（控制理论与控制工程专业论文）车载卫星天线自动对星控制系统的研制.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着卫星通信事业的快速发展，以及卫星通信具有覆盖区域大、通信稳定、 信号质量好等优点，使其在军事、公安、气象、广电等领域中得到了广泛的应用。 卫星天线是卫星通信系统中不可或缺的组成部分，对卫星天线伺服控制系统进行 研究具有非常重要的意义。 本文以车载卫星天线自动对星控制系统研制为背景，通过对现有天线控制系 统进行了深入的研究和分析，提出了采用直流电机驱动方案。在综合运用g p s 、 电子罗盘、倾角仪等现代传感器的基础上，设计了以a t m e g a l 2 8 0 为微处理器的 全自动车载卫星天线伺服控制器。 首先，本文探讨了天线转台姿态的影响，给出了以空问坐标变换理论求解卫 星跟踪角度的计算公式。其次，阐述了步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪等 常见的卫星跟踪技术，并分析比较了各种方式的优缺点。在讨论了系统组成及工 作原理的基础上，对系统进行了具体工程实现。详细介绍了g p s 、电子罗盘、数 字高频头、信标接收机、直流电机驱动、按键、显示、通信等关键硬件电路设计。 软件设计采用模块化和层次化结构，实现了系统一键对星功能。 通过多项环境试验和大量的车载试验表明，本文研制的系统是可行和有效 的，基本达到了方案设计要求，满足了在不同条件下快速准确对准卫星，确保了 卫星通信系统的正常工作。并且本系统还应用在应急通信指挥车系统中，经实际 使用情况看，系统具有可靠的稳定性和较高的跟踪精度，这是一次低成本自动控 制成功的尝试，具有较高的使用价值和推广价值。 关键字：车载天线；单片机；g p s ；电子罗盘 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o na n dw i t hal a r g e c o v e r a g ea r e a ，c o m m u n i c a t i o ns t a b i l i t y , a n dg o o ds i g n a lq u a l i t y , s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm i l i t a r y , p u b l i cs e c u r i t y , w e a t h e r , r a d i oa n d o t h e ra r e a s s a t e l l i t ea n t e n n ai sai m p o r t a n tp a r to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c ho ns a t e l l i t ea n t e n n as e r v oc o n t r o l s y s t e m h a s v e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a t i o n i no r d e rt od e v e l o pt h ea u t o m a t i cv e h i c l es a t e l l i t ea n t e n n ac o n t r o ls y s t e m ，t h i s p a p e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h ea n t e n n at r a c k i n gs y s t e m ，a n dp r o p o s ead e s i g nb a s e d o n s i m p l e ，p r a c t i c a la n dr e l i a b l em e c h a n i c a l ，i n t e g r a t e du s eo fg p s ，c o m p a s s ， i n c l i n o m e t e ra n do t h e rm o d e ms e n s o r s ，a n dt h ea t m e g a12 8 0p r o c e s s o r t h ep r o g r a m t e c h n o l o g yi sm a t u r e ，l e s sh a r d w a r ep e r i p h e r a l sa n dl o w - c o s t f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ea t t i t u d eo ft h ea n t e n n a ，a n dt h e nd r i v e st h es a t e l l i t e t r a c k i n ga n g l ef o r m u l a s e c o n d l y , t h es t e pt r a c k i n g ，c o n i c a ls c a nt r a c k i n ga n d m o n o p u l s et r a c k i n g a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s u l t i m a t e l yt h ep a p e rd e t e r m i n e st h eg r a d i e n tm e t h o db a s e do ns t e pt r a c k i n g t h e g r e a t e s ta d v a n t a g eo ft h i sm e t h o di se a s yt oi m p l e m e n t ，a n di tw i l ln o tg e n e r a t en e a r t h ee x t r e m e s w i n g s f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o no fp r o j e c t s ， i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g n st h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e n a t m e g a l 2 8 0a n dg p s ，e l e c t r o n i cc o m p a s s ，i n c l i n o m e t e r , b e a c o nr e c e i v e ro rd i g i t a l t u n e r , i n c l u d i n gd cm o t o rd r i v e ，b u t t o n ，d i s p l a yp e r i p h e r a lc i r c u i t s s o f t w a r ed e s i g n s t oa c h i e v ea k e yf u n c t i o n t h r o u g han u m b e ro fe n v i r o n m e n t a la n dv e h i c l et e s t s ，i t s h o w st h a tt h e d e v e l o p e ds y s t e mi s f e a s i b l ea n de f f e c t i v e ，a n di t b a s i c a l l yr e a c h e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s t h es y s t e mc a nm e e tt h ef a s ta n da c c u r a t et a r g e t i n gs a t e l l i t eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n st oe n s u r et h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw o r k i n gp r o p e r l y a n dt h es y s t e ma l s ou s e di np r a c t i c e i nt h ea c t u a lal o n g - t e r mu s ev i e w , s y s t e mi s r e l i a b l es t a b i l i t y , h i g ht r a c k i n ga c c u r a c ya n dl o w c o s t k e yw o r d ：v e h i c l ea n t e n n a ；m i c r o - c o n t r o l l e r ；g p s ；c o m p a s s 江苏大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 学位论文作者签名：t 砀晚。心1 指导教师签名：茹迢 汐i 口年月1 咱 川年6 月2 ，日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 钿也1 对 日期：) o f ，年6 月i 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着社会的发展和科技的进步，信息通信得到了快速的发展。最早从古代烽 火台、金鼓、驿站，到如今的电话、计算机网络、电子邮件等等，信息通信的发 展已同国计民生息息相关i l j 。 国民经济的迅速增长，生产规模的持续扩大和社会财富的不断增长，自然灾 害造成的经济损失也在逐年上升，对社会安全构成了严重的威胁。如果台风、洪 水、瘟疫等发生后，在这么一个关键的时刻，如何保持国家、政府、企业、组织 和个人之问的通信显得十分重要1 2 】。卫星应急通信的发展得到了越来越多的关 注。卫星通信是通信产业的一个重要组成部分。与常规通信手段必须依赖地面设 施等特征相比较，卫星通信具有覆盖面积大，传输距离远，通信频带宽容量大， 通信线路稳定、信号质量高、组网建设快机动灵活，通过广播方式工作还能便于 实现多址联结、通信成本与通信距离无关等诸多优点。自2 0 世纪9 0 年代以来， “信息高速公路”通讯需求迅速增长，极大促进了世界卫星通讯事业的发展，与此 同时卫星通信技术也为经济信息化和全球化做出了重大贡献，在现代信息传输中 起着越来越霞要的地位1 3 j 。因此，具有机动性强、抗干扰能力强、接收信号能力 强等优点的卫星通信系统在军事、公安、消防、气象、广电、石油、医疗等行业 中得到越来越广泛的应用。 车载卫星通信系统利用车辆的灵活性，将卫星通信地球站设备以及各种信息 采集处理设备集成安装在车辆上，使得在需要建立通信信道链接的位置，随时随 地通过卫星进行实时、大容量、不间断地传递语音、数据、动态图像等多媒体信 息。这类系统的关键技术之一在于车载卫星天线的稳定和跟踪能力，既要能很好 地隔离载体不同姿态对天线转台的影响，又要能够在各种不同的环境条件下保证 天线能快速准确的对准目标卫星，确保与卫星的通信。研究性价比高的卫星天线 稳定跟踪系统具有广阔的应用前景和市场价值。 车载卫星天线分成两种：“静中通”和“动中通”。“静中通”指的是卫星天线便 于携带，移动到某地后快速完成对星，进行卫星信号的接收，静中通是移动接收 中性价比较好的一种方式。“动中通”指的是车辆或船舶在移动中天线始终跟踪对 江苏大学硕士学位论文 准卫星，进行卫星信号的接收。由于“动中通”是在移动过程中接收卫星信号，必 须使用昂贵的陀螺仪和复杂的动态跟踪方法，所以价格比“静中通”贵数十倍。本 系统设计的车载卫星天线自动对星控制器属于静中通。 1 2 国内外研究现状 卫星天线稳定跟踪系统是一个复杂的多学科的技术密集集合体，结合了传感 器应用技术、数据采集和信号处理技术、机械设计技术、运动控制技术、卫星通 讯技术等多项技术。这类系统是以机电一体化，自动控制技术为主体，多个学科 有机结合的产物f 4 1 【5 1 。 自2 0 世纪8 0 年代起，美国和日本就提出了一种利用姿态测黾和惯性导航技 术的稳定天线平台方案，实现了“动中通”。对于移动卫星通信系统，国外在天线 稳定控制平台的理论研究和工程应用方面都取得了重要成果，这些先进技术最早 在发达国家的军事系统中得到应用f 7 1 。 美国通用动力公司于2 0 0 5 年成功地为美国陆军研发出一套车载移动卫星通 信系统，这也是美军第一种使用k u 波段的前线卫星通信终端。另外在2 0 0 6 年， l o c k h e e dm a r t i n 公司开发出可用于移动指挥的军事指挥车辆，并进行了战场模 拟演示试验，在每辆车上都装备了k u 与l 双波段卫星通信设备，并融合了美军 的联合指挥控制系统，具有更全面的语音与视频通信能力i 】。在美英等因的先进 武器系统中，如美国的m i 坦克、英国的“海枭”船等运用了基于微惯性传感器的 天线稳定跟踪平台。h o n e y w e l l 公司还研制了激光陀螺为基础的惯性姿态控制装 罟f 7 f g 爿 o s e a t e l 公司是世界上最大的民用移动卫星通信系统的制造商，该公司拥有 多项相关的重点专利技术，并可独立完成整套系统的设计与生产过程，被普遍认 可为海上卫星通信和卫星跟踪系统的顶级制造商。s e a t e l 公司的主要产品均通 过了军用品质的性能测试，其重点开发的三轴伺服控制天线，即使在最恶劣的海 洋气候环境下，都能稳定并且可靠的接收到卫星传输信号。该公司的产品全部应 用反射面天线，天线直径从0 3 米至4 米不等，包含了两轴和三轴稳定跟踪控制 方式和不同通信频道要求。其开发出的双向系统可用作语音通讯、互联网服务、 视频会议和远程调度管理等，实现远距离的实时数字信息传输。美国k v h 公司 2 江苏大学硕士学位论文 是另一个重要的民用移动卫星通信系统生产商，在卫星电视、移动互联网和移动 语音数据传输等应用场合有多个系列产品，主要采用陀螺稳定技术，实现卫星天 线指向的完全自动对准和切换，使得客户的使用更加方便l l 【1 2 l 。 德国诺达卫星通信公司( n ds a t c o m ) 是欧洲最主要的卫星通信系统及设 备供应商。公司在综合通信领域积累了丰富的经验，为世界各地的电信部门，互 联网运营商，大型企业，政府和军事部门提供了许多先进的卫星通信解决方案。 n ds a t c o m 的产品系列相当宽广，包括宽带m f t d m a 专用v s a t 网络， d v b r c si p 宽带卫星网络和d v b 数据广播网络，s k y r a y 车载站，卫星跟踪 及测控站，军用卫星通信系统等。其s k y r a y l i g h t l 2 0 0 为业内最轻的车载型v s a t 天线，可安装在任意车辆的行李架上。 美国卫讯公司( v i s s a t ) 是一家企业和政府用户提供数字通信设备，特别是 卫星通信和其他相关无线网络技术产品及服务的高科技公司，其卫星移动通信产 品包括商用和军用卫星网络系统、战场数据采集和分发终端、监测卫星通信系统 等，具有世晃最先进水平，卫星通信设备适合固定的或类似飞机、陆地和海洋上 的各种移动载体上工作。v i s s a t 公司的u h f d a m a 卫星通信系统，已经装备了 美国国防部和盟军。美国国防部采用m i d s 的卫星通信设备，其最先进和复杂的 技术在战场环境下为战斗机提供可靠的卫星数据通信。美国卫讯公司还携手波音 公司共同开发的产品正在为名用客机装备最先进的机载宽带卫星通信系统。 综上所述，国外很多国家和组织在天线稳定控制平台的理论研究和工程应用 方面都取得了重要成果。从技术角度讲，实现运动中稳定通信的条件己经成熟， 它的主要原理是利用惯性姿态测量技术来实时隔离运动载体的横滚角、俯仰角和 方位角的变化以确保接收卫星信号天线的波束中心快速准确地对准卫星。“静中 通”成熟的产品普遍应用在新闻广播电视、国防安全、应急指挥、远程医疗、石 油勘探、科考探险等行业中。 在国内，在天线控制技术方面的研究起步较晚，与国际先进技术存在一定差 距，但是也开发出一些满足实际应用要求的卫星通信系统。重庆巴山仪器厂开发 了基于捷联式、激光陀螺惯性导航系统的卫星天线稳定跟踪系统【1 1 】1 1 3 】。在我国 南极考察船“雪龙号”上装载有我国自主生产的船载卫星接收系统稳定跟踪平台， 其利用惯性测量元件感知船体摇摆，利用罗盘感知航向信息，通过数字控制系统 江苏大学硕士学位论文 稳定卫星天线的指向。该通信系统在赴极地考察过程中所遇到的各种恶劣环境下 均能够稳定工作，接收到清晰的卫星云图和冰图，证实了其在实际应用中的可行 性与可靠性，为科考船队在海上航行提供及时的资讯服务1 9 1 。 航天恒星空间技术应用有限公司是我国最早从事卫星通信研发和生产的单 位，也是我国最早研制v s a t 天线的单位之一。目前公司已具有各频段、各种口 径的动中通、静中通、便携站等卫星通信系列产品。其研制的静中通卫星通信天 线伺服控制系统一般由天线控制单元( 4 u ) 和天线驱动单元( 2 u ) 组成。 国防科技大学是国内较早从事移动卫星通信研究的科研单位，该校开发的天 线稳定平台较早使用了直接式微机电速率陀螺，系统具备一定的工程实用价值。 同时基于对卫星天线指向的精确测量，该校提出了以系统方位轴和俯仰轴交点为 锥顶、以天线当前指向为回转轴的圆锥扫描方案，成功实现了对天线指向的实时 调整，获得较好的控制效果和长期稳定性i l 引。另外，国内还有西安电子科技大学、 南京理工大学、重庆大学等多家单位从事天线稳定系统的研究工作。 总的来说，国外对车载移动天线通讯系统的研制起步较早，经过多年的发展， 产品已较为成熟，并在系统集成度、可靠性和自动化程度等性能i ：取得了较高的 成就，但同时价格也较高。但国内产品也存在明显不足，如工作频段低、天线跟 踪速度慢、系统集成度低、初始捕获和重新捕获时间长、自动化程度较低等。 因此，对于车载天线系统的深入研究，不仅是技术应用领域的推广，更是现 代化建设的需要。与此同时，为了适应民用的需求，如何设计较低成本、满足系 统性能要求的高性价比的车载天线伺服系统也成为了此类系统的研究热点之一。 1 3 研究主要内容 面对目前市场上存在的对星控制系统比较昂贵的情况，为南京中网卫星股份 有限公司研制一套低成本的车载卫星天线自动对星控制系统，应用于卫星通信指 挥系统。 本文研制的车载卫星天线自动对星控制系统主要任务是实现“静中通”，这是 应急通信车进行通信的首要保障。通信车上具有视频、语音等多媒体通信设备， 要实现地面主站与通信车之间进行通讯，就需要车载卫星天线与同步卫星进行通 信。只有天线的指向对准卫星，两者才能顺利通信，完成应急通信的任务。本系 4 江苏大学硕士学位论文 统是通过一组姿态传感器实时感知载体及天线的姿态、位置等信息，从而确定天 线的目标指向，并驱动机构带动天线，使天线指向卫星，最终保障与站所的通信 顺畅。 本文主要研究基于g p s 、电子罗盘、高精度倾斜角等现代传感器的车载控制 系统系统的设计。本课题具体所做的工作主要有以下几个方面： l 、详细阐述了卫星自动跟踪的原理。在分析了天线转台姿态对天线的影响 的基础上，推导了卫星跟踪角度的计算公式。 2 、通过研究天线稳定跟踪系统的设计方案，分析了天线控制系统的原理及 组成，设计了基于a t m e g a l 2 8 0 的控制方案。在分析比较了几种常见的天线控制 跟踪策略的基础上，提出了基于梯度法跟踪控制方法。 3 、在系统设计方案的基础上，对控制系统进行了具体工程实现，包括硬件 电路的设计和软件代码的编写。并且从硬件和软件方面介绍了研制中的关键技术 和难点。 4 、对所设计的系统软硬件进行调试，控制器进行了在各种环境下大量的实 验，并进行了实际的车载试验。通过实验数据的分析，总结了系统样机调试过程 中遇到的一些实际问题以及相应的解决办法，并提出了需要改进的地方。 江苏大学硕士学位论文 第二章天线跟踪 卫星天线是对准卫星的直视波束来跟踪卫星的，所以直视波束中心的射向就 是接收天线的指向，即接收天线的中心轴与波束中心线在同一直线上。地面接收 天线指向的基本参数有两个，表示方向位置的方位角和表示空i b j 角度的仰角。这 是系统初始对星和跟踪卫星等过程阶段中两个最基本的参数。因此，在卫星通信 领域中，方位角度和俯仰角度的计算是卫星控制系统的基础| l l j l l2 1 。 2 1 卫星跟踪角度 本系统是以同步卫星为开发对象的。同步卫星天线对星角的计算主要有以下 两个步骤：首先根据g p s 提供的经纬度和同步卫星的经度，计算出地理坐标系 下天线的指向角度，然后根据电子罗盘提供的接收站航向角、横滚角和纵摇角， 计算出载体坐标系下天线的指向角度。在推导公式之前，我们有必要引入地理坐 标系和载体坐标系的定义。 2 1 1 坐标系的定义 方位角和俯仰角是接收天线指向的两个基本参数，在推导这两个角度的计算 公式前，有必要引入地理坐标系和载体坐标系的定义。 l 、地理坐标系 地理直角坐标系吡rz ，的原点0 选在载体重心处。d z ，轴与通过0 点的铅 垂线相重合，即d z ，轴垂直于该点的水平面，向上为讵。z d r 平面与原点的水 平面相重合，o x , 轴指向正东方向；d r 轴指向j 下北方向。如图2 1 所示。 图2 1 地理坐标系示意图 6 江苏大学硕士学位论文 2 、载体坐标系 载体受到各种因素的影响，经常出现偏航或纵摇、横滚，为了确定载体相对 于当地的地理坐标系的角度，需要建立与载体对应的坐标系o x ，：z 。 载体坐标系o x y , z c 的原点足载体重心0 。纵轴o x , 由载体的尾部指向首部， 指向前方；横轴d r 轴指向载体的左侧；竖轴必轴垂直于载体平面，指向上。 n k r z 【坐标系构成右手直角坐标系。如图2 2 所示。 图2 2 载体坐标系示意图 2 1 2 地理坐标系中的方位角和俯仰角计算 同步卫星( 鼠，o 。) 在地球上的投影称为星下点s 。星下点位于赤道上，经度 为卫星经度鼠。地面接收站a 点的经度o o 、纬度缈。如图2 3 所示， 天线对准卫星的方位线就是接收天线与卫星的星下点s 的弧线，即接收天线 与卫星的直视线在地面上的投影线，方位角如图2 3 中口所示。考虑到我国大部 分地区位于北半球，所在的地方的经度大于星下点的经度，那么天线的方位角是 正南偏西( 以j 下南为基准) ；反过来，如果你所在的位置的经度小于星下点的经 度，那么天线的方位角是正南偏东。 天线对准卫星的俯仰角是接收站所在地的地平面水平线于天线中心线所形 成的角度，如图2 3 中所示。 7 江苏大学硕士学位论文 口= t a n 一l i c o f s o ( c c o 。s s 秒o c - 。s 0 够。15严17 。2 。， 脚a n 一嘲 旺2 ， 其中，p = i 最- o 1 8 江苏大学硕士学位论文 r 北 图2 4 地理坐标系和载体坐标系的关系图 如图2 4 所示，o x , y , z , 为地理坐标系，o xy , z 为载体坐标系。以下对航向 角、纵摇角、横摇角进行描述： 国航向角，载体轴线d z 在水平面的投影与诈北方向轴o y , 的夹角，顺 时针为正。 仃纵摇角，载体轴线d r 与其在水平面内的投影之间的央角，向上为正。 p 横摇角，绕载体轴线0 r 的转角，向上为正。 地理坐标系经过以下转动顺序后，与载体坐标系重合，如图2 5 所示。 图2 5 地理坐标系与载体坐标系的旋转图 9 江苏大学硕士学位论文 第一转，o x ，v , z ，坐标系绕轴旋转缈角，旋转的方向如图2 5 所示得到 o x r , z 。坐标系。可表示为 s l n 甜 c o s e 砂 o ( 2 3 ) 第二转，o x 。v , z ，坐标系绕( 珥轴旋转仃角，旋转的方向如图2 5 所示得到 o x ，k z ，坐标系。可表示为 i h 壶= 0 斟到 4 ， 第三转，o x ：k z ：坐标系绕d 匕轴旋转p 角，旋转的方向如图2 5 所示得到 o x , rz 坐标系。可表示为 瑚目 眨5 ， 小罔 ( 2 6 ) 系统的方位角和俯仰角参数是在极坐标系中，而以上讨论的是在直角坐标系 中，所以还需要以下极坐标与直角坐标的转换。 ( 1 ) 极坐标转换为直角坐标 满足薯2 + m 2 + z i 2 = 1 l o ( 2 8 ) 缈 坳 3 m 0 c 一 。l i i 1，j m 乙 d d 吣o 访 c s 。l l i 1j t 虬乙 互 d p 证0 i 宝 p 哟。咖 c 一 盯 r 。岍 o 言| ；兮 一 c 盯 盯 o 宝口 缈 护 缈 出 o c 缈 宝m o i i c 倪 旧 口 口 眦裟| | 江苏大学硕士学位论文 f 1 s i n p。 满足2 + 以2 + 互2 = l 州a k 剥 叫撤剥 芝1 4 载体坐标系中的方位角和俯仰角计算 当载体坐标系和地理坐标系重合时，按照公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得到的方位 角和俯仰角调整天线，可以使天线精确地对准卫星。然而，在通常情况下并不满 足直接应用地理坐标系下的方位和俯仰角埘准和芷硅踪卫星的条件。此时，需要得 到在载体坐标系中的方位角和俯仰角。 首先，需要得到天线中心轴在地理坐标系中的投影；然后，进行地理坐标系 到载体坐标系的坐标变换；接着，得到地理坐标系到载体坐标系的变换矩阵；随 后，得到天线中心轴在载体坐标系中的投影；最后，进行直角坐标系到空问极坐 标系的简单的变换，得到天线轴在载体坐标系中的方位角和俯仰角。 在载体坐标系中，天线轴在载体平面的投影与o r 轴的央角为在载体坐标系 下的方位角；天线轴在载体平面的投影与天线轴的夹角为在载体坐标系下的 俯仰角p o 。由电子罗盘、倾斜角传感器联合关系得到载体姿态参数( 缈，盯，p ) 。最 后，结合以上地理坐标系与载体坐标系的分析，可以得到： ( 1 ) 已知在地理坐标系下的指向，得出在载体坐标系下的指向。 一c o s f l e c 。s p s i n ( a - c o ) + s i n p s i n c r c o s ( a - c o ) - - s i n f l s i n p s i n o ) ( 2 1 2 ， 成= s i n 。1 c 。s s i n p s i n ( 口一c o ) - c o s p c 。s 仃c 。s ( 口一缈) + s i n c 。s p c 。s 盯 ) ( 2 1 3 ) ) ) ) 9 o 乙 j 0 ( 2 2l ，l 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 已知在载体坐标系下的指向，得出在地理坐标系下的指向。 口= t a n - f j 垫墅坐竺竺盟坚坐坚l 一1 + 国( 2 1 4 ) l c o s , o o ( c o s c r c o s a o + s i n o - s i n p s i n a o ) 一s i n p os i n o - s i n p j f l = s i n c o s p o ( s i n o c o s a o c o s 盯s i n p s i n ) + s i n 风c o s 盯c o s p ( 2 1 5 ) 2 2 卫星跟踪技术 天线伺服控制系统都必须保证天线中心轴准确地指向卫星，使卫星通信系统 在任何时候、任何地方和任何气候下能够保证稳定可靠地进行卫星通信。因此， 天线自动跟踪系统以卫星跟踪信号作为系统的反馈信号，通过跟踪技术使天线更 快速、更准确的指向目标卫星。系统采用何种跟踪技术，应该对其跟踪速度和跟 踪精度作一个折中的考虑，并进行性价比的比较后进行选择 7 1 。目前自动跟踪技 术有程序跟踪、步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪技术。 2 2 1 程序跟踪 将卫星的数据和天线平台地理坐标及姿态数据输入在微处理器中，微处理器 对这些数据进行处理、运算、比较，得出卫星轨道和天线实际角度的差值，然后 将偏差值送入伺服控制器，驱动天线，消除误差角。不断地比较、驱动，使天线 指向卫星。 程序跟踪速度较快，系统实现简单容易，可以实现对卫星的快速初始捕获。 这种跟踪方式可以不使用卫星信标电平作为跟踪信号，所以即使跟踪天线受到遮 挡，天线仍能指向卫星。一旦遮挡消除，卫星通信能够即时恢复。这是程序跟踪 的最大优点。但是，程序跟踪方式受轴角编码器精度、天线座架精度、g p s 和电 子罗盘等传感器提供数据的精度以及天线安装后的校准精度等因素的影响，所以 系统的精度较低。另外，程序跟踪方式完全依赖于载体传感器为系统提供的数据 而实现天线对卫星的跟踪。一旦传感器发生故障，将导致整个卫星天线控制系统 失效【2 刀。 程序跟踪是种开环控制方式，系统的性能主要取决于选用元件的性能。因 为系统没有利用外部信息来校正系统元件导致的误差。目前电子罗盘是常用的和 性能优异的元件，如何良好解决周围电磁场环境对整个系统的影响是系统设计的 一个重点。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 步进跟踪 步进跟踪1 1 0 j 【2 5 l 是指天线指向按固定的步进向接收信号增大的方向进行不断 调整。步进跟踪又称极值跟踪，它是一步一步地控制天线在方位面内和俯仰面内 转动，使天线逐步对准卫星，直到天线接收到的信标信号达到极大值后，系统才 进入休息状态。如果载体静止或运动导致的姿态角变化很缓慢，系统保持在休息 状态，否则系统始终处于跟踪状态。一般而言，控制系统总是“休息跟踪” 交替，周而复始地进行着工作。 在步进跟踪中，天线的运动可以分为搜索步和调整步两种。搜索步的功能是 确定天线转动的方向。调整步则是在该方向上转动天线一步。搜索步动作以后， 整个跟踪系统就j f ：始工作。通常需要经过若干次搜索步搜索，才能确定天线应该 转动的方向；次后，天线就回到原来的位置；然后，向搜索步所确定的方向转动 一步。这最后的一步就称为调整步。调整步与搜索步的主要区别在于经过调整步 后，天线不会回到原来位置，而搜索步则不一样。不管搜索步动作多少次，只要 完成规定的搜索次数后，天线就会回到原来位置，接着天线就转动一个调整步。 卫星信号接收机输出的信号存在较大的误差，该误差就会导致系统出现天线 调整的误动作。天线向偏离卫星的方向运动，接收机输出的信号值就应该比前一 位置小。如果此时出现某种干扰使系统接收到的瞬时信号强于前一数值，那么就 会得到错误的信息。系统就会认定转动方向是正确的，控制天线仍向着错误的方 向继续转动。导致天线越来越偏离卫星。因此，隔离信号干扰误差是步进跟踪的 一个重要难题。 步进跟踪的设备简单，成本低，可以简化馈源网络，同时可用一般的信标接收 机或数字接收机代替复杂的单脉冲跟踪接收机。因此在大中小型卫星通信地球站 中均得到广泛应用。但是，步进跟踪方式控制的天线波束不能停留在对准卫星的 方向上，而是在该方向的周围不断摆动。因而跟踪精度较低，并且由于天线是在 俯仰面和方位面上重复交替转动以实现天线波束逐步对准卫星，跟踪速度较慢。 另外，步进跟踪是以接收信号数值为依据，判断天线是否对准卫星，当接收信号的 变化幅度较大时，天线跟踪将存在较大偏差和误动作【l o 】【2 7 】。针对步进跟踪法所存 在的不足，运用多元函数微积分原理的梯度法不仅能够获取目标方向，而且还能 够自动地确定目标跟踪的速度和步距【引。梯度法是自适应信号处理和自适应天线 江苏大学硕士学位论文 阵常用的一种迭代跟踪算法，具有很快的收敛性。以下对梯度法进行详细阐述。 天线的方向图如图2 6 所示，其描绘了对空间辐射电磁场能量的分布情况， 设天线和方向增益函数为 r，1 g ( 8 ) = e x p i - 2 1 n 2 ( 8 0 3 册) 2l ( 2 1 6 ) 式中，0 3 嘏表示天线一3 d b 增益电轴偏轴角，也是天线半功率波束宽度； 0 为天线电轴的偏轴角。 y 个 卜魄叫 图2 6 天线方向图 根据多元函数微积分原理，函数在某点的梯度是指向函数的最大变化方向， 梯度法就以此作为天线的搜索路径。记a g 为天线步进后信号的变化量，鲋和 a e 为相应的方位轴和俯仰轴方向上的变化量，对于当前位置附近的方向导数有： 等= 删z 宰等+ 鲫删木等 。2 朋， 式中，r = 厄蕊 g r a d a z 、即删为天线方向增益函数在当前位置附近的梯度值。 方位角鲋和俯仰角衄独立分别控制，可记a 8 。以上可以简化，得 一ag：grado-w 奉竺 ( 2 1 8 ) 石2奉石 2 1 8 g r a d e g = 笪a o = v 口 ( 2 1 9 ) 迭代公式幺+ ，= o k - 2 v 口，a 决定了目标跟踪的速度。 迭代终止的条件是笔 占，g 为任一小常数，取决于最终跟踪精度。 p 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 圆锥扫描 圆锥扫描跟踪是指把馈源绕天线对称轴作圆周运动，或把接收面倾斜旋 转。这样天线波束呈圆锥状旋转，当天线轴对准卫星时，天线接收的信号数值是 一恒定值；当天线轴偏离卫星时，天线接收信号将有一个低频幅度调制。根据信 号的幅度和相位检测出天线波束的指向误差。 这种方式的缺点是馈源永远偏离抛物面的焦点，使天线增益下降。同时需要 馈源持续的圆周机械运动，可靠性较差。系统跟踪时，需要得到一系列的脉冲， 4 。能得到角误差信号，实时性稍差。 2 2 4 单脉冲跟踪 单脉冲跟踪1 2 0 1 方式使用的天线一般都有多个馈源。顾名思义，单脉冲跟踪就 是在一个脉冲的间隔时间内，确定天线波束偏离卫星的大小和方向获取驱动天线 方位轴和俯仰轴运动的误差信号，以驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。 单脉冲跟踪能从每个接收脉冲中得到完整的角误差信号，这种跟踪方式是一 个闭坏系统，具有实时性好，跟踪精度高的优点。但是设备要求天线馈源具有跟 踪模耦合器( 主模或高次模) 器件，设计复杂、造价高。还有天线会一直处于运动 状态，增加了机械和电机的磨损。 2 3 本章小结 本章介绍了天线指向的数学基础，给出了地理坐标系和载体坐标系下的方位 角和俯仰角的计算公式。紧接着阐述了几种常见的卫星跟踪技术，在分析步进跟 踪技术的基础上，重点讨论了梯度法原理。 江苏大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 硬件设计是实现整个控制系统的核心之一。在系统方案的基础上，对系统控 制器的硬件电路进行设计。 3 1 系统组成与工作原理 本文研究的卫星通信系统是利用抛物面天线与地球同步卫星进行通信，抛物 面天线必须对准卫星，才能保证通信链路畅通。系统工作原理分如下几步： ( 1 ) 根据用户选择的同步卫星坐标( 鼠，0 。) 和g p s 提供的地理位置信息 ( 眈，仍) ，依据公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 计算在地理坐标下方位角口和俯仰角； ( 2 ) 根据电子罗盘和倾角仪的数据，以及机械结构关系，计算出载体的姿 态参数( 缈，盯，p ) ； ( 3 ) 依据公式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 计算在载体坐标系下方位角和俯仰角屁， 迅速控制天线指向目标区域； ( 4 ) 根据系统跟踪信号，控制天线粗对准目标卫星； ( 5 ) 以系统跟踪信号为反馈，使天线快速指向信号最佳位置，其指向保持 不变。系统控制流程如图3 1 所示。 在地理坐 依据计标系中， 算公式天线指向 【2 1 ) 和 卫星所需 ( 2 2 )两方：匝i p 得出理角、俯仰 论指向角，以及 依据计 极化角。 算公式 ( 2 1 2 ) 和 【2 1 3 ) 天线机 载体坐标 得出指 械结构 系与地理 向偏差 关系， 坐标系的 数据关 关联，即 载体姿态 联换算 角参数。 图3 1 车载天线控制系统的工作原理图 1 6 江苏大学硕士学位论文 经过对系统工作原理的讨论和分析，设计了车载卫星天线自动对星控制系 统，系统总体结构如图3 2 所示。g p s 接收机可以为系统提供当前位置的地址信 息；电子罗盘和倾角仪等传感器共同测量出天线姿态信息；控制器计算卫星跟踪 角度，并驱动直流电机改变天线平台的方位角和俯仰角，使天线快速准确的指向 卫星；卫星信号接收机可以是信标接收机，也可以是数字高频头，主要为系统提 供对星依据；l c d 或p c 上位机软件均可显示系统参数信息。 g p s r s - 2 3 2 - 气，一一盘严 i 。i ， 一倾角仪产 p c 一、 么方位角度编码器严 r s 2 3 2 软件 或o s 百 控 制 器 l 离缪= 盖 l 极化电机 卜也圃 g p i o 按键 j j ：。一 方位电机 g p i o 卫星信号信标机峰垒丝 l c d 接收机 高频买阻 3 2 微处理器模块 图3 2 系统总体结构图 通过对系统需求的综合考虑，控制系统微处理器主芯片选用a t m e l 公司推出 的一款高性能、低功耗a v r 单片机a t m e g a l 2 8 0 。该款芯片具有先进的精简指令 集( r i s c ) 结构，高耐久度、非易失性的程序和数据储存器，片内j t a g 调试功 能，以及丰富的外设功能等优点。a t m e g a l 2 8 0 的工作电源电压为2 7 5 5 v 。处 理器具有六种睡眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 待机模式以及扩展待机模式。该芯片具有1 2 8 k b 的系统内可编程f l a s h ，8 k b 的 江苏大学硕士学位论文 内部s r a m 以及4 k b 的e e p r o m ，因此无需存储器的扩展即可满足控制系统的 需要。与同类单片机相比较，a t m e g a l 2 8 0 的外设功能更强大，主要有以下几点： 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器。 四个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器。 具有独立的晶振实时时钟计数器。 四路8 位p w m 频道。 1 2 路分辨率可编程( 2 到1 6 位) 的p w m 频道。 输出比较调制器。 1 6 路1 0 位a d c 。 面向字节的两线串口。 四个可编程的串行u s a r t 。 可工作于主从模式的s p i 串行接口。 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。 片内模拟比较器。 引脚电平变化可引发中断及唤醒m c u 。 因此，充分利用这些资源可以简化系统硬件电路设计，提高系统的可靠性。 3 3g p s g p s 全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，能为用户提供目 标的地理信息，包括经度、纬度、海拔、对地速度等信息。系统采用芬兰f a s t r a x 公司的i t r a x 3 0 0 1 3 4 1 模块。i t r a x 3 0 0 即使在g p s 信号较弱的环境下都能进行可靠 的定位。主要特点有： 极快的t t f f ，能在恶劣的城市狭缝或阻挡环境下实现快速重新捕获， 以达最佳的定位与导航。峡谷等障碍区域快速进行信号重捕。 在特殊的电源管理模式中达到最低功耗。 可自身调节的t r i c k l ep o w e r 模式在保证低功耗同时，以充足电力适应弱 信号条件完成信号的采集和追踪。 p u s h t o f i x 模式保持g p s 时间和卫星数据的有效性，并快速适应需求进 行导航定位。 1 8 江苏大学硕士学位论文 高灵敏度一1 5 7 d b m ( 追踪) 。 n m e a & s i l 心二进制协议。 两个串行接口。 具有l p p s 输出。 支持w a a s e g n o s m s a s 。 i t r a x 3 0 0 的管脚接口如图3 3 所示，主要引脚定义见表3 1 。 厂一一一一一、 】 o n _ o f f1 p p s 3 0 【 】2 b o o tg p l 0 8 约【 】3 g p l 0 1 4v d d 2 8 【 】4 g p l 0 2g p i c h o 2 7 【 】5 汕签【 】6 g p k ) 1 5 】7 g i ： 1 0 4 “燃凹 i r o o c 3 0 0 】9 x r e s e t 。 】1 0 眦 】价 】t 2 g p t 0 1 3 】1 3 g p i o 】1 4 , v t ) db a c x u p - 2 5 r f 2 4 g n d 2 3 g 复 n c 2 1 g 2 0 f 移a d 8 。1 9 r 0 a 1 8 t x d a 1 7 】1 5 g mt x d 8 1 6 【 图3 3i t r a x 3 0