第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
所谓卫星通信，顾名思义就是指人类把人造地球轨道卫星当做中继站，转发或反射地面上两个或多个地球站之间无线电波的一种手段[1]。早在 1945 年，英国作家、发明家克拉克在其作品中就曾经预测了利用卫星进行通信，即“卫星覆盖通信说”：放置三颗地球卫星在倾角为 0 的同步轨道上，即可实现全球通信。1957 年 l0 月 4 日前苏联的“卫星 1 号”人造地球卫星的升空，标志着人类开启探索太空的新旅程[2]。其他西方国家不甘示弱，加大力度投入到地球卫星的研发工作中。6 年之后美国发射第一颗静止轨道通信卫星——“辛康”号，成功实现了横跨大洋的电话、电视的传输，并于 1964 年实时转播了东京奥运会的盛况。此后，越来越多的国家投入到地球通信卫星的研发中，一个崭新的卫星通信时代到来了。我国于 1970 年发射了第一颗人造地球卫星——东方红一号，于 1984 年和 1986 年发射了自行研制的两颗第一代通信卫星，此后我国又陆续发射了“亚太”、“中卫”、“鑫诺”等多颗人造地球卫星。无论是卫星站还是地面站，我国在卫星通信领域与美国以及一些欧美国家仍然存在一定差距。进入到 21 世纪以来，信息全球化以及数字多媒体通信需求不断增长，通信系统正在向着个体化、移动化和无缝隙覆盖的方向发展。卫星通信信号具有传输距离远、覆盖范围广、不受地理条件限制等优点，在信息全球化时代具有不可替代的作用。根据卫星通信的特点，其特别适用于沙漠、森林、海洋等通信基站难以建立的地方。尤其在广阔的海域，很难覆盖有效的有线通信网络，海上存在很大的通信盲区，而使用地球站同步卫星则充分解决了海上通信的问题，因此海上卫星通信属于卫星通信技术发展的一个重要方向。利用卫星进行通信，必须有卫星通信地球站与地球同步卫星建立通信链路，来实现对卫星信号的接收与发射。近些年，国外欧美国家移动通信设备开发非常迅速，如美国格鲁曼公司、海洋通信公司、KVH 公司等均相继推出卫星船载站、车载站等船用、车用电视接收及卫星通信的系列产品。同时我国在船载、车载卫星天线的研究开发中也取得一定的成果，如中国电子科技集团公司第二十六所、北京北方波尔科技有限公司等均开发出相关产品。总体来说，国外船载、车载产品虽然工作频段高、跟踪速度快，但其价格比较昂贵。因此，如何利用较低的成本，设计出满足系统要求的高性价比的船载、车载系统成了研究热点之一。本文研究的内容即为基于 ARM 的船载卫星通信地球站的设计与实现，尤其是其伺服控制系统的设计是船载卫星通信地球站的关键，它要求船载卫星通信地球站能够快速地搜索卫星，并能够稳定地跟踪。
1.2 卫星通信地球站控制器概述
目前国内的卫星通信地球站控制器多采用嵌入式处理器。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式系统为以计算技术为基础、以应用产品为核心，适应于特定应用环境的产品，主要应用在网络设备、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 GPS 等[6]。嵌入式处理器诞生于 20 世纪 70 年代末，期间经历了单片微型计算机（简称单片机）、嵌入式微控制器等阶段的发展。早期的卫星通信地球站控制器多采用单片机作为微处理器。因为没有操作系统的支持，单片机无法实现多任务，难以支持TCP/IP。目前实验室已经投入使用的船载天线主控制器为 8051F120 型号单片机。该型号芯片采用工业级标准设计，程序固化在 ROM 中，具有封装小、功耗低、抗干扰能力强，控制功能强等优点，但是由于该芯片存储容量小以及客户的更多的需求，该芯片内资源很有限，且没有操作系统的支持，已不足以支持系统功能的进一步扩展。因此此次船载通信地球站的升级采用的是基于 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，同时摒弃了传统的C/S（client/server）监控模式，以更友好的B/S（browser/server）模式为用户带来便利。
第二章 船载卫星通信地球站的总体设计
2.1 地球站天线机械结构的设计
本船载卫星通信地球站的机械机构为三轴稳定、四自由度的空间稳定结构[8]。一般地面固定站和便携站一般采用单轴和双轴，而船载、车载或者机载地球站为补偿其横滚、摇摆等影响，经常采用三轴甚至四轴。本船载采用三轴稳定天线座，三轴指地球站的三个转动轴，分别为方位、俯仰、横滚三轴。此三轴在三维空间保持两两互相垂直，其中方位轴垂直于天线底座；俯仰轴在天线初始化时，自动调整为平行于水平面；横滚轴则平行于天线底座。四自由度的定义为方位、俯仰、横滚以及支架块的转动。本船载地球站机械结构如图 2-1 所示。天线的支撑座安装在底盘上，与底盘之间设有减震装置，主要是为减轻船的摆动对天线的影响。最后底盘安装在船甲板的立柱上。上图中给出了天线后视图与侧视图，根据三轴稳定控制的设计思想，整个船载系统可以分为方位系统、俯仰系统以及横滚系统。为保证地球站天线在方位、俯仰、横摇最大程度解耦，系统分别在方位、俯仰、横摇转动轴分别安装三个陀螺，且两两垂直。方位陀螺和俯仰陀螺安装在天线的横梁上，其中方位与俯仰陀螺角速度感应线分别平行于方位轴转动面与俯仰轴；而横摇陀螺安装在船载地球站支撑座上，该角速度感应线则平行于横滚轴。在天线初始化过程中，首先根据水平仪的输出，驱动俯仰轴和横摇轴电机，将俯仰、横摇两轴调至水平，并在以后的工作过程中始终保持水平，同时，始终调平支架块，这样就保证了方位陀螺感应轴线与水平面垂直，俯仰横摇陀螺感应轴线与水平面平行，在工作过程中，三轴陀螺分别感应天线在方位、俯仰和横摇三个轴向的变化。
2.2 船载卫星通信地球站系统组成
天线馈线分系统主要由天线罩、天线座、反射面天线、馈源、传动与电机组合等组成，主要是为了实现高频电流和电磁波在发射和接收之间的转换。由于地球站天线是发射、接收两用的，因此需要采用天线共用器来进行隔离。船载卫星通信地球站系统终端天线面为抛物面天线，材料为铝，采用两次反射原理接收信号，副反射面为椭圆切面尖角偏心副反射面[10]。船载卫星通信地球站天线是一种定向辐射和接收电磁波的装置。它把发射机输出的信号辐射给卫星，同时把卫星发来的电磁波收集起来送到接收设备。根据地球站的功能，天线口径可大到 32m，也可小到 1m 或更小。此次课题的天线口径为 0.6m，有天线跟踪伺服系统，以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 系统各模块设计 .........13
3.3.1 电源模块 ..........13
3.3.2 存储模块 ..........14
3.3.3 通信模块的设计 .....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 本章小结 ........26
第四章 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 bootloader 的配置 .......30
4.4 Linux 内核移植 ....32
4.4.1 Linux 内核简介 ......32
4.4.2 Linux 内核的移植 .........33
4.5 根文件系统的构建 .....34
4.6 构建 NFS 服务器 ........38
4.7 本章小结 ........39
第五章 船载卫星通信地球站软件设计 .....40
5.1 软件开发环境与流程简介......40
5.2 伺服控制软件设计 .....40
5.3 Makefile 文件编写 ......50
5.4 本章小结 ........51
结论
目前，卫星通信技术越来越受到大家的重视，在我们身边应用比如军事、勘探科考、水利防汛等方面越来越广泛，因此本系统的开发也愈加地显得重要。本项目的开发与研究工作历时一年，主要研究了船载卫星通信地球站的硬件设计、系统移植与软件设计等。在该船载系统的开发中，主要完成了以下几项任务：
（1）首先，查阅了大量的资料文献，对卫星通信的起源、发展以及应用前景加深了了解。然后对本船载卫星通信地球站进行总体设计，包括其机械结构与系统组成，还有稳定平台与跟踪方式的选择。
（2）搜集相关嵌入式系统应用的资料，选择相关嵌入式微处理器作为本船载系统的主控制器，进行相关硬件电路的设计工作。根据船载地球站系统的特性，选择相关的外围器件包括传感器、接收机等。
（3）嵌入式开发环境的搭建是基于 ARM 嵌入式系统开发的基础。在编写伺服控制程序之前先搭建基于 ARM 的嵌入式开发环境，安装交叉编译器，并根据系统需求移植 Bootloader、Linux 内核，制作根文件系统等等。
（4）伺服控制软件的设计是本论文的核心。在编写过程中，将软件模块分为天线初始化、复位、搜索、跟踪手动等，并详细说明每个模块的执行过程以及设计流程。然后编写 Makefile，编译链接运行等。目前，该系统还处于调试阶段，整体已经满足了预期设计。随着卫星通信技术的快速发展与海上卫星导航的重要性，相信本船载卫星通信地球站在未来的市场上会有更广泛的应用。
参考文献
[1] 王丽娜等.卫星通信系统[M].北京：国防工业出版社，2006.5
[2] 康荦.动中通发展新浪潮[J].卫星与网络,2010.11
[3] 王秉钧，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，王振永，顾学迈.卫星通信系统.北京：电子工业出版社，2010.6
[5]杨少敏,曹永恒.浅谈闭路广播电视系统在舰船上的应用[J].船舶,2006.10
[6] 锐极电子科技有限公司.ARM&Linux 嵌入式系统开发详解[M].北京：北京航空航天大学出版社.2007
[7]康维新.嵌入式 Linux 系统开发与应用[M].北京：机械工业出版社，2011
[8] 梅春桃.基于圆锥扫描技术的船载卫星通信地球站天线系统[D].南京邮电大学硕士论文.2007
[9] 杨铸，唐攀.嵌入式底层软件开发[M].北京：北京航空航天大学出版社.2011
[10] 丁华众.船用卫星通信终端的研究与应用[D].南京邮电大学硕士论文.2007