嵌入式式开发教程之基于ARM9的快速对星装置设计与实现.pptx

嵌入式开发教程之基于ARM9的快速对星装置设计与实现 引言1系统概述2硬件设计3软件设计3 1总体程序设计3 2HMR3000程序设计3 3GPS模块程序设计3 4对星参数理论值计算3 5方位角修正程序设计4应用及结果 大中型卫星站均具有相应的 完善的天线跟踪伺服系统 天线伺服跟踪系统依据信标信号强弱 决定天线转向 驱动天线旋转 达到准确对星 随着通信技术和电子技术的发展 小型卫星站如车载站 便携站受机动性能和便携性能的局限 不可能采用大中型卫星站才能使用的伺服跟踪系统 采用不同原理 开发适用于小型卫星站天线的对星装置 具有现实意义 引言 该装置通过GPS采集地理信息 电子罗盘采集姿态信息 根据GPS采集的地理信息 结合通信卫星位置 计算出对星所需要的标准方位 俯仰 极化参数 同时计算出当地 当年磁偏角数据 通过采集电子罗盘数据 得到初步方位 俯仰 极化数据 其中俯仰和极化均为天线实际指向值 但是方位值是以磁北为标准测量值 通过GPS得到的磁偏角数据 对从电子罗盘得到的以磁北为标准的方位值进行修正 得到比较准确的 以真北为标准的真实方位数据 其系统结构如图1所示 其中基于EVC4平台的多线程应用程序流程结构如图2所示 1嵌入式开发教程之系统概述 嵌入式开发教程 嵌入式开发教程 本装置在设计上 选择S3C2440作为主控制器构成硬件平台 利用其丰富的外部接口和高速处理能力 达到实时采集数据 及时处理数据 快速传输数据 不附加额外接口设备的目的 由于该装置需要测量的参数多 GPS 电子罗盘统一采用RS232接口 保证了测量数据精度和接口一致性 供电统一采用 5V锂电池电源供电 2嵌入式开发教程之硬件设计 本装置采用arm9作为主控制器 以WindowsCE net操作系统作为系统平台 使用EVC4开发环境作为开发工具 软件采用多线程结构 MFC和API编程技术 实时采集传感器数据 计算修正方位值 达到准确对星的目的 3嵌入式开发教程之软件设计 本装置程序采用多线程结构 在主线程 用户接口线程 的基础上 增加两个辅助线程 工作者线程 辅助线程负责处理数据采集 主线程负责界面响应 数据融合 数据显示 线程处理采用API 而不采用MFC编程 增加了程序的通用性 程序中还使用Suspend Thread挂起线程 ResumeThread恢复线程 Exit Thread退出线程 线程同步采用临界区域 也称关键区域 即CRITI CALSECTION 措施 首先用CRITICAL SEC TION申明一个全局变量 再调用InitializeCriticalSec tion初始化 使用EnterCriticalSection进入关键区域 使用LeaveCriticalSection离开关键区域 使用Delete CriticalSection函数删除关键区域 其关键部分代码如下 3 1嵌入式开发教程之总体程序设计 嵌入式开发教程 嵌入式开发教程 电子罗盘数据输出格式满足NMEA0183通信协议规范 根据需求选用 PTNTHPR语句 每秒更新30次 基本满足实时测量的要求 PTNTHPR语句的数据格式为 PTNTHPR hh各字段含义为 表示方位值 表示方位状态 表示俯仰值 表示俯仰状态 表示横滚值 表示横滚状态 hh表示校验和 采集数据程序在判断各参数状态正常的基础上 从输出语句中提取对应参数值 其线程函数部分代码如下 3 2嵌入式开发教程之HMR3000程序设计 嵌入式开发教程 GPS模块数据输出格式也满足NMEA0183通信协议规范 根据需求选用 GPRMC语句 默认更新速率 GPRMC语句的数据格式为 GPRMC hh 各字段含义为 表示方位值 表示方位状态 表示俯仰值 表示俯仰状态 表示横滚值 表示横滚状态 采集数据程序在判断各参数状态正常的基础上 从输出语句中提取对应参数值 其线程函数部分代码如下 3 3嵌入式开发教程之GPS模块程序设计 嵌入式开发教程 卫星通信中重要的一步就是卫星通信天线准确对准通信卫星 对星需要三个参数 方位 俯仰 极化 下面分别是三个参数的计算公式 其中 c是卫星波束中心经度 s为卫星的经度 g是接收地经度 为接收地纬度 卫星通信天线方位角计算公式 3 4嵌入式开发教程之对星参数理论值计算 极化角通常位于式 3 和式 4 的计算值之间 为简化计算常采用式 3 作为极化角计算公式使用 经过GPS采集得到接收地经度 纬度 结合卫星经度 采用C语言提供的数学函数可以很简便地计算出天线准确对星需要的三个参数 方位 俯仰 极化 为对星操作提供理论标准值 将对星操作简化为比对理论标准值 调整天线 使实际值与理论值完全一致 从而完成对星任务 嵌入式开发教程 电子罗盘测量得到的是天线实际指向值 由于电子罗盘是根据地磁场测量出方位值 此方位值实际是以磁北为标准的方位值 而理论值是以真北为标准的方位值 这样在电子罗盘测量值和理论计算值之间存在一个差值 此差值即为磁偏角 要使电子罗盘测量的方位值代表以真北为标准的方位值 必须在电子罗盘测量的数据基础上进行磁偏角的修正 根据IGRF2005地磁场模型 利用NOAA的NG DC提供的磁偏角计算程序 逐一计算覆盖我国领土及周边的磁偏角数据 其纬度为北纬10 50 经度为东经70 140 构成41 71的二维数组 根据经度 纬度数据提取磁偏角数据 与采集的罗盘数据进行运算 修正罗盘方位值 从而得到代表物体指向的比较准确的方位值 其部分代码如下所示 3 5嵌入式开发教程之方位角修正程序设计 嵌入式开发教程 从电子罗盘得到的方位数据 经过磁偏角修正 形成以真北为标准的真实方位数据 从而具有与理论对星参数比对的基础 该装置巧妙利用GPS模块和电子罗盘模块 在分别采集模块数据的基础上 利用地理信息进行查表运算 得出当地磁偏角 利用磁偏角修正方位 得到较为准确的方位指向数据 此装置采用S3C2440arm9芯片作为主CPU WindowsCE Net为操作系统平台 电子罗盘选用HoneywellHMR3000 GPS选用GarmINGPS25LVS 蘑菇头天线 单一 5V供电 输出接口均为RS232 该系统精度高 实时性好 界面直观 具有广泛的应用前景 某型卫星通信装备 天线口径1m 工作于Ku波段 其半功率波瓣宽度近似计算公式为 70 D 得到半功率波瓣宽度 1 75 通过磁偏角修正后的电子罗盘角度指示误差为 0 5 满足应用需求 2009年乌鲁木齐的磁偏角为 2 93 如果不加磁偏角修正 其误差总和为2 93 0 5 3 43 超过半功率波束宽度 无法完成对星任务 程序运行后界面如图3所示 4嵌入式开发教程之应用及结果 嵌入式开发教程 经过使甩证明 该装置经过磁偏角修正后 可以使用于方位精度要求 0 5 倾角和横滚经度要求土0 1 的物体位置和姿态测量 经过在昆明 喀什 北京等地实际使用测量 效果良好 平均对星时间由原来不