新型微波天线快速对准仪的研制

由于微波定向天线的方向性好，因此具有增益高、传输距离远、抗干扰能力强等诸多优点，因此被广泛应用于无线接力骨干网系统中，但因其主瓣很窄，天线稍有偏差就可能超出主瓣，使接收信号中断，所以定向天线对准是-项非常困难的工作m。针对定向微波天线对准困难的问题，将 GPS技术、数字罗盘技术和PWM控制电机技术应用于定向天线自动对准的控制系统，设计了详细的软硬件设计方案，进行精度分析和试验，结果表明该系统能够快速准确的完成定向对准工作。

2微波天线对准原理在定向天线系统中利用了地理坐标系确定我方和对方的空间位置。地理坐标系(O-XYZ)就是原点位于载体所在的地球表面，其中-轴与地理垂线重合的右手直角坐标系。地理坐标系的原点 0可选取在载体重心处，-般设X轴指向北，y轴指向西，z轴沿垂线方向指向天。天线的指向是对地理坐标系而言，包括方位角和俯仰角。方位角定义是天线指向在地理坐标系的投影与轴OX的夹角。顺时针方向为正。其角度是指以天线方位旋转轴为轴，以地理北极为起始点，顺时针方向旋转到天线指向的方位所经过的角度。俯仰角是定义天线指向与水平面的夹角 (OXY平面)，以水平方向为起点，向上旋转到天线指向为正闭。

定向天线的目标指向是对地理坐标系而言的，天线的目标指向只由我方和对方的地理坐标决定。我方和对方的位置可以根据GPS来获取它们的地理坐标。根据这两个地理坐标，就可以计算天线的目标指向。

由于微波天线通信方式的方向性较强，信号波束较窄，因此在设备开通时天线的方位必须要调整到最佳角度，否则将影响系统的有效通信距离和通信质量。也正因为微波天线信道的特殊性，决定采用两点确定-条直线原理，利用 GPS技术可以方便的计算我方、对方的方位角和俯仰角。

天线位置信息的采集，双方通过GPS采集天线位置的信息，包括经度 、纬度和海拔高度 ，我方：经度 E。，纬度 Ⅳl，高度 H ；对方：经度E ，纬度 ，高度吼；通信信道方位角的计算：方位角：aarctan(IE -E2 Ixr.)/(1N.Ⅳ2 lxr2)再根据对方相对我方的位置进行角度变换。由于我国处于北半球东经范围，所以这里也只考虑双方都在北半球东经范围内来稿日期：2012-09-11作者简介：王兴国，(1967-)，男，吉林九台人，工程师，本科，工商硕士，主要研究方向：机电-体化设计，产品生产检测研究第7期 王兴国等：新型微波天线快速对准仪的研制 157使用的情况。

如果对方在东北：方位角如果对方在东南：方位角180-a如果对方在西南：方位角180a如果对方在西北：方位角360-a其中，经纬度均换算以。为单位。高度以km为单位。

通过上述计算可以确定我方的方位角和俯仰角，同样也能计算出对方的方位角和俯仰角。由此，我们就可以驱动跟踪平台转动，进而带动定向天线指向目标位置，实现了双方间的图像高清晰传输。那么如何控制微波天线精确的指定到预定的方位和俯仰是对准仪要解决的主要问题。

3自动对准仪的系统设计3.1机械结构的设计自动对准仪机械结构，其主要作用是实现天线的定向运动和安装各种传感器及电路。它是自动对准仪重要组成部分。根据前面分析定向天线定位要求，需要控制定向天线的方位角和俯仰角两个变量，因此自动对准仪机械结构采用双轴转动方式实现对两个方向的响应。其机械结构示意图，如图 1所示。

天线的方位角和俯仰角的定位分别由两个高精度的伺服电机确定。水平电机控制方位角的方位，俯仰电机控制俯仰角的方位。伺服电机的控制信号分别来自水平检测传感器和俯仰检测传感器。两个电机安装在自动对准仪底座上，通过减速传动装置，将电机的转轴与定向天线的转轴连接起来。电机转动时，带动定向天线转动实现 目标的定向。该机械结构简单、整体刚度大、稳定性好 、紧凑、体积孝转动灵活、定位精度高。

图 1自动对准仪机械结构示意图Fig.I Automatic Alignment Instrument Mechanical Structure Diagram32自动对准仪硬件设计自动对准仪电气硬件主要由主控制板、电源电路、键盘、显示屏、电子罗盘、水平驱动电机、俯仰驱动电机组成。自动对准仪的控制原理图，如图 2所示。

匝圃 图 2自动对准仪的控制原理图Fig，2 Automatic Align ment Instrument Control Principle Diagram3.2.1主控板 电路主控板的核心是采用Atmel公司的AT89C52单片机，该芯片最高处理速度可达24MHZ。该板接收来自键盘板的电信号和电子罗盘的数字信号，输出系统所需的控制电信号。自动方式工作时，CPU根据开关阵列数值执行与该按键对应的处理程序输出- 个低电平信号，以驱动云台自动旋转，同时，安装在云台上的电子罗盘不断的传输当前的方位、俯仰信号到AT89C52中和CPU的理论计算值比较，当传输的方位、俯仰角达到CPU计算的理论值时，单片机停止输出低电平信号，云台停止在通行要求的最佳点。电路原理图，如图3所示。

图3控制电路原理图Fig.3 Control Circuit Principle Diagram3.2.2电源电路电源电路采用专用器件构成。它体积孝重量轻、效率高、电源电压适用范围宽，内部设有短路保护电路，稳定性能好，能够根据外来电源电压和仪表内部负载情况自动调整使输出直流电压稳定且适用温度范围宽。

3.2.3键 盘 电路 键盘电路采用23个按键开关组成的开关矩阵。CUP送来的扫描脉冲送到开关矩阵，读取各按键的通，断状态，判定哪-个开关被按下。CUP根据读取的开关阵列数值状态执行与该按键对应的程序。

3.2.4显示屏选用精电鹏远公司生产的VP系列点阵图形液晶显示屏。以汉字和数字结合的方式显示所有参数的信息，该显示屏已经实现了T6963C与行、列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也用硬件设置了液晶屏的结构(单 、双屏)，数据传输方式，显示窗口长度，宽度等。

3-2.5 电子罗盘电子罗盘作为-种重要的导航工具，正越来越多的应用于导航和定位系统。电子罗盘通过对地球磁场等信息的读娶计算，精确输出航向、俯仰、翻转等参数，其内部全部采用表面贴片元件，不含任何移动元件，非成靠和坚固，且功耗低、体积校同时该装置带有非铁磁性金属外壳，可以安装固定在任何-个平台上。自动对准仪选用某公司的HMR3000。HMR3000是由三轴磁阻传感器和-个充有液体的两轴倾斜传感器组成，其航向角度上的精确度可以达到015，俯仰和翻滚方面的精度可以达到(如14)。，分辨率达到011。。

在倾斜达到40时，也能给出精确的航向。并由单片机控制传感器的测量时序，所有控制 HMR3000操作的参数存睹在 EEPROM中。

HMR3000提供六种 NMEA标准数据输出信息格式(HOG、HDT、XDR和 HPR、RCD、CCD。HMR3000用于实时检测天线方位角和-.霉 ～罾餐-] L1自～ 委l158 机 械 设计 与制 造No.7July.201 3俯仰角口。通过RS485总线以20Hz的速度发生信息，波特率可选择(1200-38400)bps。方位精度<0.5。，俯仰精度(±o-4)。。

3.2.6水平驱动电机选用 20W伺服电机驱动云台左右旋转，以AT89C52单片机为核心，以矩阵键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

3.2.7垂直驱动 电机选用 20W伺服电机驱动云台俯仰动作，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

3.3控制软件设计图4主程序流程图Fig.4 Main Program Flow Chart图5键盘处理程序流程图Fig.5 Keyboard Processing Proam Flow Chart微波天线快速对准仪通过键盘板输入我方和对方的参数，CPU根据参数计算出目标方位和目标俯仰，通过控制接口控制云台水平运行和俯仰运行，使云台运行到目标方位和目标俯仰位置，实现 自动对准。微波天线快速对准仪也可通过键盘的手动按钮：左旋 、右旋 、上仰和下俯按键向云台发送手动左旋、手动右旋、手动上仰、手动下俯命令，控制云台微调，实现手动微调对准功能。软件的设计保证微波天线快速对准仪设备符合通用化、系列化、组合化要求，符合军用产品的可靠性、维修性和电磁兼容性的三性要求，能在战斗环境下可靠地工作，操作维护简单。键盘中断处理子程序 ：采用中断方式，按下键，单片机引脚产生-负跳沿，响应该中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。显示方式：通过液晶显示天线的方位、俯仰、天线车方位及云台状态；刷新时间为 0.25s。软件设计充分考虑到界面的人性化设计和系统可靠性设计。采取了滤波、平均值、指令冗余、软件陷阱等可靠性设计。程序流程图，如图4、图 5所示。

表 1测试数据Tab.1 Test Data5结论经过多次测试 ，这种微波定向天线快速对准仪能够实现微波定向天线快速对准功能，自动对准仪的设计充分利用了GPS接收机和电子罗盘的性能，由单片机进行数据处理和定向伺服控制解决了在车载条件下有向天线的定向问题。通过实验验证能达到较高的精度。其具有定位精度高，机动陛强、抗干扰能力强、稳定可靠性高、操作简单、性价比高等特点。除了在军事上的应用外，在很多野外作业行业中也有较大的参考和应用价值。