式系統(tǒng)常用總線類型有 線、 線、 線、 線、線和 線等 。 (是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，是由生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國 司于上世紀(jì) 80 年代開發(fā)的一種現(xiàn)場總線技術(shù)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在歐美 線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，由于其可靠性高、 傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)和 錯(cuò)誤檢測(cè)能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電磁環(huán)境惡劣的工業(yè)領(lǐng)域。 過采用智能設(shè)備使控制系統(tǒng)不再依賴單一的控制計(jì)算機(jī)或儀表，而是在現(xiàn)場直接完成數(shù)據(jù)處理，徹底的實(shí)現(xiàn)分散控制。通過簡化設(shè)備總線結(jié)構(gòu)，將不同的數(shù)據(jù)處理分散到各個(gè)控制模塊現(xiàn)場處理，可以有效降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求，并且大幅減輕總線系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，從而提高系統(tǒng)可靠性及降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。 靈活多樣，可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達(dá) 1通信接口中集成了 議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作，實(shí)際使用過程中網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可超過 100個(gè)。 采用對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方式進(jìn)行地址區(qū)分。優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由 11位或 29位二進(jìn)制數(shù)組成。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常有效。數(shù)據(jù)段長度最多為 8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。 證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。 線仲裁機(jī)制，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，必須將數(shù)據(jù)快速傳送 ,這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,要求快速地進(jìn)行總線分配，實(shí)時(shí)處理。同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換有較大的不同， 線以數(shù)第 2 章 相關(guān)技術(shù) 13 據(jù)幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 , 數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)在幀頭標(biāo)識(shí)符中 ,具有最低二進(jìn)制數(shù)值標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀有最高的優(yōu)先級(jí)。這 種優(yōu)先級(jí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定，且不可更改?？偩€中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀沖突可通過數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)位大小仲裁解決。當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，標(biāo)識(shí)符二進(jìn)制數(shù)值較小的數(shù)據(jù)幀具有較高的優(yōu)先級(jí)。這種仲裁方式可有效提高總線利用效率。 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的主要 技術(shù) 跟蹤系統(tǒng)中各分系統(tǒng)根據(jù)其不同功能特點(diǎn)，采用不同技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些分系統(tǒng)通過嵌入式系統(tǒng)和 不同的技術(shù)類型的設(shè)備整合到一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)體系中，進(jìn)而通過軟件算法完成跟蹤功能的整體設(shè)計(jì)，這些技術(shù)類型主要包括：伺服驅(qū)動(dòng)、角度測(cè)量、信號(hào)測(cè)量、慣性測(cè)量和 服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從功能上劃分可以分為伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩大部分，其中： 伺服驅(qū)動(dòng)器的主要功能是以數(shù)字信號(hào)處理器（ 為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。 伺服電機(jī)是一個(gè)執(zhí)行單元，它的作用是把控制信號(hào)（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)轫憫?yīng)轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電機(jī)分為直流和交流，本設(shè)計(jì)采用的交流伺服電機(jī)其工作原理是電機(jī)內(nèi)部定子裝有三相對(duì)稱的繞組，轉(zhuǎn)子部分是永久磁極 。當(dāng)定子的繞組中通過三相電源后，定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速同步。由于轉(zhuǎn)子有磁極，所以在極低頻率下也能旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，因此交流伺服電機(jī)調(diào)速范圍較寬，可適應(yīng)穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)載體的復(fù)雜姿態(tài)變化。另外，交流伺服電機(jī)通常配有編碼器。實(shí)時(shí)反饋電機(jī)運(yùn)行情況 至伺服 驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器又根據(jù)反饋進(jìn)一步精確的控制電機(jī)的運(yùn)行。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 14 度測(cè)量技術(shù) 角度測(cè)量技術(shù)作為自動(dòng)化設(shè)備的重要組成部分，其作用就是精確檢測(cè)位移量，并實(shí)時(shí)反饋位置變化量信號(hào)至數(shù)控裝置，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直 至偏差等于零為止。 為了提高穩(wěn)定式衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)在尋星和跟蹤過程中的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)星、穩(wěn)定跟蹤的功能，必須提高系統(tǒng)各軸向的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。通過對(duì)比同類產(chǎn)品，確定采用絕對(duì)值式編碼器作為位置檢測(cè)裝置。 絕對(duì)值式編碼器工作原理是通過讀取編碼盤上的圖案來表示數(shù)值的。其碼盤由個(gè)扇區(qū)構(gòu)成，每一個(gè)扇區(qū)由個(gè)位構(gòu)成，扇區(qū)中的位根據(jù)一定的編碼規(guī)則設(shè)計(jì)成透光與非透光兩種狀態(tài)。如圖 中空白的部分透光，用“ 0”表示；涂黑的部分不透光，用“ 1”表示。此碼盤每扇區(qū)有 4環(huán)，由里向外每一環(huán)配置的光電變換器對(duì)應(yīng) 2的 4次方。圖 6扇區(qū)，可實(shí)現(xiàn) 小測(cè)量角度可達(dá) =圖 萊編碼盤示例 在穩(wěn)定式衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)采用 16對(duì)值角度編碼器，其識(shí)別精度為 0,則進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)速度判決函數(shù)，否則重新進(jìn)入中斷等待狀態(tài)。通過方向及轉(zhuǎn)速判斷，調(diào)整 理器中 寬調(diào)制寄存器占空比，向伺服驅(qū)動(dòng)器輸出脈寬控制信號(hào)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各軸位移，實(shí)時(shí)接收角度編碼器反饋至控制單元的 16度的當(dāng)前角度位置數(shù)據(jù)，并將該實(shí)時(shí)位置循環(huán)與目標(biāo)位置比對(duì)，直至距離差值 =0 為止。閉環(huán)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)重新進(jìn)入等待狀態(tài)或用戶關(guān)閉系統(tǒng)。 由圖 圖 分系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，收到外部輸入的數(shù)據(jù)，通過自身閉環(huán)方式的調(diào)整 再調(diào)整控制方式實(shí)現(xiàn)自修正。減少天線控制分系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，該閉環(huán)方式符合分布嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。 啟動(dòng) 軟硬件初始化 中斷寄存器等待 判斷目標(biāo)位置距離 判斷運(yùn)轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié) 空比 驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn) 編碼器度數(shù)變化 關(guān)閉 第 4 章 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37 號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)設(shè)計(jì) 信號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)的功能是實(shí)時(shí)提供衛(wèi)星跟蹤信號(hào)的信噪比，相對(duì)于其他系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，卻又極其重要。該分系統(tǒng)是整個(gè)跟蹤系統(tǒng)中與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)的技術(shù)紐帶。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 圖 號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 該測(cè)量技術(shù)以專用 片為基礎(chǔ)，采用 116、 理器，構(gòu)成獨(dú)立的信號(hào)測(cè)量單元。其工作原理是分系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)利用理 30段的噪聲，將測(cè)量到的噪聲轉(zhuǎn)換為可處理的電平后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器以數(shù)據(jù)形式記錄該環(huán)境噪聲值。當(dāng)跟蹤系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由用 L 波段信號(hào)中截取所選頻段信號(hào)，然后將該頻段信號(hào)交由 換為可測(cè)量電壓，最后 通過 將該信噪比數(shù)據(jù)以 于系統(tǒng)跟蹤信號(hào)質(zhì)量的評(píng)判。 信號(hào)測(cè)量分系統(tǒng)軟件工作流程如下圖