CN112653524A - 一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，该方法的步骤为：步骤1、启动，单片机读取ROM内的参数；步骤2、计算当前坐标和目标坐标的方向角A1，单片机获取定向天线当前坐标，并根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1；步骤3、计算当前姿态角度A2，单片机计算出定向天线当前的姿态角度A2；步骤4、修正定向天线角度，单片机根据方向角A1和姿态角度A2对天线角度进行修正。步骤5、循环，进入步骤2。在本发明中，该方法通过采用单片机控制实时修正船用定向天线角度，以实现定向天线实时自动对准岸站基站天线。

Description

一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法
技术领域
本发明属于通信领域，特别涉及到了一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法。
背景技术
近些年由于通信技术的发展，特别是无线网络、无线网桥、无线微波等技术的突飞猛进，以及4G、5G通信技术的发展，各种陆地固定基站与基站之间以及基站与一定范围内移动物体之间，都可以实现高速的网络通信组网；而近海近湖船舶的通讯情况下，则受制于与岸站之间的距离较远，4G、5G的移动技术传输距离的限制，以及全向天线本身增益等因素的影响，作业船舶与岸站之间搭建高速网络的距离受到了限制。以5.8GHz波段频率为例，如果船舶采用全向天线，行业内5.8GHz的MIMO高增益全向天线，最高只能达到13dBi左右，与岸站基站通讯距离通常在10多公里左右；而如果岸站基站天线不变，在船舶采用定向高增益天线，如24dBi或30dBi抛物面天线，则有效的传输距离会远很多，通过无线微波通信的相关空间衰减公式可以得知，一端天线不变的情况下，另一端天线每增加6dBi增益，有效传输距离就会翻一倍。但是采用定向高增益天线，需要定向高增益天线实时自动对准岸站基站天线，才能保持定向高增益天线与岸站基站天线之间稳定的通信组网。但是现有技术并不能够实现使定向高增益天线实时自动对准岸站基站天线。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，该方法通过采用单片机控制实时修正船用定向天线角度，以实现定向天线实时自动对准岸站基站天线。
本发明的另一个目的在于提供一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，还方法可使得船舶无论高速航行还是静态停止，定向天线都能实时准确对准相应的目标岸站基站天线。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，该方法的步骤为：
步骤1、启动，单片机读取ROM内的参数；
步骤2、计算当前坐标和目标坐标的方向角A1，单片机获取定向天线当前坐标，并根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1；当前坐标即为定向天线当前坐标，目标坐标则为定向天线需要对准的岸站基站天线的坐标。
步骤3、计算当前姿态角度A2，单片机计算出定向天线当前的姿态角度A2；
步骤4、修正定向天线角度，单片机根据方向角A1和姿态角度A2对天线角度进行修正。如A1为350.5度，A2为50.2度，可以依据A1、A2角度数据立即驱动天线，旋转360-350.5-50.5＝-59.7度，即逆时针旋转59.7度，就可以将定向天线对准岸站基站天线方向。
步骤5、循环，进入步骤2。该方法通过采用单片机控制实时修正船用定向天线角度，以实现定向天线实时自动对准岸站基站天线。
进一步的，在步骤2中，单片机通过GPS/北斗获取定向天线当前坐标数据，当单片机检测到GPS/北斗正常定位后，根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1，进入步骤3；当单片机检测到GPS/北斗未能正常定位后，进入步骤5。其中，可依据GPS/北斗刷新频率获取数次坐标数据，比如GPS/北斗采用5Hz时，则通过GPS/北斗每一秒钟获取五次坐标数据，当单片机检测到GPS/北斗正常定位后，根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1。该GPS每一秒钟获取五次坐标数据，对比该五次坐标数据，判断是否定位正常，如果定位正常的话，则采用这五次坐标数据中的任意一次(因为一秒内的五次坐标数据基本等同)。
进一步的，在步骤1中，所述单片机所读取的ROM内的参数包括有：包含且不限定于岸站数量、岸站经纬度、岸站基站天线与定向天线的海拔高度差值、磁偏角、定向天线安装时与船舶艏向的偏差角、电子罗盘与GPS/北斗的切换阈值、GPS/北斗刷新频率。
进一步的，在步骤1和步骤2之间还存在有步骤a：初始位检测，单片机检测初始位，检测到初始位后驱动定向天线停在初始位处，并进入步骤2；未找到初始位提示初始位检测异常并停机。该初始位检测如采用光电初始位检测二极管和反光点(即初始位，可定义为初始0度位置)来实现，光电初始位检测二极管随着定向天线旋转一起旋转，定向天线可通过俯仰电机和水平电机控制其俯仰方向的运动和水平方向的旋转，而当单片机控制驱动俯仰电机转动和驱动水平电机360度转动时，则定向天线开始俯仰和水平运动，定向天线通过光电初始位检测二极管检测到初始0度位置，并在初始0度位置停下。在初始位检测检测时单片机采用驱动电机匀速低速运动，完成后，在初始0度位置停下后，单片机采用驱动电机加速度运动，即启动和停止时低速，中间段高速。
进一步的，步骤2至步骤5为循环过程，该循环过程之间还存在有定时自检：单片机设定在固定的时间进行初始位检测，若初始位检测异常则重新启动，进入步骤1；若初始位检测正常，则恢复定向天线至定时自检前的方向角度，继续进行循环。比如可设定每天凌晨5点初始位定时自检，系统整点自检完毕会立刻将定向天线恢复旋转至自检前的角度方向。
进一步的，在步骤2和步骤3之间还存在有步骤b，该步骤b的具体过程为：
b1，监测指令，实时监测网络TELNET指令和调试端口指令，若发现存在有TELNET指令或调试端口指令，则进入b2；若没有发现存在有TELNET指令或调试端口指令，则进入步骤3；网络TELNET指令即为通过网络模式采用TELNET终端对单片机发出的TELNET指令；调试端口指令则为通过连接至单片机的航空插头处输入的指令。其中单片机的人机接口可采用TELNET超级终端窗口，具有操作简单、直观、方便调试等优点。通过简单的TELNET终端输入简易命令，就可以操作和设置单片机的所有参数，并通过TELNET查看实时的系统运行状态姿态变化。
b2，判断指令，判断指令类型并进行分类，指令类型为控制单片机的指令，则进入b3；指令类型为手动初始位自检，则开始初始位检测；
b3，控制单片机，通过指令直接对单片机进行控制，其中存在有参数的调整的时候，存入参数至ROM，并进入步骤3。
在b3中单片机控制控制单片机的指令壳包括有：开启锚点算法或多岸站模式，显示锚点信息或最近岸站坐标；开启电子罗盘校准程序，以适应现场各种不同的船舶环境，并显示校准百分比直至航行一周校准完毕，并自动保存校准后的参数数据，从而为后续船只天线驱动，给出姿态的精准角度数据；设置岸站经纬度坐标、海拔高度、电子罗盘与GPS/北斗的切换阈值、磁偏角等，显示新设置参数；设置GPS/北斗刷新频率，显示GPS/北斗原频率和新刷新频率；是否开启状态数据详细显示开关，依据GPS/北斗刷新频率实时显示状态；手动电机角度调整，执行角度调整，船舶动态行进超过变化角度2度自动还原，临时的手动角度调整，可用于一边通过电脑观察定向天线和对应岸站基站天线微波通信的信号强度状态，对比信号强度的强弱，来设置定向天线的角度。即可以在不影响定向天线旋转驱动的情况下，同步检测通过网络TELNET指令和调试端口指令，所对装置发出的任何可识别的指令、命令，通识别相应指令命令，来修改相关参数、设置岸站数量和各岸站坐标数据、海拔高度差、手动调整天线角度、是否开启电子罗盘校准程序等；并对相关参数进行保存ROM，以便再次启动时，读取相关参数。
进一步的，步骤3的具体过程为：
3.1、设定阈值，设定航速阈值；
3.2、判断阈值，当航速为0至阈值区间时进入3.3；当航速大于阈值时进入3.4；
3.3、采用罗盘计算当前姿态角度A2，单片机使用电子罗盘判定当前定向天线的姿态角度A2，并进入步骤4；
3.4、采用GPS/北斗计算当前姿态角度A2，单片机通过GPS/北斗得到船舶的航向角，并通过航向角得出当前定向天线姿态角度A2，并进入步骤4；GPS/北斗具有高速定位功能，能实现5Hz高速定位刷新，开阔地1分钟内就可以实现快速定位，并输出经纬度航向角以及时间等信息给单片机。
同时定向天线依据电子罗盘检测到的横滚和纵摇姿态变化、与岸站距离、岸站天线高度差值，可进行定向天线方向俯仰角度的修正。
通过单片机的智能算法，在GPS/北斗与电子罗盘所提供的姿态角度进行天线方向的驱动，不管是高速航行还是静态停止，定向天线都能实时准确对准相应的目标岸站，从而无需采用价格高昂的差分多GPS/北斗测向来进行自身姿态检测。
进一步的，3.3中，单片机使用电子罗盘判定当前定向天线的姿态角度A2时，结合当前的磁偏角校准姿态角度A2的数据。因磁偏角在不同地域有所差异，通过电子罗盘驱动天线方向偏转时，我们通过预设船舶所在工作区的磁偏角，来矫正天线驱动指向。
进一步的，3.4中，并通过航向角结合天线与船舶艏向的偏差角得出当前定向天线姿态角度A2。该设置关乎定向天线驱动方向的精确度，直接关系到通信信号强度，信号质量。
进一步的，在步骤3.1和步骤3.2中还存在有步骤c：判断是否开始单锚点算法，未开启进入3.2；开启则采用单锚点算法得出当前定向天线姿态角度A2。当船舶单点系泊抛锚时，可以通过将估算的锚点经纬度输入到单片机，开启单锚点算法辅助定向天线的姿态调整，作为一种辅助算法，锚点与定向天线距离越远，船只越大，相对来说基线就越长。
进一步的，步骤c中，采用单锚点算法时，通过结合天线与船舶艏向的偏差角得出当前定向天线姿态角度A2。
在本发明中，与现有技术相比，通过采用单片机控制实时修正船用定向天线角度，以实现定向天线实时自动对准岸站基站天线。还可使得船舶无论高速航行还是静态停止，定向天线都能实时准确对准相应的目标岸站基站天线。
附图说明
图1为本发明的应用场景示意图。
图2为本发明的通过网络终端TELNET控制单片机状态截图。
图3为本发明的流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，该方法的步骤为：
步骤1、启动，单片机读取ROM内的参数；
步骤2、计算当前坐标和目标坐标的方向角A1，单片机获取定向天线当前坐标，并根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1；
步骤3、计算当前姿态角度A2，单片机计算出定向天线当前的姿态角度A2；
步骤4、修正定向天线角度，单片机根据方向角A1和姿态角度A2对天线角度进行修正。如A1为350.5度，A2为50.2度，可以依据A1、A2角度数据立即驱动天线，旋转360-350.5-50.5＝-59.7度，即逆时针旋转59.7度，就可以将定向天线对准岸站基站天线方向。
步骤5、循环，进入步骤2。该方法通过采用单片机控制实时修正船用定向天线角度，以实现定向天线实时自动对准岸站基站天线。
进一步的，在步骤2中，单片机通过GPS/北斗获取定向天线当前坐标数据，当单片机检测到GPS/北斗正常定位后，根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1，进入步骤3；当单片机检测到GPS/北斗未能正常定位后，进入步骤5。其中，可依据GPS/北斗刷新频率获取数次坐标数据，比如GPS/北斗采用5Hz时，则通过GPS/北斗每一秒钟获取五次坐标数据，当单片机检测到GPS/北斗正常定位后，根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1。
进一步的，在步骤1中，所述单片机所读取的ROM内的参数包括有：包含且不限定于岸站数量、岸站经纬度、岸站基站天线与定向天线的海拔高度差值、磁偏角、定向天线安装时与船舶艏向的偏差角、电子罗盘与GPS/北斗的切换阈值、GPS/北斗刷新频率。
进一步的，在步骤1和步骤2之间还存在有步骤a：初始位检测，单片机检测初始位，检测到初始位后驱动定向天线停在初始位处，并进入步骤2；未找到初始位提示初始位检测异常并停机。该初始位检测如采用光电初始位检测二极管和反光点(即初始位，可定义为初始0度位置)来实现，光电初始位检测二极管随着定向天线旋转一起旋转，定向天线可通过俯仰电机和水平电机控制其俯仰方向的运动和水平方向的旋转，而当单片机控制驱动俯仰电机转动和驱动水平电机360度转动时，则定向天线开始俯仰和水平运动，定向天线通过光电初始位检测二极管检测到初始0度位置，并在初始0度位置停下。在初始位检测检测完成后，在初始0度位置停下后，单片机采用驱动电机加速度运动，即启动和停止时低速，中间段高速。
进一步的，步骤2至步骤5为循环过程，该循环过程之间还存在有定时自检：单片机设定在固定的时间进行初始位检测，若初始位检测异常则重新启动，进入步骤1；若初始位检测正常，则恢复定向天线至定时自检前的方向角度，继续进行循环。比如可设定每天凌晨5点初始位定时自检，系统整点自检完毕会立刻将定向天线恢复旋转至自检前的角度方向。
进一步的，在步骤2和步骤3之间还存在有步骤b，该步骤b的具体过程为：
b1，监测指令，实时监测网络TELNET指令和调试端口指令，若发现存在有TELNET指令或调试端口指令，则进入b2；若没有发现存在有TELNET指令或调试端口指令，则进入步骤3；网络TELNET指令即为通过网络模式采用TELNET终端对单片机发出的TELNET指令；调试端口指令则为通过连接至单片机的航空插头处输入的指令。其中单片机的人机接口可采用TELNET超级终端窗口，具有操作简单、直观、方便调试等优点。通过简单的TELNET终端输入简易命令，就可以操作和设置单片机的所有参数，并通过TELNET查看实时的系统运行状态姿态变化。
b2，判断指令，判断指令类型并进行分类，指令类型为控制单片机的指令，则进入b3；指令类型为手动初始位自检，则开始初始位检测；
b3，控制单片机，通过指令直接对单片机进行控制，其中存在有参数的调整的时候，存入参数至ROM，并进入步骤3。
在b3中单片机控制控制单片机的指令壳包括有：开启锚点算法或多岸站模式，显示锚点信息或最近岸站坐标；开启电子罗盘校准程序，以适应现场各种不同的船舶环境，并显示校准百分比直至航行一周校准完毕，并自动保存校准后的参数数据，从而为后续船只天线驱动，给出姿态的精准角度数据；设置岸站经纬度坐标、海拔高度、电子罗盘与GPS/北斗的切换阈值、磁偏角等，显示新设置参数；设置GPS/北斗刷新频率，显示GPS/北斗原频率和新刷新频率；是否开启状态数据详细显示开关，依据GPS/北斗刷新频率实时显示状态；手动电机角度调整，执行角度调整，船舶动态行进超过变化角度2度自动还原，临时的手动角度调整，可用于一边通过电脑观察定向天线和对应岸站基站天线微波通信的信号强度状态，对比信号强度的强弱，来设置定向天线的角度。即可以在不影响定向天线旋转驱动的情况下，同步检测通过网络TELNET指令和调试端口指令，所对装置发出的任何可识别的指令、命令，通识别相应指令命令，来修改相关参数、设置岸站数量和各岸站坐标数据、海拔高度差、手动调整天线角度、是否开启电子罗盘校准程序等；并对相关参数进行保存ROM，以便再次启动时，读取相关参数。
进一步的，步骤3的具体过程为：
3.1、设定阈值，设定航速阈值；
3.2、判断阈值，当航速为0至阈值区间时进入3.3；当航速大于阈值时进入3.4；
3.3、采用罗盘计算当前姿态角度A2，单片机使用电子罗盘判定当前定向天线的姿态角度A2，并进入步骤4；
3.4、采用GPS/北斗计算当前姿态角度A2，单片机通过GPS/北斗得到船舶的航向角，并通过航向角得出当前定向天线姿态角度A2，并进入步骤4；GPS/北斗具有高速定位功能，能实现5Hz高速定位刷新，开阔地1分钟内就可以实现快速定位，并输出经纬度航向角以及时间等信息给单片机。
同时定向天线依据电子罗盘检测到的横滚和纵摇姿态变化、与岸站距离、岸站天线高度差值，可进行定向天线方向俯仰角度的修正。
通过单片机的智能算法，在GPS/北斗与电子罗盘所提供的姿态角度进行天线方向的驱动，不管是高速航行还是静态停止，定向天线都能实时准确对准相应的目标岸站，从而无需采用价格高昂的差分多GPS/北斗测向来进行自身姿态检测。
进一步的，3.3中，单片机使用电子罗盘判定当前定向天线的姿态角度A2时，结合当前的磁偏角校准姿态角度A2的数据。因磁偏角在不同地域有所差异，通过电子罗盘驱动天线方向偏转时，我们通过预设船舶所在工作区的磁偏角，来矫正天线驱动指向。
进一步的，3.4中，并通过航向角结合天线与船舶艏向的偏差角得出当前定向天线姿态角度A2。该设置关乎定向天线驱动方向的精确度，直接关系到通信信号强度，信号质量。
进一步的，在步骤3.1和步骤3.2中还存在有步骤c：判断是否开始单锚点算法，未开启进入3.2；开启则采用单锚点算法得出当前定向天线姿态角度A2。当船舶单点系泊抛锚时，可以通过将估算的锚点经纬度输入到单片机，开启单锚点算法辅助定向天线的姿态调整，作为一种辅助算法，锚点与定向天线距离越远，船只越大，相对来说基线就越长。
进一步的，步骤c中，采用单锚点算法时，通过结合天线与船舶艏向的偏差角得出当前定向天线姿态角度A2。
在本发明中，与现有技术相比，通过采用单片机控制实时修正船用定向天线角度，以实现定向天线实时自动对准岸站基站天线。还可使得船舶无论高速航行还是静态停止，定向天线都能实时准确对准相应的目标岸站基站天线。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，该方法的步骤为：
步骤1、启动，单片机读取ROM内的参数；
步骤2、计算方向角A1，单片机获取定向天线当前坐标，并根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1；
步骤3、计算姿态角度A2，单片机计算出定向天线当前的姿态角度A2；
步骤4、修正定向天线角度，单片机根据方向角A1和姿态角度A2对天线角度进行修正；
步骤5、循环，进入步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，在步骤2中，单片机通过GPS/北斗获取定向天线当前坐标数据，当单片机检测到GPS/北斗正常定位后，根据定向天线当前坐标和目标坐标计算出方向角A1，进入步骤3；当单片机检测到GPS/北斗未能正常定位后，进入步骤5。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，在步骤1中，所述单片机所读取的ROM内的参数包括有：包含且不限定于岸站数量、岸站经纬度、岸站基站天线与定向天线的海拔高度差值、磁偏角、定向天线安装时与船舶艏向的偏差角、电子罗盘与GPS/北斗的切换阈值、GPS/北斗刷新频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间还存在有步骤a：初始位检测，单片机检测初始位，检测到初始位后驱动定向天线停在初始位处，并进入步骤2；未找到初始位提示初始位检测异常并停机。
5.根据权利要求4所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，步骤2至步骤5为循环过程，该循环过程之间还存在有定时自检：单片机设定在固定的时间进行初始位检测，若初始位检测异常则重新启动，进入步骤1；若初始位检测正常，则恢复定向天线至定时自检前的方向角度，继续进行循环。
6.根据权利要求4所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，在步骤2和步骤3之间还存在有步骤b，该步骤b的具体过程为：
b1，监测指令，实时监测网络TELNET指令和调试端口指令，若发现存在有TELNET指令或调试端口指令，则进入b2；若没有发现存在有TELNET指令或调试端口指令，则进入步骤3；
b2，判断指令，判断指令类型并进行分类，指令类型为控制单片机的指令，则进入b3；指令类型为手动初始位自检，则开始初始位检测；
b3，控制单片机的指令，通过指令直接对单片机进行控制，其中存在有参数的调整的时候，存入参数至ROM，并进入步骤3。
7.根据权利要求3所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：
3.1、设定阈值，设定航速阈值；
3.2、判断阈值，当航速为0至阈值区间时进入3.3；当航速大于阈值时进入3.4；
3.3、采用罗盘计算当前姿态角度A2，单片机使用电子罗盘判定当前定向天线的姿态角度A2，并进入步骤4；
3.4、采用GPS/北斗计算当前姿态角度A2，单片机通过GPS/北斗得到船舶的航向角，并通过航向角得出当前定向天线姿态角度A2，并进入步骤4。
8.根据权利要求7所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，3.3中，单片机使用电子罗盘判定当前定向天线的姿态角度A2时，结合当前的磁偏角校准姿态角度A2的数据；3.4中，并通过航向角结合天线与船舶艏向的偏差角得出当前定向天线姿态角度A2。
9.根据权利要求8所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，在步骤3.1和步骤3.2中还存在有步骤c：判断是否开始单锚点算法，未开启进入3.2；开启则采用单锚点算法得出当前定向天线姿态角度A2。
10.根据权利要求9所述的一种基于单片机的实时修正船用定向天线角度的方法，其特征在于，步骤c中，采用单锚点算法时，通过结合天线与船舶艏向的偏差角得出当前定向天线姿态角度A2。
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