卫星便携站天线自动对星系统的设计与实现

摘要：针对卫星便携站窄波束天线找星难度大、对星耗时多、对星精度差的问题，设计并实现了一个附加在实装设备上的自动对星工具，以PIC单片机为核心，通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据，控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动、精确对星。通过使用高精度步进电机代替传统手工操作，能够明显缩短对星时间、提高对星精度，且体积较小、安装拆卸容易、携带方便，显著提高了通信效能。
关键词：卫星便携站；自动对星；卫星信号强度；方位俯仰传感器；步进电机

0 引言
目前，在卫星便携站对星方面，通常根据公式计算方位角和俯仰角的理论值，使用机械磁罗盘显示便携站天线的实际方位角和俯仰角，手动调整便携站天线实现对星。这种传统对星方式存在以下三个缺点：
(1)由于方位角和俯仰角理论值公式是基于真北进行计算的，而机械磁罗盘显示的是磁北方向，存在一定的磁偏角，磁偏角随经纬度的不同，其值也不同，并且每年都发生变化，因此根据公式计算的方位角和俯仰角的理论值与实际精确对星值之间存在一定的偏差；
(2)读取机械磁罗盘的时候，不同的操作人员会产生不同读取误差，通常会出现±1°～±3°的读取误差；
(3)采用手动调整便携站天线对星的方式，对方位角和俯仰角的调整幅度不能做到精确控制，这一点对窄波束便携站天线对星的影响尤为明显。
以上原因导致传统对星方式存在找星难度大、对星耗时多、对星精度差的问题，这一问题在陌生地域表现尤为突出，严重影响了卫星便携站的通信效能。
针对传统对星方式存在的问题，本文提出了卫星便携站自动对星系统，该系统是一个附加在实装设备上的自动对星工具，以PIC单片机为核心，通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据，控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动、精确对星。

1 相关研究
在卫星便携站对星方面，文献提出了采用GPS采集便携站地理位置信息，通过公式计算当前便携站方位角和俯仰角理论值，采用传感器采集便携站方位角和俯仰角的实际值，手动调整便携站方位角和俯仰角，通过对比理论值和实际值实现辅助对星。
这些辅助对星方式的优点有两个：采用GPS模块采集地理位置信息，根据公式计算便携站方位角和俯仰角的理论值，提高了效率；采用传感器模块代替了机械磁罗盘，消除了对星过程中的读取误差。但是，也存在两个缺点：因为磁偏角的存在，导致计算出的理论值并不是实际精确对星值；仍然采用手动对星方式，对星精度不高，不能真正达到完全自动对星。
针对传统对星方式和辅助对星方式的不足，本文提出了卫星便携站自动对星系统的设计方案，设计实现了卫星便携站自动对星系统。

2 总体设计
卫星便携站自动对星系统是一个附加在实装设备上的自动对星工具，以PIC单片机为核心，通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据，控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角，从而实现快速、自动、精确对星。系统结构框图如图1所示。