CN101938287B - 一种手持卫星通信终端及该终端指导用户将天线对准卫星的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及手持卫星通信终端及该终端指导用户将天线对准卫星的方法。该终端包括主控芯片、通过控制与数据接口分别与主控芯片相连接的卫星通信功能块和外部设备、通过显示接口与主控芯片相连接的显示设备，还包括GPS定位模块、磁场传感器和加速度传感器，GPS定位模块通过UART接口与主控芯片连接；磁场传感器通过I2C接口与主控芯片连接；加速度传感器通过SPI接口与主控芯片连接。其方法是实时计算出卫星和天线指向的方位，并以图形方式在终端显示界面上显示，可指导用户方便、快速、直观的将天线准确指向卫星方向，从而解决了在野外使用卫星通信终端时获得较好的通信效果，地面卫星通信终端将天线对准卫星确定卫星位置的操作不便(辅助设备多，计算费时，天线指向不明确)的问题。

Description

一种手持卫星通信终端及该终端指导用户将天线对准卫星的方法

技术领域

本发明涉及卫星通信终端，尤其涉及应用在交通、海事、军事等领域的一种手持卫星通信终端及该终端指导用户将天线对准卫星的方法。

背景技术

卫星通信是利用运行在地球空间轨道上的通信卫星转发无线信号，实现地面两点或多点间通信的一种通信方式。由于卫星运行在地外轨道上，无线信号传输距离远，信号衰减严重，因此往往要求地面卫星通信终端将天线对准卫星才能获得较好的通信效果。在野外使用卫星通信终端时为了确定卫星位置，通常使用GPS设备通过计算后获知，再通过指南针等设备确定天线指向。这种方法辅助设备多，计算费时，天线指向不明确。若要使用天线与机身连接在一起的手持式卫星通信终端(手持台)，移动机身来对准卫星更是不方便。因此亟待实现一种方法来方便、快速、直观的指导用户将天线准确指向卫星方向。

发明内容

鉴于上述现有技术状况，本发明设计了一种手持卫星通信终端，实现了使用该终端指导用户将天线对准卫星的方法，该终端集成了GPS定位模块、磁场传感器和加速度传感器，可以快速计算卫星的位置；可以在手持卫星通信终端上定位卫星所在位置，并使用图形界面方式指导用户将天线对准卫星。该方法适合应用在天线与机身连接在一起的手持式卫星通信终端上。这样的手持终端可以是支持任意一种通信制式的终端。

本发明所采取的技术方案是：一种手持卫星通信终端指导用户将天线对准卫星的方法，其特征在于：根据GPS定位模块获取的本地地理位置数据和卫星位置信息计算出卫星所在的方位，利用磁场传感器和加速度传感器获取的数据计算当前天线指向的方位，并在终端显示界面上显示，其具体步骤如下：

(1)、用户启动应用程序后，首先检查当前GPS定位模块是否已经提供定位信息，如果GPS没有定位，则通过显示设备提示用户，并退出程序；如果已经定位，则启动加速度传感器和磁场传感器，并提示用户输入卫星位置信息；

(2)、用户输入卫星位置后，启动计算子程序，判断GPS定位模块是否发送来本地位置经纬度信息，若已发送来定位信息，则判断其定位信息是否有效，若有效，则利用公式(1)和公式(2)实时计算卫星相对本地位置的方位角和仰角；卫星相对本地的方位角计算公式是：

$\mathrm{Az}=\arctan \left(\frac{\tan X}{\sin Y}\right)---\left(1\right)$

卫星相对本地的仰角计算公式是：

$\mathrm{El}=\arctan \left(\frac{\cos X\cos Y-0.1513}{\sqrt{(1-{\cos }^{2}X{\cos }^{2}Y)}}\right)---\left(2\right)$

公式(1)和公式(2)中，X为卫星经度与本地经度之差；Y为本地纬度；

判断加速度传感器是否已经准备好数据，主控芯片读取加速度传感器、磁场传感器的数据后，则利用公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)实时计算当前天线指向的方位角和仰角；利用加速度数据计算当前天线指向的仰角公式是：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{A_x}{\sqrt{(A_y^2+A_z^2)}}\right)---\left(3\right)$

其中A_x、A_y和A_z是从加速度传感器获得的加速度分量数值；

利用磁场传感器数据计算当前天线指向的方位角公式是：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{M_y\cos \mathrm{\φ}-M_z\sin \mathrm{\φ}}{M_x\cos \mathrm{\θ}-M_y\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-M_z\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}}\right)---\left(4\right)$

其中M_x、M_y和M_z表示在X轴、Y轴、Z轴上的磁通量值，是从磁场传感器获得的，θ是纵摇角，φ是横摇角；

纵摇角的计算方式是：

纵摇角θ＝arcsin(A_x)-------------------------------------------------------------(5)

横摇角的计算方式是：

横摇角 $\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{A_y}{\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(6\right)$ 公式(5)和

公式(6)中，A_x、A_y是加速度分量数值；

(3)、最终显示界面上显示出天线指向方位与卫星方位重合，用户退出程序。

本发明所述的手持卫星通信终端包括主控芯片、通过控制与数据接口分别与主控芯片相连接的卫星通信功能块和外部设备、通过显示接口与主控芯片相连接的显示设备，其特征在于：还包括GPS定位模块、磁场传感器和加速度传感器，GPS定位模块通过UART接口与主控芯片连接；磁场传感器通过I2C接口与主控芯片连接；加速度传感器通过SPI接口与主控芯片连接。

本发明所产生的有益效果是：使用本设计的可手持卫星通信终端可指导用户方便、快速、直观的将天线准确指向卫星方向，从而解决了在野外使用卫星通信终端时，为了获得较好的通信效果，地面卫星通信终端将天线对准卫星确定卫星位置的操作不便(辅助设备多，计算费时，天线指向不明确)的问题。

附图说明

图1是本发明手持式卫星终端连接原理图。

图2是本发明总体流程图。

图3是计算卫星相对本地的方位子程序流程图。

图4是计算当前天线指向的方位子程序流程图。

图5是终端显示屏上显示的界面指示图。

图6是天线指向方位与卫星方位在同一径向上的界面指示图。

图7是天线指向方位与卫星方位重合的界面指示图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，手持卫星通信终端1包括主控芯片2、卫星通信功能块3、外部设备5、显示设备7、GPS定位模块9、磁场传感器11和加速度传感器13，主控芯片2通过控制与数据接口4、控制数据接口6分别与相卫星通信功能块3、外部设备5(存储器、麦克风、喇叭、键盘、指示灯等)连接，主控芯片2通过显示接口8与显示设备7连接，主控芯片2通过UART接口10与GPS定位模块9连接，主控芯片2通过I2C接口12与磁场传感器11连接；主控芯片2通过SPI接口14与加速度传感器13连接。

手持卫星通信终端可以使用任意通信制式，只要是使用天线和终端主机连接到一起的一体式卫星通信终端都适用。目前常用的GPS定位模块、磁场传感器和加速度传感器的体积都很小，完全可以集成在任意手持卫星终端中，配合软件计算和图形界面显示，可以实现快速、直观、准确确定天线位置。

在一个具体的实施例中，主控芯片采用OMAP5910处理器，它负责处理天线指向的计算以及界面显示。显示设备采用2.4英寸176*220分辨率LCD显示屏。GPS定位模块采用LEA-5S，使用UART接口与主控芯片连接，配合型号为E2NO的小型GPS天线，在室外环境中可以获取本地精确的经纬度信息。磁场传感器采用AK8973芯片，使用I2C接口与主控芯片连接。加速度传感器采用LIS302DL三轴数字式加速计，使用SPI接口与主控芯片连接。

主控芯片2与各模块相连接，通过各种接口实现对模块的控制，实现包括打电话、发短信、定位天线指向等功能在内的各项手持卫星终端功能，并实现人机交互接口(键盘、麦克风、喇叭等)的操作以及显示界面的内容显示。

卫星通信功能块3是实现卫星通信功能的主要模块，可以是任意一种卫星通信制式功能模块。它实现了硬件组成和软件功能。它通过控制与数据接口4与主控芯片2相连，在主控芯片的控制下实现卫星通信的功能。

显示设备7是实现人机交互功能的主要组成部分，在手持卫星终端上通常是液晶显示屏。它通过图形界面显示方式响应用户操作，实现包括指导用户确定天线指向功能在内的各项功能。

GPS模块9及天线可以接收GPS卫星信号，提供手持卫星终端当前所在位置的经纬度信息。通过UART接口10传送位置信息给主控芯片2。

磁场传感器11可以采集XYZ三个方向的磁场强度数据，通过I2C接口12传输给主控芯片2；加速度传感器13采集XYZ三个方向的加速度数据，通过SPI接口14传输给主控芯片2，主控芯片根据这两个数据信息分别计算出终端目前指向的仰角。

本发明的应用程序安装在主控芯片上。参照图2，应用程序根据GPS定位模块获取的本地地理位置数据和卫星位置信息计算出卫星所在的方位角和仰角，利用磁场传感器和加速度传感器获取的数据计算当前天线指向的方位角和仰角，并在终端显示界面上显示，以指导用户将天线指向卫星方位，其具体操作步骤如下：

(1)、用户启动应用程序后，首先检查当前GPS定位模块是否已经提供定位信息，如果GPS定位模块没有定位信息，则通过显示界面提示用户，显示界面显示“GPS未定位，无法指示天线位置”，并退出程序；如果已经定位，则启动加速度传感器和磁场传感器，并提示用户输入卫星位置信息，即卫星所在经度(地球同步卫星位于赤道正上方，飞行高度和纬度都是固定的，只需要经度一个参数即可确定其位置)。

(2)、用户输入卫星位置后，启动计算子程序，实时计算卫星相对本地的方位以及当前天线指向的方位，并以图形显示方式在显示界面上显示计算结果，用户根据计算结果转动手机。

(3)、最终显示界面上显示出天线指向方位与卫星方位重合，用户退出程序。

在用户输入卫星位置后，应用程序将随着用户转动手机，实时计算卫星相对本地的方位以及天线指向的方位，并以图形显示方式显示在显示屏上，指导用户将卫星与天线位置对准。如果天线当前方位与卫星方位重合，应用程序将利用声音、振动或显示设备提示用户“已准确对准卫星”。

应用程序一直计算并显示卫星位置与天线指向，直到用户退出该程序。

参照图3，卫星相对本地的方位的计算步骤是：判断GPS定位模块是否发送来本地位置经纬度信息，若已发送来定位信息，则判断其定位信息是否有效，若有效，则利用公式(1)和公式(2)实时计算卫星相对本地位置的方位角和仰角。

主控芯片采集GPS定位模块提供的当前终端定位信息，利用GPS定位信息和用户输入的卫星位置信息实时计算卫星相对本地的方位角和仰角，并通过LCD显示屏显示标示出这个方位。GPS模块定时通过串口传送本地定位信息给主控芯片，包括经度和纬度。每次收到定位信息后，应用程序需要判断数据是否有效，因为GPS模块接收到的信号较弱，在某些位置可能无法收到定位信息，如果定位信息无效，则不再计算卫星相对位置，下次收到GPS信息后重新计算。

如果判断定位信息有效，利用卫星位置信息和本地定位信息计算出卫星相对于终端所在位置的方位角和仰角。其中卫星相对本地的方位角指卫星在地面上的垂直投影与本地位置的连线和正南方向的夹角，偏东方向是正值，偏西方向是负值。卫星相对本地的仰角是卫星与终端的连线与地平面之间的夹角。

卫星相对本地的方位角计算公式是：

$\mathrm{Az}=\arctan \left(\frac{\tan X}{\sin Y}\right)---\left(1\right)$

卫星相对本地的仰角计算公式是：

$\mathrm{El}=\arctan \left(\frac{\cos X\cos Y-0.1513}{\sqrt{(1-{\cos }^{2}X{\cos }^{2}Y)}}\right)---\left(2\right)$

以上公式中，X为卫星经度与本地经度之差；Y为本地纬度。卫星经度由用户输入，本地经纬度由GPS提供。

参照图4，当前天线指向的方位计算步骤是：判断加速度传感器是否已经准备好数据，主控芯片读取加速度传感器、磁场传感器的数据后，则利用公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)实时计算当前天线指向的方位角和仰角。

主控芯片连续采集加速度传感器提供的加速度传感器数据，实时计算出目前天线指向的方位角和仰角，并显示标示出这个方位。利用加速度传感器和磁场传感器发送来的数据可以计算天线当前指向的方位角和仰角。天线指向的方位角的含义是天线指向的方向与正南方向的夹角，偏东方向是正值，偏西方向是负值。天线指向的仰角的含义是天线指向的方向与地平面之间的夹角。

加速度传感器工作模式为定时采集数据模式，磁场传感器工作模式为查询模式。加速度传感器按一定频率(通常是100Hz)定时采集在XYZ三个空间方向上的加速度数据，采集完成后发送中断通知主控芯片。主控芯片接收中断后，通过SPI接口向加速度传感器索取数据，获得数据后暂存起来。

之后主控芯片通过I2C接口向磁场传感器索取磁场数据。磁场传感器会采集在XYZ三个方向上的磁场数据，采集完成后发送给主控芯片。

利用加速度数据可以计算出天线指向的仰角，计算公式是：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{A_x}{\sqrt{(A_y^2+A_z^2)}}\right)---\left(3\right)$

其中A_x、A_y和A_z是从加速度传感器获得的加速度分量数值。

利用磁场传感器数据可以计算出天线当前指向的方位角。计算公式是：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{M_y\cos \mathrm{\φ}-M_z\sin \mathrm{\φ}}{M_x\cos \mathrm{\θ}-M_y\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-M_z\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}}\right)---\left(4\right)$

其中M_x、M_y和M_z表示在X轴、Y轴、Z轴上的磁通量值，是从磁场传感器获得的。θ表示纵摇角，φ表示横摇角。横摇角和纵摇角的计算方式是：

纵摇角θ＝arcsin(A_x)--------------------------------------------------------------(5)

横摇角 $\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{A_y}{\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(6\right)$

其中A_x、A_y是加速度分量数值，从加速度传感器获取。

在用户输入卫星位置后，应用程序将启动两个计算子程序，每个子程序都独立地循环地运行。子程序将计算结果以类似雷达图的图形方式在显示界面上显示(参见附图5)，图上指示出方向以及卫星指示符和天线指示符，每当接收到子程序发来的计算结果时，就更新雷达图上的卫星指示符和天线指示符。

在程序运行过程中，随着用户转动终端，天线的方向会发生变化。应用程序将随时计算天线的指向方位，并显示在界面上，并指导用户将天线指向与卫星位置重合。如果用户选择退出程序，该程序结束。

图5由以下部分组成：同心圆形的仰角指示线15；十字线形的方向指示线16；方向指示线端点处的方向标识符17；空心圆圈表示的天线方位指示符18；实心圆形表示的卫星方位指示符19。方向标识符17表示实际的方向，E、S、W、N分别表示东、南、西、北方向。天线方位指示符18或与圆心的径向距离表示仰角的大小，最外圈为0度仰角线，圆心为90度仰角线。天线方位指示符18或卫星方位指示符19与方向指示线16所构成的夹角表示天线或卫星的所在方向。

在图5中，天线方位指示符18与指向正北方向(N)的方向指示线的夹角约为25度并偏向东方(E)，而且位于0度仰角指示线上，故目前天线指向的方位角为北偏东25度，仰角为0度(即水平放置)。卫星方位指示符19与指向正南(S)和正东(E)方向的方向指示线的夹角均为45度，而且位于45度仰角线上，故卫星相对本地的方位角为南偏东45度，仰角45度。

在图5的情况下，如果要将天线指向卫星，则需要做以下操作：

1、将终端向东方向水平旋转，直到天线方位指示符与卫星方位指示符在同一径向上(如图6所示)，这时天线的方位角与卫星的方位角相同。

2、保持水平方向不变，在垂直方向上逐渐将终端扬起，天线指向的仰角不断增大，直至天线方位指示符18与卫星方位指示符19重合(如图7所示)。这时天线的仰角与卫星的仰角相同，方位角也相同，天线已经准确指向卫星。

Claims (2)

1.一种手持卫星通信终端指导用户将天线对准卫星的方法，其特征在于：根据GPS定位模块获取的本地地理位置数据和卫星位置信息计算出卫星所在的方位，利用磁场传感器和加速度传感器获取的数据计算当前天线指向的方位，并在终端显示界面上显示，其具体步骤如下：(1)、用户启动应用程序后，首先检查当前GPS定位模块是否已经提供定位信息，如果GPS没有定位，则通过显示设备提示用户，并退出程序；如果已经定位，则启动加速度传感器和磁场传感器，并提示用户输入卫星位置信息；

(2)、用户输入卫星位置后，启动计算子程序，判断GPS定位模块是否发送来本地位置经纬度信息，若已发送来定位信息，则判断其定位信息是否有效，若有效，则利用公式(1)和公式(2)实时计算卫星相对本地位置的方位角和仰角；卫星相对本地的方位角计算公式是：

$\mathrm{Az}=\arctan \left(\frac{\tan X}{\sin Y}\right)---\left(1\right)$

卫星相对本地的仰角计算公式是：

$\mathrm{El}=\arctan \left(\frac{\cos X\cos Y-0.1513}{\sqrt{(1-{\cos }^{2}X{\cos }^{2}Y)}}\right)---\left(2\right)$

公式(1)和公式(2)中，X为卫星经度与本地经度之差；Y为本地纬度；

判断加速度传感器是否已经准备好数据，主控芯片读取加速度传感器、磁场传感器的数据后，则利用公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)实时计算当前天线指向的方位角和仰角；利用加速度数据计算当前天线指向的仰角公式是：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{A_x}{\sqrt{(A_y^2+A_z^2)}}\right)---\left(3\right)$

其中A_x、A_y和A_x是从加速度传感器获得的加速度分量数值；

利用磁场传感器数据计算当前天线指向的方位角公式是：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{M_y\cos \mathrm{\φ}-M_z\sin \mathrm{\φ}}{M_x\cos \mathrm{\θ}-M_y\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-M_z\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}}\right)---\left(4\right)$

其中M_x、M_y和M_z表示在X轴、Y轴、Z轴上的磁通量值，是从磁场传感器获得的，θ是纵摇角，φ是横摇角；

纵摇角的计算方式是：

纵摇角θ＝arcsin(A_x)-------------------------------------------------------------(5)

横摇角的计算方式是：

横摇角 $\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{A_y}{\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(6\right)$ 公式(5)和

公式(6)中，A_x、A_y是加速度分量数值；

(3)、最终显示界面上显示出天线指向方位与卫星方位重合，用户退出程序。

2.根据权利要求1所述的一种手持卫星通信终端指导用户将天线对准卫星的方法，所述的手持卫星通信终端包括主控芯片(2)、通过控制与数据接口(4)和控制数据接口(6)分别与主控芯片(2)相连接的卫星通信功能块(3)和外部设备(5)、通过显示接口(8)与主控芯片(2)相连接的显示设备(7)，其特征在于：还包括GPS定位模块(9)、磁场传感器(11)和加速度传感器(13)，GPS定位模块(9)通过UART接口(10)与主控芯片(2)连接；磁场传感器(11)通过12C接口(12)与主控芯片(2)连接；加速度传感器(13)通过SPI接口(14)与主控芯片(2)连接。

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