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38500字硕士毕业论文基于ARM芯片视觉的星载卫星通信天线控制器的设计与实现

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38500字
论点:卫星通信,天线,地球
论文概述:

基于 ARM 的船载卫星通信地球站的研究与设计。该项目的目标是实现船载卫星通信地球站克服外界扰动自动对星和稳定跟踪。该项目开发历时一年,期间经历了大量的理论论证、硬件电路设计与

论文正文:

第一章导言

1.1研究项目
的背景和意义顾名思义,所谓的卫星通信是指人类利用人造地球轨道卫星作为中继站,在地面两个或多个地球站之间发射或反射无线电波的手段[1]。早在1945年,英国作家和发明家克拉克就在他的著作中预言了卫星用于通信,即“卫星覆盖通信理论”:将三颗地球卫星置于倾角为0°的同步轨道上可以实现全球通信。1957年10月4日,前苏联空人造地球卫星“卫星1”的升空,标志着人类探索太平洋空 [2]新旅程的开始。其他西方国家也不甘示弱,加大了研发地球卫星的力度。六年后,美国发射了第一颗地球静止通信卫星“新康”,成功地将电话和电视传送到了大洋彼岸,并在1964年实时播放了东京奥运会的盛况。从那时起,越来越多的国家投资于地球通信卫星的研发,卫星通信的新时代已经到来。中国于1970年发射了第一颗人造地球卫星东方红一号,并于1984年和1986年发射了两颗第一代通信卫星。此后,中国先后发射了许多人造地球卫星,如“亚太”、“中卫”和“新诺”。无论是卫星站还是地面站,中国和美国以及一些欧美国家在卫星通信领域仍然存在一定的差距。进入21世纪以来,信息全球化和对数字多媒体通信的需求不断增加。通信系统正朝着个性化、移动性和无缝覆盖的方向发展。卫星通信信号具有传输距离长、覆盖面广、不受地理条件限制等优点。它们在信息全球化时代发挥着不可替代的作用。根据卫星通信的特点,它特别适用于沙漠、森林和海洋等难以建立通信基站的地方。特别是在广阔的海域,很难覆盖有效的有线通信网络,海上通信盲区很大,而地球站同步卫星的使用充分解决了海上通信问题,因此海上卫星通信是卫星通信技术发展的重要方向。为了使用卫星进行通信,卫星通信地球站必须与地球同步卫星建立通信链路,以接收和发送卫星信号。近年来,欧美国家发展移动通信设备非常迅速。例如,美国格鲁门公司(Grumman Company)、海洋通信公司(Ocean Communications Company)和KVH Company相继推出了一系列用于海洋、车载电视接收和卫星通信的产品,如卫星船载站和车载站。同时,中国在船载卫星天线的研发方面也取得了一定的成就。例如,中国电子科技股份有限公司第二十六研究所和北京北极科技有限公司开发了相关产品。一般来说,虽然国外的船载和车载产品频带高、跟踪速度快,但价格相对昂贵。因此,如何以低成本设计出符合系统要求的低成本船载和车载系统成为研究热点之一。本文的内容是基于ARM的星载通信地球站的设计与实现,其中伺服控制系统的设计是星载通信地球站的关键。它要求船上的卫星通信地球站快速搜索卫星并稳定跟踪它们。

1.2卫星通信地球站控制器概述
目前,中国大多数卫星通信地球站控制器使用嵌入式处理器。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式系统是基于计算技术的产品,以应用产品为核心,适合特定的应用环境。它们主要用于网络设备、消费电子、汽车电子、工业控制、办公设备等领域,如交换机、路由器、手机、打印机、车载全球定位系统等[6】。嵌入式处理器诞生于20世纪70年代末,其间经历了单片机和嵌入式微控制器的发展。早期的卫星通信地面站控制器大多采用单片机作为微处理器。由于没有操作系统的支持,单片机不能实现多任务处理,也不能支持TCP/IP。目前,实验室已投入使用的舰载天线主控制器是8051F120单片机。这种芯片是根据行业标准设计的,程序固化在只读存储器中。它具有封装小、功耗低、抗干扰能力强、控制功能强等优点。但是,由于芯片内存容量小,客户需求多,芯片资源有限,没有操作系统的支持,这不足以支持系统功能的进一步扩展。因此,船载通信地球站升级采用基于ARM9芯片的嵌入式系统板。ARM嵌入式微处理器的出现弥补了8051F120单片机的不足。同时,它摒弃了传统的C/S(客户端/服务器)监控模式,以更加友好的B/S(浏览器/服务器)模式给用户带来了方便。

第二章星载卫星通信地球站总体设计

2.1地球站天线机械结构设计
本船载卫星通信地球站的机械结构为三轴稳定、四自由度空稳定结构
结论。一般而言,地面固定站和便携式站一般采用单轴和双轴,而船载、车载或机载地面站通常采用三轴甚至四轴来补偿滚动和摇摆的影响。这艘船使用三轴稳定天线基座。这三个轴是指地球站的三个旋转轴,即方位角、仰角和滚转。三个轴在三维空之间保持相互垂直,其中方位轴垂直于天线基座;天线初始化时,俯仰轴自动调整为平行于水平面;水平滚轮平行于天线基座。四个自由度定义为支撑块的方位、俯仰、滚动和旋转。该船载地球站的机械结构如图2-1所示。天线的支撑座安装在底盘上,支撑座与底盘之间设有减震装置,主要用于减小船舶摇摆对天线的影响。最后,底盘安装在船甲板的立柱上。上图显示了天线的后视图和侧视图。根据三轴稳定控制的设计思想,整个船载系统可分为方位系统、俯仰系统和横摇系统。为了保证地面站天线在方位角、俯仰角和滚转角上的最大解耦,系统在方位角、俯仰角和滚转角上分别安装了三个陀螺仪,陀螺仪相互垂直。方位陀螺和俯仰陀螺安装在天线波束上,方位陀螺和俯仰陀螺的角速度感应线分别平行于方位轴和俯仰轴的旋转面;滚转陀螺安装在船载地球站的支撑座上,角速度传感线平行于水平滚转。在天线初始化过程中,首先根据水平仪的输出驱动俯仰轴和滚转轴电机,俯仰轴和滚转轴调整为水平,在后续工作过程中始终保持水平,同时支架块始终保持水平,从而保证方位陀螺的感应轴垂直于水平面, 俯仰滚转陀螺的感应轴平行于水平面,在工作过程中,三轴陀螺分别感应天线在方位、俯仰和滚转三个轴向的变化。

2.2车载卫星通信地球站系统组成
天馈子系统主要由天线罩、天线基座、反射器天线、馈源、传输和电机组合等组成。主要是实现高频电流和电磁波在发射和接收之间的转换。因为地面站天线既发射又接收,所以有必要使用天线双工器进行隔离。舰载卫星通信地球站系统的终端天线面为抛物面天线,由铝制成,采用二次反射原理接收信号,二次反射面为椭圆切面锐角偏心二次反射面
参考
[1]王丽娜等人的《卫星通信系统[手册》。北京:国防工业出版社,2006.5
[2]罗康。中国移动新一波发展[。卫星与网络,2010.11
[3]王炳军,王少勇,田宝玉。现代卫星通信系统。北京:电子工业出版社。2004.7
[4]郭庆、王振勇、顾学迈。卫星通信系统。北京:电子工业出版社,2010.6
[5]杨邵敏,曹永勇。浅谈闭路广播电视系统在船舶上的应用[。船舶,2006.10
[6]瑞吉电子科技有限公司ARM&Linux嵌入式系统开发详情[M]。北京:北京航空空航天大学出版社。2007
[7]康伟新。嵌入式Linux系统开发和应用[。北京:机械工业出版社。2011年
[8]梅春涛。基于圆锥扫描技术的船载卫星通信地球站天线系统[。南京邮电大学硕士论文。2007年
[9]杨朱,汤盘。嵌入式底层软件开发[。北京:北京航空空航天大学出版社。2011年
[10]丁华忠。[号船卫星通信终端研究与应用。南京邮电大学硕士论文。2007。船上卫星通信地球站天线是定向辐射和接收电磁波的装置。它将信号从发射机辐射到卫星上,从卫星上收集电磁波并将其发送到接收设备。根据地球站的功能,天线的孔径可以大至32m或小至1m或更小。本项目天线直径为0.6m,有天线跟踪伺服系统,确保天线始终对准卫星。

第三章基于ARM的硬件电路设计……11
3.1系统硬件总体设计....11
3.2嵌入式微处理器选择.......11
3.3系统模块设计.........13
3.3.1电源模块……13
3.3.2存储模块……14
3.3.3通信模块设计...16
3.3.4信号接收模块.........20
3.3.5传感器模块......21
3.3.6电机驱动模块.........25
3.4本章摘要........26
第4章嵌入式Linux操作系统的建立........27
4.1嵌入式操作系统概述........27
4.1.1当前流行的操作系统.......27
4.1.2选择Linux的原因........28
4.2交叉编译环境的建立........28
4.3引导加载程序的配置........30
4.4 Linux内核迁移....32
4 . 4 . 1 Linux内核介绍......32
4 . 4 . 2 Linux内核移植.........33
4.5文件系统的构建......34
4.6 NFS服务器的构建........38
4.7本章摘要........39
第五章舰载卫星通信地球站软件设计...40
5.1软件开发环境和过程简介...40
5.2伺服控制软件设计...40
5.3 Makefile文件写入...50
5.4本章摘要........51

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目前,卫星通信技术越来越受到重视,其在军事、勘探和科研、水利和防洪等方面的应用也越来越广泛。因此,该系统的开发变得越来越重要。该项目的开发研究工作历时一年,主要研究船上卫星通信地球站的硬件设计、系统移植和软件设计。在船载系统的开发中,主要完成了以下任务:
(1)首先,查阅了大量数据和文献,加深了对卫星通信起源、发展和应用前景的理解。然后,对舰载卫星通信地球站进行了总体设计,包括其机械结构和系统组成,以及稳定平台和跟踪方式的选择。
(2)收集相关嵌入式系统应用数据,选择相关嵌入式微处理器作为车载系统的主控制器,设计相关硬件电路。根据船载地球站系统的特点,选择了相关的外围设备,包括传感器、接收机等。
(3)嵌入式开发环境的构建是基于ARM的嵌入式系统开发的基础。编写伺服控制程序前,建立基于ARM的嵌入式开发环境,安装交叉编译器,移植引导加载器和Linux内核,制作根文件系统等。
(4)伺服控制软件的设计是本文的核心。在编写过程中,软件模块分为天线初始化、复位、搜索、跟踪手册等。,并详细描述了各模块的执行过程和设计过程。然后编写Makefile,编译要运行的链接,等等。目前,系统仍处于调试阶段,整个系统达到了预期的设计。随着卫星通信技术的快速发展和海上卫星导航的重要性,相信这种船载卫星通信地球站将在未来市场得到更广泛的应用。

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