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[摘 要]为了在船上很好地接收卫星信号，对船载定向天线控制系统进行研究。本文主要是对船载定向天线控制系统的基本情况，姿态测量子系统，主控子系统和转台控制子系统进行分析论述，从而更好地了解船载定向天线控制系统，进而做好船舶与海岸陆地间的微波通信。
[关键词]船载定向天线；控制系统；子系统
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0258-01
一、船载定向天线控制系统的概述
1.船载定向天线控制系统的目的
船载定向天线控制系统要实现的目的就是使舰船与电台进行连续且稳定的通讯。电台发射的是全方位的微波信号，所以只要使船体上的微带定向天线的指向始终对准电台，就能达到舰船与电台通信的目的。
2.影响因素
安装在运动载体上的天线的指向受到两种干扰影响：一种是运动载体的角运动；另一种是载体长距离离线运动。这两种干扰都会使天线的指向偏离电台，使其无法接收电台信号。所以船载定向天线控制系统必须隔离这两种干扰的影响，稳定天线的指向。该天线控制系统要利用姿态测量传感器采集的运动载体航姿信息和位置信息，通过坐标变化、公式计算获得定向天线的目标指向。使用转台执行机构改变天线指向位置以补偿载体运动对天线指向的影响，使天线实际指向快速跟近或达到天线的目标指向，并跟随目标指向的变化而变化，从而保证天线始终对电台，确保通信正常。
姿态测量子系统实现运动载体航姿信息和位置信息的实时测量，为计算天线目标指向提供数据。操作平台子系统主要完成控制系统初始化信息的输入和系统运行状态的显示。主控子系统收集其它子系统信息，经过事件判断，数据处理，计算出天线目标指向，并将天线目标指向发送给天线执行机构。转台控制子系统主要实现的功能是根据天线目标指向驱动步进电机带动转台旋转，使天线对准电台：实现电机位置反馈和转台零位检测。转台和天线固联在一起，转台旋转带动天线旋转。电源部分为整个系统提供稳定的工作电压。
二、姿态测量子系统的概况
姿态测量子系统主要实现功能是完成运动载体的姿态测量。子系统由GPS、电子罗盘和倾角传感器构成，实现载体姿态测量的功能。
要想定向天线指向电台必须获得电台的位置坐标、运动载体的位置坐标和载体的航向角。GPS具有运动载体经纬度、速度、航向角输出功能。通过GPS航向角测量原理可知，GPS在速度接近零和静止时没有航向角输出。因此，要选用数字电子罗盘测量航向角，以填补GPS测量盲区，并选用两轴倾角传感器对电子罗盘进行角度补偿。
在姿态测量子系统中，GPS测量运动载体经纬度，即载体位置信息。载体航向角由GPS和电子罗盘组合测量得到，在运动载体速度小于一定值时，采用电力罗盘测量航向角，速度大于一定值时，由GPS测量。由于载体运动而是电子罗盘处于非水平状态，使其测量的航向角有误差，采用倾角传感器测量的纵摇角（P）和横滚角（R）对其进行角度补偿。由GPS、电子罗盘和倾角传感器组成的姿态测量子系统，实现了船体位置信息和航向角的精确测量，为天线目标指向的确定提供了计算数据。
三、主控子系统分析
主控子系统使整个控制系统的核心，也是各个子系统的联络中心。它汇集各个子系统的信息，进行分析处理、计算、判断，然后对各个子系统作出相应的反应。主要实现三方面的功能，具有如下：
第一，接收操作平台子系统的指令信息，并根据指令所需的数据回馈给操作平台。
第二，接收姿态传感器测量的船体姿态信息，计算出天线的目标指向，并将其发送给转台控制子系统。
第三，根据操作平台子系统发送命令向转台控制子系统发送查询指令和控制指令。
1.主控子系统的硬件设计
主控子系统由于计算量大，存储数据多，程序庞大，所以选用Philip51系列的P89C61X2芯片控制该系统的CPU。主控子系统的外围硬件设计主要由串口扩展电路、串口切换电路、RS232通信接口、RS485通信借口等组成。RS485通信接口原理和电路与操作平台子系统完全相同。
（1）串口扩展电路
主控CPU除一个串行中段源被占用外，还有两个外部中断源INT0和INT1没有使用，因此，可以利用这两个外部中断来扩展两路串口。串口扩展芯片SC16C2550用于串行通信的2通道通用异步收发器，它的基本功能是实现并行数据和串行数据的转换，可处理高达5Mbit/s的串行数据。该芯片一旦接收到总线上的数据立即输出一个低电平脉冲信号数据接收完成。将该信号引入CPU的外部中断输入接口，实现扩展串口的中断接收模式。
（2）串口切换电路
串口切换电路是为了实现主控CPU的一路串口同时与传感器微处理器和GPS通信。基本原理是将单片机本身具有的一个串口分时复用。操作方法是：系統上电初始化时，将切换电路转至GPS，系统接收到GPS的数据后，将切换电路转到传感器微处理器，去接收电子罗盘和倾角传感器的测量数据。
（3）TTL-RS232电平转换电路
GPS是按照RS232电平串行输出，主控CPU的串口是TTL电平输出。TTL逻辑0的电平为0V，逻辑1的电平为5V，而RS232的逻辑0的电平为+5—+15V，逻辑1的电平为-5—-15V。所以要实现两者之间的串行通信，需要实现TTL与RS232之间电平的转换。可以采用MAX232芯片来实现TTL-RS232的电平转换。它可以转化两路信号，一般只会遇到其中一路。
（2）通讯协议
由主控子系统组成框图可以看出，与主控子系统进行串行通信的有转台控制子系统、传感器微处理器、操作平台子系统和GPS。与GPS通信主要接收GPS发送的RMC数据帧。
主控子系统与转台控制子系统通信数据格式主要由帧头、操作码、数据、校验码和帧尾组成。通信波特率9600pbs。
四、转台控制子系统
转台控制子系统实现对天线良好的位置控制，关键在于执行部件的选择、步进电机丢步和过冲现象的避免以及电机位置反馈的设计。
转台结构由天线转台、旋转关节、减速器和密封合体等组成。转台通过一支架与天线相连接。转台零位位置安装一个接近开关传感器，当转台转到零位，接近开关传感器输出高电平信号，此时天线的波束指向应与船头方向一致。电机通过小齿轮与主轴大齿轮啮合，单级传动，速比7.5。光电编码器通过联轴节安装于电机下端。
电机和观点编码器等都安装在转台下方的密封盒体内，电机驱动器放置在密封盒体内右侧壁上，主控和转台控制子系统印制板放置在密封盒体正面盖板内侧，盖板可以拆卸，便于电气装置和线缆的安装与维修。姿态测量子系统除GPS外均安装于一密封支架上，支架固连在转台密封盒体外的左侧壁上，通信线直接通过支架引入转台密封舱内。GPS模块固定在密封舱底部，GPS天线从左侧过孔引出。所有外部引线通过一个七芯航空连接器与内部连接。
参考文献
[1] 秦爱民、闫英敏、闫建生：《捷联式船载天线控制系统的研究与设计》[J]，《国外电子测量技术》，2011年第6期.
[2] 张佳娟、雷电：《车载卫星天线控制系统的研究与设计》[J]，《计算机工程与设计》，2007年第11期.
[3] 孙永红、于建成、鲁新龙、金华松：《测控天禧方向图测试系统研究》[J]，《无线电工程》，2013年第7期.
[4] 刘晓明、艾文光：《船载卫星电视/遥感接收系统》[J]，《兵工自动化》，2013年第7期.
[关键词]船载定向天线；控制系统；子系统
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0258-01
一、船载定向天线控制系统的概述
1.船载定向天线控制系统的目的
船载定向天线控制系统要实现的目的就是使舰船与电台进行连续且稳定的通讯。电台发射的是全方位的微波信号，所以只要使船体上的微带定向天线的指向始终对准电台，就能达到舰船与电台通信的目的。
2.影响因素
安装在运动载体上的天线的指向受到两种干扰影响：一种是运动载体的角运动；另一种是载体长距离离线运动。这两种干扰都会使天线的指向偏离电台，使其无法接收电台信号。所以船载定向天线控制系统必须隔离这两种干扰的影响，稳定天线的指向。该天线控制系统要利用姿态测量传感器采集的运动载体航姿信息和位置信息，通过坐标变化、公式计算获得定向天线的目标指向。使用转台执行机构改变天线指向位置以补偿载体运动对天线指向的影响，使天线实际指向快速跟近或达到天线的目标指向，并跟随目标指向的变化而变化，从而保证天线始终对电台，确保通信正常。
姿态测量子系统实现运动载体航姿信息和位置信息的实时测量，为计算天线目标指向提供数据。操作平台子系统主要完成控制系统初始化信息的输入和系统运行状态的显示。主控子系统收集其它子系统信息，经过事件判断，数据处理，计算出天线目标指向，并将天线目标指向发送给天线执行机构。转台控制子系统主要实现的功能是根据天线目标指向驱动步进电机带动转台旋转，使天线对准电台：实现电机位置反馈和转台零位检测。转台和天线固联在一起，转台旋转带动天线旋转。电源部分为整个系统提供稳定的工作电压。
二、姿态测量子系统的概况
姿态测量子系统主要实现功能是完成运动载体的姿态测量。子系统由GPS、电子罗盘和倾角传感器构成，实现载体姿态测量的功能。
要想定向天线指向电台必须获得电台的位置坐标、运动载体的位置坐标和载体的航向角。GPS具有运动载体经纬度、速度、航向角输出功能。通过GPS航向角测量原理可知，GPS在速度接近零和静止时没有航向角输出。因此，要选用数字电子罗盘测量航向角，以填补GPS测量盲区，并选用两轴倾角传感器对电子罗盘进行角度补偿。
在姿态测量子系统中，GPS测量运动载体经纬度，即载体位置信息。载体航向角由GPS和电子罗盘组合测量得到，在运动载体速度小于一定值时，采用电力罗盘测量航向角，速度大于一定值时，由GPS测量。由于载体运动而是电子罗盘处于非水平状态，使其测量的航向角有误差，采用倾角传感器测量的纵摇角（P）和横滚角（R）对其进行角度补偿。由GPS、电子罗盘和倾角传感器组成的姿态测量子系统，实现了船体位置信息和航向角的精确测量，为天线目标指向的确定提供了计算数据。
三、主控子系统分析
主控子系统使整个控制系统的核心，也是各个子系统的联络中心。它汇集各个子系统的信息，进行分析处理、计算、判断，然后对各个子系统作出相应的反应。主要实现三方面的功能，具有如下：
第一，接收操作平台子系统的指令信息，并根据指令所需的数据回馈给操作平台。
第二，接收姿态传感器测量的船体姿态信息，计算出天线的目标指向，并将其发送给转台控制子系统。
第三，根据操作平台子系统发送命令向转台控制子系统发送查询指令和控制指令。
1.主控子系统的硬件设计
主控子系统由于计算量大，存储数据多，程序庞大，所以选用Philip51系列的P89C61X2芯片控制该系统的CPU。主控子系统的外围硬件设计主要由串口扩展电路、串口切换电路、RS232通信接口、RS485通信借口等组成。RS485通信接口原理和电路与操作平台子系统完全相同。
（1）串口扩展电路
主控CPU除一个串行中段源被占用外，还有两个外部中断源INT0和INT1没有使用，因此，可以利用这两个外部中断来扩展两路串口。串口扩展芯片SC16C2550用于串行通信的2通道通用异步收发器，它的基本功能是实现并行数据和串行数据的转换，可处理高达5Mbit/s的串行数据。该芯片一旦接收到总线上的数据立即输出一个低电平脉冲信号数据接收完成。将该信号引入CPU的外部中断输入接口，实现扩展串口的中断接收模式。
（2）串口切换电路
串口切换电路是为了实现主控CPU的一路串口同时与传感器微处理器和GPS通信。基本原理是将单片机本身具有的一个串口分时复用。操作方法是：系統上电初始化时，将切换电路转至GPS，系统接收到GPS的数据后，将切换电路转到传感器微处理器，去接收电子罗盘和倾角传感器的测量数据。
（3）TTL-RS232电平转换电路
GPS是按照RS232电平串行输出，主控CPU的串口是TTL电平输出。TTL逻辑0的电平为0V，逻辑1的电平为5V，而RS232的逻辑0的电平为+5—+15V，逻辑1的电平为-5—-15V。所以要实现两者之间的串行通信，需要实现TTL与RS232之间电平的转换。可以采用MAX232芯片来实现TTL-RS232的电平转换。它可以转化两路信号，一般只会遇到其中一路。
（2）通讯协议
由主控子系统组成框图可以看出，与主控子系统进行串行通信的有转台控制子系统、传感器微处理器、操作平台子系统和GPS。与GPS通信主要接收GPS发送的RMC数据帧。
主控子系统与转台控制子系统通信数据格式主要由帧头、操作码、数据、校验码和帧尾组成。通信波特率9600pbs。
四、转台控制子系统
转台控制子系统实现对天线良好的位置控制，关键在于执行部件的选择、步进电机丢步和过冲现象的避免以及电机位置反馈的设计。
转台结构由天线转台、旋转关节、减速器和密封合体等组成。转台通过一支架与天线相连接。转台零位位置安装一个接近开关传感器，当转台转到零位，接近开关传感器输出高电平信号，此时天线的波束指向应与船头方向一致。电机通过小齿轮与主轴大齿轮啮合，单级传动，速比7.5。光电编码器通过联轴节安装于电机下端。
电机和观点编码器等都安装在转台下方的密封盒体内，电机驱动器放置在密封盒体内右侧壁上，主控和转台控制子系统印制板放置在密封盒体正面盖板内侧，盖板可以拆卸，便于电气装置和线缆的安装与维修。姿态测量子系统除GPS外均安装于一密封支架上，支架固连在转台密封盒体外的左侧壁上，通信线直接通过支架引入转台密封舱内。GPS模块固定在密封舱底部，GPS天线从左侧过孔引出。所有外部引线通过一个七芯航空连接器与内部连接。
参考文献
[1] 秦爱民、闫英敏、闫建生：《捷联式船载天线控制系统的研究与设计》[J]，《国外电子测量技术》，2011年第6期.
[2] 张佳娟、雷电：《车载卫星天线控制系统的研究与设计》[J]，《计算机工程与设计》，2007年第11期.
[3] 孙永红、于建成、鲁新龙、金华松：《测控天禧方向图测试系统研究》[J]，《无线电工程》，2013年第7期.
[4] 刘晓明、艾文光：《船载卫星电视/遥感接收系统》[J]，《兵工自动化》，2013年第7期.