成玉柱，潘玲云，夏雪婷

　　（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

       摘要：在占地球總面積70%左右的海洋上無(wú)法建立基站，由此迫切需要穩(wěn)健的船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)。船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究主要包括系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)、控制策略、硬件選型和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了克服船體的運(yùn)動(dòng)，三軸隨動(dòng)控制系統(tǒng)采用模糊PID算法，根據(jù)一系列的對(duì)星策略以使船體在運(yùn)動(dòng)中始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。采用FPGA芯片作為陀螺儀溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可使整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)更為精準(zhǔn)快速。監(jiān)控系統(tǒng)舍棄較為傳統(tǒng)的客戶(hù)端/服務(wù)器架構(gòu)，選擇瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。通過(guò)模擬測(cè)試，驗(yàn)證了船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較好的性能和友好的應(yīng)用性。

　　關(guān)鍵詞：船載衛(wèi)星通信；溫度補(bǔ)償；模糊控制；瀏覽器/服務(wù)器模式

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP27；TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2017.01.008

　　引用格式：成玉柱，潘玲云，夏雪婷. 基于ARM和B/S的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：25-28.

0引言

　　由于海上缺少固定的通信中繼站，而船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)正好可以充當(dāng)海上的通信中繼站，我國(guó)要建設(shè)成為海洋強(qiáng)國(guó)，海洋通信必不可少，由此迫切需要高性能的船載衛(wèi)星通信產(chǎn)品。于是開(kāi)發(fā)高性能的船載衛(wèi)星通信跟蹤系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　正是基于該目的，船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用了GPS獲取三軸的絕對(duì)地理坐標(biāo)，配以電子羅盤(pán)測(cè)量三軸理論角度，加上基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的溫度補(bǔ)償過(guò)的三軸陀螺儀測(cè)量三軸的瞬時(shí)速度來(lái)達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康模鶕?jù)搜索算法和跟蹤算法使整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)在模糊PID控制算法下更為精準(zhǔn)快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)星。為了監(jiān)控船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能以及實(shí)現(xiàn)對(duì)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的人為操作，通過(guò)有線(xiàn)局域網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)WiFi實(shí)現(xiàn)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的相互連接，監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器的瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)架構(gòu)［1］。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1船載衛(wèi)星通信工作過(guò)程

　　船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過(guò)程可以分成兩個(gè)部分，即發(fā)射過(guò)程和接收過(guò)程。發(fā)射過(guò)程將要傳輸?shù)男畔⒁来谓?jīng)過(guò)交換機(jī)和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，由上變頻功率放大器(Block UpConverter,BUC)將信號(hào)調(diào)制成適合在無(wú)線(xiàn)環(huán)境中傳輸?shù)男盘?hào)，再由船載天線(xiàn)發(fā)射出去［2］。船載接收過(guò)程則與發(fā)射過(guò)程相反，天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲下變頻器(Low Noise Block downconverter,LNB)濾波放大后送入定向耦合器，定向耦合器將接收到的信號(hào)分成兩路或多路，其中一路由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器完成解調(diào)用于業(yè)務(wù)；一路將作為信標(biāo)機(jī)的信號(hào)源，用于測(cè)量目標(biāo)衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)然船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與衛(wèi)星之間的通信方式是全雙工的。

　　1.2船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究的主要對(duì)象由ARM控制系統(tǒng)、控制天線(xiàn)姿態(tài)的隨動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)平盒模塊、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊組成，其中調(diào)平盒模塊中含有為解決三軸陀螺儀零點(diǎn)漂移難題的基于FPGA的溫度補(bǔ)償子模塊。

　　船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以輪船為載體，載體在海水運(yùn)動(dòng)的干擾下不僅會(huì)有三維運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有規(guī)律無(wú)法制定相應(yīng)的規(guī)則。為了高效率、高精度地實(shí)現(xiàn)船載天線(xiàn)時(shí)刻保持對(duì)星的姿態(tài)，必須采取一系列的控制策略才能順暢地完成正常的通信。在茫茫大海上要想得到船載天線(xiàn)的狀態(tài)，可通過(guò)安裝在船載跟蹤系統(tǒng)上的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)實(shí)時(shí)地獲取跟蹤系統(tǒng)的經(jīng)、緯度信息，通過(guò)和目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)緯度計(jì)算得到船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的理論位置和俯仰角，電子羅盤(pán)采集船載天線(xiàn)的航向角度、俯仰角度和橫搖角度，三軸陀螺儀測(cè)量三軸的瞬時(shí)速度來(lái)達(dá)到快速補(bǔ)償?shù)哪康模?］。ARM控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所得到的天線(xiàn)狀態(tài)以及信標(biāo)接收機(jī)反饋回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度實(shí)時(shí)地控制隨動(dòng)系統(tǒng)使船載天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。　　

2硬件模塊設(shè)計(jì)

　　2.1陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

　　為了提高本系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，本設(shè)計(jì)沒(méi)有選擇昂貴的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而選擇使用型號(hào)為CRS0302的微機(jī)械陀螺儀，但微機(jī)械陀螺儀有嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，這是以前船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所不能解決的難點(diǎn)，本系統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償策略克服三軸陀螺儀的溫漂問(wèn)題。對(duì)于溫度補(bǔ)償?shù)哪Ｐ腿绻麖牟牧显矸矫嬗美碚撏茖?dǎo)過(guò)于復(fù)雜，不如采用實(shí)驗(yàn)的方法快速有效。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將三軸陀螺儀放在可調(diào)的恒溫箱中，在-30℃~+80℃的溫度范圍內(nèi)，每隔2℃測(cè)量一次零點(diǎn)偏移量；每次采樣15 min取平均值作為該溫度下三軸陀螺儀的零點(diǎn)偏量［4］。圖2中用實(shí)心圓點(diǎn)表示測(cè)量的數(shù)據(jù)，實(shí)線(xiàn)是通過(guò)三次方基本擬合得到零點(diǎn)偏移量的擬合曲線(xiàn)方程，即：

　　當(dāng)-30℃≤T≤-16℃時(shí)，

　　bias=-0.526 55+0.003 62t-0.004 51t2-0.000 03t3;

　　當(dāng)-16℃≤T≤+24℃時(shí)，

　　bias=-0.723 14+0.047 63t-0.000 63t2;

　　當(dāng)24℃≤T≤40℃時(shí)，

　　bias=-2.747 3+0.129 48t-0.002 04t2+0.000 06t3;

　　當(dāng)40℃≤T≤80℃時(shí)，

　　bias=-12.843 7+0.429 476t-0.002 035t2+0.000 03t3　

　　陀螺儀溫度補(bǔ)償模塊采用芯片MAX125AEAX完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換有8個(gè)輸入通道分成兩組，每組的4個(gè)通道可以同時(shí)完成轉(zhuǎn)換任務(wù)。三軸陀螺儀可以用其中一組，另外一組留給其他輸出模擬信號(hào)的傳感器使用。溫度傳感器選用輸出數(shù)字量的DS18B20完成三軸微機(jī)械陀螺儀所處環(huán)境的溫度測(cè)量。FPGA芯片是這個(gè)子模塊的核心，它控制著模數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度傳感器協(xié)同工作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的4段陀螺儀溫度補(bǔ)償擬合曲線(xiàn)，在FPGA芯片內(nèi)部寫(xiě)成相應(yīng)的補(bǔ)償程序就可以計(jì)算出不同溫度下三軸微機(jī)械陀螺儀的溫度偏移補(bǔ)償值；將陀螺儀數(shù)字量減去相應(yīng)的補(bǔ)償值得到補(bǔ)償后的陀螺儀信號(hào)數(shù)字量，即可通過(guò)FPGA串口傳送給ARM控制系統(tǒng)，使得隨動(dòng)系統(tǒng)能夠控制天線(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤到衛(wèi)星［45］。三軸陀螺儀溫度補(bǔ)償子模塊硬件框圖如圖3所示。

　　2.2網(wǎng)絡(luò)模塊

　　采用客戶(hù)端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)模式的監(jiān)控系統(tǒng)存在只能在本地監(jiān)控、需要安裝某些特定的應(yīng)用程序等弊端；而基于嵌入式Web的B/S架構(gòu)監(jiān)控方案是通過(guò)無(wú)線(xiàn)(WiFi)或有線(xiàn)(TCP/IP)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與其他設(shè)備(PC、Pad、Phone等)的連接。B/S架構(gòu)可以有效地解決客戶(hù)端/服務(wù)器架構(gòu)的不足。

　　為了實(shí)現(xiàn)B/S模式，網(wǎng)絡(luò)模塊采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和有線(xiàn)網(wǎng)兩種方式，能夠很好地互補(bǔ)彼此的不足。有線(xiàn)電路由RJ45接口連接其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)DM9161BIEP芯片處理后傳送給ARM控制系統(tǒng)；考慮到監(jiān)控系統(tǒng)要在手持終端上使用，于是需要配置WiFi無(wú)線(xiàn)模塊，為了提高本設(shè)計(jì)的進(jìn)程，無(wú)線(xiàn)通信方式的硬件選用支持802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的威盛可插拔USB接口的無(wú)線(xiàn)模塊，直接通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)與ARM控制系統(tǒng)的連接。硬件的應(yīng)用還需要在嵌入式中移植無(wú)線(xiàn)網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本配置。基于這些設(shè)計(jì)之后，系統(tǒng)監(jiān)控只需要在客戶(hù)端設(shè)備安裝瀏覽器軟件即可。

　　2.3隨動(dòng)系統(tǒng)

　　2.3.1隨動(dòng)系統(tǒng)的模糊PID算法

　　根據(jù)反饋給ARM控制系統(tǒng)的天線(xiàn)情況，控制系統(tǒng)將控制5個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，為了提高隨動(dòng)系統(tǒng)的控制速度和精度，本系統(tǒng)采用模糊PID算法。

　　傳統(tǒng)PID的3個(gè)參數(shù)Ki、Kp、Kd通過(guò)誤差整定，結(jié)構(gòu)和算法相對(duì)簡(jiǎn)單，而載體在海洋中的工作用傳統(tǒng)的PID很難滿(mǎn)足。模糊PID能夠根據(jù)偏差和偏差變化率自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù)。參數(shù)整定有如下經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)偏差較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，取較大的Kp，Ki=0；當(dāng)偏差和偏差變化率處于中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取值小一些，Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，Ki的取值要適當(dāng)；當(dāng)偏差較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp與Ki均應(yīng)取得大些，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，Kd的取值相當(dāng)重要，一般在偏差變化率較小時(shí)，Kd取值應(yīng)該較大，反之則反。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)偏差和偏差變化率的值，根據(jù)模糊規(guī)則在線(xiàn)修改PID的3個(gè)參數(shù)，使得PID參數(shù)可自整定，以滿(mǎn)足不同偏差和偏差變化率對(duì)控制參數(shù)的要求［6］。

　　2.3.2船載天線(xiàn)的搜索算法和跟蹤算法

　　利用電子羅盤(pán)和雙GPS測(cè)姿儀能直接定位載體的方位角，所以船載天線(xiàn)可以直接或間接地走到理論方位。搜索模式采用畫(huà)框模式，就是以理論位置為中心向外畫(huà)框，隨著搜索的進(jìn)行畫(huà)的框越來(lái)越大。畫(huà)框的同時(shí)監(jiān)控自動(dòng)增益控制(Analog Gain Control，AGC)的變化，如果超過(guò)門(mén)限，立即停止畫(huà)框進(jìn)入跟蹤模式。若畫(huà)框搜索完設(shè)定的圈數(shù)后還沒(méi)有找到衛(wèi)星，則重新走到理論位置，再次進(jìn)行畫(huà)框搜索。應(yīng)用人員也可以根據(jù)實(shí)際情況在監(jiān)控系統(tǒng)中調(diào)節(jié)方位、俯仰的步進(jìn)角度和畫(huà)框圈數(shù)。畫(huà)框搜索算法的船載天線(xiàn)波束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

　　畫(huà)框搜索監(jiān)控到目標(biāo)衛(wèi)星的AGC超過(guò)門(mén)限值后立即進(jìn)入圓錐跟蹤狀態(tài)。圓錐跟蹤狀態(tài)是船載天線(xiàn)進(jìn)行通信時(shí)所保持的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，程序會(huì)控制天線(xiàn)做軌跡為圓的圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)AGC的差值計(jì)算天線(xiàn)需要調(diào)整的角度，通過(guò)對(duì)方向圖的擬合，發(fā)現(xiàn)超過(guò)門(mén)限值的方向圖成二次曲線(xiàn)。將固定相差角度的兩點(diǎn)AGC與這兩點(diǎn)的中心距離方向圖中AGC最大點(diǎn)兩者的分布進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)性度很高，R2=0.949 3。所以用左右兩點(diǎn)多的AGC的差值乘以一個(gè)系數(shù)就可以作為調(diào)整的角度。最終使得船載天線(xiàn)始終指向目標(biāo)衛(wèi)星。圓錐搜索算法的船載天線(xiàn)波束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

3監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　前文已經(jīng)說(shuō)明支撐監(jiān)控系統(tǒng)所需要的硬件配置，這里對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)本身進(jìn)行說(shuō)明。可以在選型為AT91SAM9263的ARM芯片中移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要考慮到它具有可裁剪、多用戶(hù)、多任務(wù)、設(shè)備文件化以及適合小型嵌入式系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，還要在ARM芯片中移植Web服務(wù)器Boa，Boa是一個(gè)非常小巧的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器［7］。由于嵌入式系統(tǒng)本身對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和程序運(yùn)行空間有較大的限制等特點(diǎn)，所以采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。客戶(hù)端瀏覽器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的信息傳遞規(guī)范采用通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface，CGI)，它的主要功能是從瀏覽器的表單中解析出有用成分，再將解析的結(jié)果與服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，以布局整潔的網(wǎng)頁(yè)呈現(xiàn)給用戶(hù)。

　　客戶(hù)端用戶(hù)在瀏覽器的地址欄中輸入Web服務(wù)器的IP地址，瀏覽器與服務(wù)器之間就會(huì)通過(guò)HTTP協(xié)議建立連接［8］。連接建立之后，瀏覽器就能發(fā)送表單請(qǐng)求，每當(dāng)服務(wù)器端接收到請(qǐng)求之后，服務(wù)器Boa就會(huì)創(chuàng)建新的CGI進(jìn)程來(lái)處理請(qǐng)求。一方面，CGI程序能夠獲得來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，另一方面，CGI程序所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)又能夠經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出返回給服務(wù)器。服務(wù)器端的CGI程序還能夠通過(guò)消息緩存隊(duì)列與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，將用戶(hù)要求發(fā)送給控制程序，控制程序根據(jù)用戶(hù)需求驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成對(duì)星動(dòng)作。

　　監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)Ajax技術(shù)和CGI為用戶(hù)提供良好的用戶(hù)體驗(yàn)。為了使監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)不同的客戶(hù)端設(shè)備，在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)中，必須采用不同網(wǎng)頁(yè)分辨率的自適應(yīng)技術(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

　　本文主要對(duì)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的硬件、隨動(dòng)系統(tǒng)的控制策略以及目標(biāo)衛(wèi)星的搜索跟蹤算法進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。在搖擺臺(tái)上進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，船載天線(xiàn)能在2 min左右跟蹤到目標(biāo)衛(wèi)星，檢測(cè)到的目標(biāo)衛(wèi)星AGC信號(hào)波動(dòng)范圍小于0.5 dB。由于陀螺儀零點(diǎn)漂移引起的丟星現(xiàn)象也得到了有效的改善；并且通過(guò)瀏覽器監(jiān)控系統(tǒng)，使其擁有更好的用戶(hù)體驗(yàn)。

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