（控制理论与控制工程专业论文）移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现.pdf

硕士论文 ab s tract withthe b a c k grou n d ofs ta b ili z edsyst e mdesi gnfor s a t e ili t e c o inin u ni c ation， the d esign 明d eng n ee n n g d eve 】 。 p m ent ofth e mob ilesa t e l l i tea n t e n n a s ta b 1 li z edti a c ki n g sy s t e mis di scu s s edinthis p a per . t 七 i s sy s t e misb a s e d on3 一 而s di gi 回c o m p ass， 名 扣 泊and s t e p p in g moto r and isdesi gnedto众 分 1 1 zetw。 五 m c ti ons . the fi r s t 加 n 比onistos e a re hth e t ar g e t s a te l l l teaut o 江 以 石 。 习 l y a cco r d l n g toth e 众 兄 e l v ed a tt l m d e ang 】esand th e sa t e 伍 tesi gnal s . the s e co n d ft m c ti onistoca n y o u t s “ 由 l li z eds ervo c o n o d l 创 龙 or d i n g toth e g 扣 旧si gnal s 丘。 ml h n 姆axes s oas toiso l a 沈dis 山比a d c e s 6 幻 m v e b i cles. the m al n c o d 记 n tsof而s p a pe r include the d esignofthe sc h e m e asa w hole ， the h ar d w are desi gna o d tes血g ofth e c o n 。 习 1 】 er ， the s o ft w ar e d es i gnand d e b u g 邵 n g ofth e sy s t e m . b o t h p ro g n u n t ra c k i n g and s t e p p 1 n g tr a c king 硕山 m e t ic w ere usedinthe s atelli tea u t o . ， 溉 甘 c hing 枉 k . l h e c 创 万 d in ate n 妞 n s fo nris ， 允 曰一 加 p 胃 肚 d c o m 户 m s a 石 onc o n 仃 o l inthe ro nand p l t c h 而5 汕dclos edq o o pc o n tr o l inthe b ea di n g 祝s w ere di scus 刘 inthe s tabili z e ds e ry 。 。 n o .o i p art. at俪权 th e c ontl 劝 1 1 erofth e a n l o 1 比was t es “ 幻torun .re liabl y . 丁 h e sy s te mwas tes囚 by th e t h r ee， d i m 阳si onm o t i ons l m u l a 幻 r and th e e x pec tablep er fo rmancew asa c hi evedonthe w hole . and it s p ro v edth a t th e w holes c h e m e ofth e sy s t e r o isavallableand y 面d . atlas 仁 ， 。 m e p r o bl e rl 昭 th atoc c u 功 edduring th e d e b u g g m g 叨d the w o rl 石 n g to g e th erwithth e n e x t s te p ofthe w o rkare poi n t edo u l mo b i les ateilitea 刀 t e n n 入s ta b i lized t ra c ki n gs d i gi 以c o mpas s ， s tep禅 ng c o m p e n s ation， g 界 0 ys te m. 3 一 队1 5 fe e d 匆r 胃 肛d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名二 - 班聋 一 叫 年 7 月 户 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名气 灌森 - 一 词年 7 ” 加 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线称定跟踪系统的设计及工程实现 1 .绪论 1. 11程背景 近年来， 随着信息技术的不断发展， 卫星在通信、 广播、 导航定位、 气象服务、 遥感遥测、地球资源、环境监测、技术侦查等方面显示出了非常重要的价值。卫星 通信已 成为重要的现代化通信手段，在商用和军事上都获得了广泛的应用。卫星通 信的 优点是通信距离远， 建站成本与通信距离无关，以 广播方式工作， 便于实现多 址链接， 通信容量大，能传送的业务类型多，性能稳定可靠，灵活机动，不受地理 条件限制。 其中卫星移动通信自20世纪90年代以来得到了 迅猛的发展， 全球性的 系统 ( 如 玩 n 旧 n 妞 t 系统)和区域性的系统 ( 如北美的 a ms c系统和澳大利亚的 mo b il es at系统) 都己投入运行， 并且在地质勘探、 抢险救灾等许多方面都发挥了重 要的作用。 所谓卫星移动通信是指借助于通信卫星在固定地面站与移动站 ( 如车载 站、机载站)或者移动站与移动站之间提供通信链路的通信系统。 移动卫星天线稳定跟踪系统能够在载体 ( 车、船、飞机) 运动中接收卫星信号 或进行发射、 接收双向通信。 移动卫星天线稳定跟踪系统采用激光制导、遥测天线 控制技术、g p s卫星定位等技术，能自 动捕获目 标卫星;采用先进的自 跟踪技术， 能在载体运动的情况下， 对卫星进行高精度的自 动跟踪。 通过卫星在移动过程中直 接通信，不间断地双向传输图象、数据、语音等多媒体信息，进行电视直播、电视 转播、 语音通讯、 视频会议、 远程调度管理， 应用于电视直播、 卫星通信、 转播车、 电视台、银行、军队、军舰、气垫船、 水陆两用坦克、公安、以及大型调度管理系 统。 这类系统机动性强、抗干扰能力强、接收信号能力强、 保密性强，其关键技术 在于天线的稳定和跟踪能力，即能很好地隔离载体的运动对天线平台的姿态影响， 并且在各种气象、 环境条件下保证天线始终高精度地对准卫星， 实现运动中连续卫 星通信，具有很大的军事和民用价值。 载体在运动过程中，由于姿态和地理位置发 生变化， 会使卫星天线的 指向 偏离卫星， 造成通信中断， 必须对载体的这些变化进 行隔离， 使天线始终对准卫 星。 其具体方法是: 首先根据其载体的姿态及地理位置、 卫星经度自 动确定以水平面为基准的天线仰角， 在保持仰角对水平面不变的前提下 转动方位， 并以 信号极大值方式自 动对准卫星; 然后在载体运动过程中， 测量出载 体姿态的 变化， 通过坐标解算， 变换为天线的误差角， 通过伺服系统调整天线方位 角、 俯仰角、 极化角， 保证载体在变化过程中， 天线在规定范围内 对星， 使天线能 够在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。 移动卫星天线稳定跟踪系统跟踪卫星的方式有自 动跟踪和惯导跟踪两种。自 动 1绪论硕士论文 跟踪是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪; 惯导跟踪是利用陀螺导组合敏感载体 的变化进行天线跟踪。 这两种跟踪可根据现场情况自 动切换:当系统对星完毕转入 自 动跟踪后，以自 动跟踪方式工作，同时惯导系统也进入工作状态，并不断输出天 线极化、方位和俯仰等数据;当由于遮挡或其它原因引起天线信标信号中断时，系 统自 动切换到惯导跟踪方式。 国内 u h f 频段的卫星移动通信系统的天线使用了宽带螺旋天线或相控阵天线跟 踪卫星，其频带窄，通信容量小， 不能在移动中传送活动图像， c 频段未见卫星移动 通信站。本系统采用的是k u 波段卫星天线， ku波段是指频率在1 2 礴 s g h z 的无线电波 波段。ku波段卫星广播电视的频率大约是c 波段频率的3 倍，而波长是c 波段的1 13. 由于ku频段比c 频段频率高， 天线增益大，天线尺寸可做的小，很适用于卫星移动通 信。但由于ku波段的卫星信号频率较高，天线主瓣宽度较窄，系统天线转动稍有偏 差就可能超出主瓣， 使接收信号中断; 另外厂 移动载体存在着各种不确定的颠簸运动， 致使系统处于不确定的状态中;这些都对系统设计提出了很高的要求。 移动卫星天线稳定跟踪系统是由卫星自 动跟踪系统和卫星通信系统两部分组 成。 ( 1) 卫星自 动跟踪系统:能够保证天线在载体运动时精确对准卫星。 主要由天线系 统、伺服系统、数据处理、载体测量四个部分组成 ( 2) 卫星通信系统:将上行信号传输到卫星，卫星转发器传送下行信号到地面卫星 接收系统;或单方向接收卫星信号设备。 卫星电视双向传输的主要设备有: 编 / 解码器、调制/ 解调器、上/ 下变频器、高功率放大器、双工器和低噪声放大 器. 1 2国内 外研究现状 移动卫星天线稳定跟踪系统集惯性导航技术、 微惯性传感器应用技术、 数据采集 及信号处理技术、 计算机控制技术、 精密机械设计技术、 电机伺服控制技术、 卫星通 讯技术和系统工程技术等多项技术于一身， 是以 机电 一体化、自 动控制技术为主体， 是多 个学科有机结 合的产物t20。 在这一领域，国内 与国外 相比 有着 较大的 差距。 从7 0 年代中期开始 很多国家和组织就一直在从事移动载体卫星通讯的研究与 开发活动。 20 世纪50年代末期，利用卫星姿态测量技术和导弹制导技术建立一个 稳定的天线平台， 用它来实时隔离运动载体的摇摆和方位角的变化， 确保接收卫星 信号天线的 波束中 心简便、 快速、 准确地对准卫星， 从而实现 “ 动中 通” 一卫星 移动通信， 从技术角 度来讲， 其条件已 经成熟。 对于“ 动中通” 的研究， 国 外在理 论上和工程上都取得了重要的科研成果。 这些先进的技术成果主要应用于西方发达 国家的先进武器系统中， 2 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现 出 .早 最 “ 动中 通”的研究工作开始于 8 0年代的美国和日 本， 中。位于麻省的沃尔瑟姆雷声公司制造出可以安装在“ 悍马” 现在美军的装备 车上的动中通 s ma r t 目 t ，同时还适用于高级极高频飞机。2 0( 辫年 10 月，位于美国西盐湖城的 l3通信公司设计开发出为多功能卫星移动通信终端，该设备十分小巧，首期装备 美国陆军， 并将装备海军陆战队、 空军、 预备役部分和国民警卫队。 英国的t h a u招 公司参与了美军j t r s 计划和英国的b o w ma n计划，开发出系列增强型数字卫星 移动终端支持战时的信息传输。 空中移动通信最典型的是美国应用于无人机全球鹰 一 一 一 g l o b a lh a wk ，全球鹰的卫星移动通信，凭借卫星覆盖范围广的优势，将 侦查的图像、照片实时回传司令部。2 (x)5年美国通用动力公司c4 系统分部成功地 在野外试验中演示了为美国陆军研制的移动卫星通信系统 (s0 下 m)，这是美军的 第一种使用ku 波段的车载卫星通信终端。5 0 们 m终端是第一种即将被美国通信委 员会批准在美国使用的、 可以安装在多种车辆上、通过卫星提供可靠的高带宽声音 和数据的通信系统。由于使用ku 波段，数据传输速度可达到1 .5 4 兆以上，是现有 长波终端的24倍。 动中通在军事领域发挥作用的同时也广泛应用于民用。俄罗斯、印度、日 本、 以色列、 意大利、 澳大利亚等国 对卫星移动通信展开深入研制。 全球领先的卫星移 动天线和通信解决方案供应商r a y s a t( t m)，imc推出了全球最小的卫星电视 车辆天线 t f l e r a yc n 城 )。 们 丑 卫 r a y天线是为日 本国内 汽车市场而开发的。 t e l e r a y厚度为z j c m，直径为 犯 m，是一种小尺寸车顶天线，行驶车辆中的 乘客能够观看现场直播的日 本 b 别 c s卫星电视广播。此外如美国 k v h 公司、 s e a t e l公司、日 本n k h公司等也专门生产车用、船用卫星通讯及电视接收的系 列 产 品 阅 。 我国 对动中通的 研制始于90年代初期。 北京北方波尔科技有限公司于2 0( 刃年 5月研制出可用于陆 地、 海上、空中的移动式卫星接收系统，被信息产业部批准为 2 (x)1 年度 “ 信息产业科研试制计划”项目 ， 并通过了国家航天总局、 清华大学、 北 京航空航天大学等多 家权威机构的技术鉴定。 我国南极考察船“ 雪龙号” 上装载的 船载卫星接收处理系统， 在赴极地考察所遇到的各种恶劣条件下能够正常运转， 接 收到清晰的卫星云图 和冰图， 指导船舶航行， 为其在海上航行提供可靠的实时气象 和海洋资料。 将 “ 动中通” 技术运用于奥运赛事的广播电 视转播也具有明显的 优势: 机动灵 活，覆盖面积大， 可以降低直播系统的复杂性，提高直播技术的可靠性和安全性， 节省直播过程的 运行费 用。 2 加2 年重庆航天测量通信技术有限责任公司 研制出 动态 电子信息化系统， 其车船用移动卫星电视接收系统可用于在移动的火车、 汽车、轮 船上实时收看卫星转发的多套赛事节目， 并且可以 选择不同卫星; 其电 视转播用移 1绪论硕士论文 动卫星通信系统可以保障电视台实况转播大型活动场面。在 2 0()5年召开的中国国 际警用装备和反恐技术装备展览会上，中国电子科技集团公司第 38 研究所展出了 为奥运安全保障推出的 “ 奥运球载安全系统”。 这套安全系统可通过气球、飞艇在 空中用摄像机监测场馆的情况， 并将图像实时传送到地面的动中通ku 频段车载站， 然后再由车载站将相关的图像、声音信息传递到相关监测单位，达到实时安全监测 的目的。 纵观国内外动中通产品， 国外的产品大多价格昂贵; 国内 产品虽有一定的价格优 势， 但也存在工作频段低、 天线运动速度慢、 运动范围有限、 座架谐振频率低、 跟踪 速度慢、初始捕获和重新捕获时间长、通信业务量少等缺点。 与此同时， 现有的军用 稳定跟踪系统多采用激光陀螺等高性能的传感器， 成本很高， 不适合民用:因此， 利 用较低成本的中低精度陀螺和数字罗盘等传感器设计出满足系统性能要求的高性价 比的 “ 动中通”系统也成为了此类系统的研究热点之一。 1 3本文内 容安排 本文以卫星通信稳定系统的研制为背景， 研究了基于三轴数字罗盘、陀螺以及 步进电机的移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现。 系统设计的目的是实现 以下两个功能: 一是根据接收到的姿态信号以及卫星信号强弱自 动搜索卫星，二是 根据三轴陀螺信号进行稳定伺服控制，以达到隔离载体扰动的目 的。 课题研究的内 容包括系统总体方案的改进设计， 天线控制器的硬件和软件设计以及系统跟踪和控 制算法的设计应用等。 本论文各章节安排如下: 第一章为绪论部分， 介绍课题的工程背景、国内 外研究现状，以及本文的主要 内容安排。 第二章为系统总体设计， 主要内容包括天线机械结构、 系统跟踪方案以及稳定 方案的选型和设计，介绍了系统的整体结构及工作原理。 第三章为系统硬件设计， 主要内 容包括传感器件、 执行机构以 及卫星接收模块 的选型，硬件电路的具体设计。 第四章介绍了系统跟踪与控制算法， 包括参考坐标的选取与角度变换， 三轴控 制策略、步进跟踪算法、智能分区p id控制算法。 第五章为系统软件设计， 主要内容包括系统软件的组成和任务模块化设计， 详 细介绍了系统初始化、自 动跟踪、 稳定伺服以及监控计算机界面的软件流程，并对 系统各任务模块作了详细说明. 第六章为实际系统调试， 详细介绍了调试过程中一些需要注意的问题和关键技 术，结合三维运动模拟器进行了系统联调， 给出了具体的实验结果，并对结果进行 4 南京理工大学硕士论文 移动卫星夭线稳定跟踪系统的设计及工程实现 了分析。 最后总结了系统设计和调试过程，提出了仍待改进的不足之处。 2系统总体设计 硕士论文 2 .系统总体设计 作为一种移动式卫星通信系统，“ 动中通”系统主要由卫星自 动跟踪系统和卫 星通信系统两部分组成， 采用自 主跟踪、 信号闭环等新技术， 很好地解决了各种车 辆、轮船等移动载体在运动中通过地球同步卫星，实时不断地传递高频、宽带大容 量的语音、数据、高清晰的动态视频图像、传真等多媒体信息的难关，是通讯领域 的一次重大突破。为了高质量地接收卫星广播，对移动天线， 特别是陆上移动天线 提出了 下 列电 子、 机械以 及结 构 方面的 要 求 141 : ( 1)精确的波束指向: 在现行d b s 系统中， 要求接收天线的增益大于3 2 d b i ; 这 样，波束也就必须相当窄 ( 大约2 。 ) ，因此就需要准确的波束指向能力。 ( 2)高速跟踪:由于运动体移动很快，且频繁地改变它的方向，移动接收体就必 须快速跟踪卫星，不仅要进行波束控制，而且要补偿载体的震动。 ( 3)卫星信号中断的防范措施:在卫星跟踪系统中，只要接收到卫星信号， 接收 天线便能将其波束指向卫星. 但是如果信号被周围的障碍物中断的话，便不可能跟 踪到卫星。 要防范卫星信号被遮挡，需要下面几种技术:空间分集; 利用陀螺仪或 磁传感器保持天线指向;高速率机械搜索后再捕获卫星。 ( 4)高度限制: 接收系统，作为一个整体，必须结构紧凑、 重量轻、 特别是不能 太高以免不能在载体上进行调节。 通常， 载体上的天线系统高度应该在1 英尺以下。 对于安装定向天线的移动地球站而言，由于在行进过程中地球站的六个自由度 ( 三个位置坐标: 纬度、 经度和高度: 三个姿态参数: 行驶方向、俯仰角和横滚角) 会不断发生变化，因此要真正实现 “ 动中通”，必须不断改变天线波束在地球站坐 标系中的 指向， 使其保持对卫星的跟踪。 对卫星的 跟踪有开环跟踪和闭环跟踪两种 形式: ( 1)开环跟踪: 依靠传感器实时测得地球站的地理位置和姿态， 计算出卫星在该 地球站坐标系中的方向，然后控制波束指向该方向; (2 ) 闭 环跟踪: 则利用接收到的卫星信号， 通过各种测向 技术或寻找最大接收功 率的方法来控制反馈电路调整波束指向，实现对卫星的跟踪。 这两种方法各有优缺点。 开环跟踪比 较简单， 但需要有合适的传感器，并且其 精度直接影响了跟踪精度，而高精度传感器相当昂贵。闭环跟踪要利用卫星发出的 信号，不仅浪费了 卫星资源， 而且实现起来较前一种方法复杂一些。 因此，实际使 用时要根据整个系统的要求进行选择，或者同时采用两种方法。 2. 1稳定平合 类型和选择 由于载体在运动过程中会不断改变方向和速度， 并且会受到外界的扰动， 使得 6 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现 天线的空间指向不断地发生变化，无法与卫星进行稳定的通讯。 所以 移动卫星天线 必须设置稳定平台，用稳定平台来隔离载体扰动，保持天线空间指向的不变，保证 天线的正常工作。 这里稳定平台所说的稳定是空间 状态的 稳定， 指天线平台在外界 干扰作用下，能相对惯性空间 保持天线的空间指向 不变。 2. l i 租定平合类型 现有的天线稳定平台从工作原理上分为机械稳定和数字稳定两种，机械稳定是 在机械上增加一套能够补偿载体纵摇、横摇和航向 变化的稳定平台，实现天线波束 的稳定，该方案造价高且可靠性较差。数字稳定不需要稳定平台，而是利用传感器 和各种稳定技术， 修正或补偿载体姿态变化的影响，从而实现天线波束的稳定。数 字稳定方案成本较低、精度高、响应速度快，但系统设计难、控制算法复杂。 目 前， 稳定天线波束的 数字稳定方案有 “ 外部引导” 和 “ 自身稳定” 两种图。 ( 1) “ 外部引导” 利用伺服控制系统以外的传感器实时提供载体的姿态和位置信息， 并经适当的 坐标变化解算出相应的 控制量， 通过伺服系统实现天线稳定。 主要有以下三种方案: 数字罗盘g p s 组合控制方案: 此方案通过c p s 测得载体的位置信息，通过数字罗盘直接感应载体的姿态信息， 通过计算机的坐标变换得出天线平台的即时方位和俯仰角， 通过天线伺服系统保持天 线平台的稳定。该方案缺点在于数字罗盘的响应频率比较低且易受到铁磁性物体干 扰，精度较低，故用于姿态变化比较缓慢的场合。 且 以 u i g 于 5 组合方案: n 涯 u z g p s 组合式， 这是当前流行的 捷联惯导技术与全球定位系统相融合的导航方 案， 通过g p s 接收机接收载体的 位置信息， 初始对准后， 通过三个垂直安装的速率陀 螺组合经过捷联惯导姿态解算出天线平台的姿态变化， 驱动天线克服姿态变化。 此方 案中陀螺的动静态性能 和误差补偿方式将是影响精度的主要原因， 可用于中等精度要 求的场合。 全自 主捷联惯导方案: 此方案使用高精度陀螺组合 ( 动力调谐陀螺、 激光陀螺或光纤陀螺) 和加速度计 作为姿态敏感元件， 使用计算机的数学解析平台完全代替机械稳定平台， 通过姿态解 算软件得出 载体姿态、 方位信息， 不需要g p s 信号的辅助， 进行完全自 主的惯性导航。 除方案一可利用姿态和航向传感器直接提供载体姿态信息外， 方案二和方案三都 需要根据惯性传感器组合提供的 信号经过姿态解算之后提供载体的数学姿态平台， 传 感器的性能、 价格和姿态解算软件的精度将对稳定的精度产生重大影响。 且造价较高， 技术实现难度大。 7 2系统总体设计硕士论文 ( 2 )“ 自 身稳定” 自身稳定的方式之一是利用安装在天线座上的惯性敏感元件， 敏感由于载体运 动造成的天线在其方位、横滚和俯仰方向的偏移，通过伺服系统的反馈控制，形成 稳定回路， 达到稳定天线波束的目的。该方案可选用单轴角速度传感器敏感天线的 姿态变化，造价较低，技术实现难度相对较小. 2. i j本系统称定平合 方案 通过比较上述稳定平台方案，并综合考虑系统性价比和技术难易度，本系统决定 采用 “ 外部引导”和 “ 自 身稳定”相结合的方案。 该方案思想为: 通过上位机得到地理信息和目 标卫星信息， 使用数字罗盘敏感载 体的初始姿态， 提供初始对准信号; 三个相互垂直安装的陀螺作为电 机伺服控制的反 馈元件， 敏感载体运动过程中天线平台在方位、 横滚和俯仰的变化， 通过一定的控制 方式进行补偿来保证载体运动过程中平台的稳定。 这种稳定方案的最大优点是即使跟 踪天线受到遮挡，天线仍能指向目 标卫星，一旦遮挡消除，卫星通信能够即时恢复。 z j德定平台 机械结构 2 么1 移动卫星天线的三轴结构 天线机械结构平台的主要作用是实现天线的支撑和定向，天线机械结构的正确 选择能够对整个稳定跟踪方案起到重要的作用。天线座的结构是多种多样的，按转 轴的数目 可分为单轴、两轴、三轴、四轴和固定不动的。 单轴天线座主要用于搜索、引导雷达; 两轴天线座主要用于波束窄的圆抛物面天 线 ( 如跟踪雷达、 卫星通讯地面站和射电 望远镜) ， 这些天线必须要有两轴才能覆盖 整个空域) 。 地面天线一般都是单轴和两轴的。 二轴座架的优点是结构简单、 控制量 少， 但是对于现有的二轴天线， 它有一个致命缺陷， 就是载体的倾斜会引起俯仰跟踪 轴的倾斜， 使俯仰轴不再平行于水平面， 引起天线波束绕自 身轴线发生扭转滚动， 所 以两轴稳定跟踪仅能实现天线波束轴线的指向稳定， 不能实现波束稳定， 它将发生波 束滚动。这种滚动对高精度的天线跟踪是不利的。 为了 消除 载体 倾 斜引 起的 波束 倾斜1301， 需 采 用了 三轴天 线 座结 构。 三轴 稳定 天 线 座有多 种结构形式， 一种是 在方位和俯仰 轴上再 加上一 根交叉轴， 这三轴 互相正交， 当载体纵、 横摇时， 方位和俯仰轴使波束中 心对准目 标，同时转动交叉轴， 就能消除 波束的倾斜， 但是研究其对准波束中心的实质， 其跟踪方式和二轴天线的实质是一样 的， 只不过在对准卫星目 标以 后， 靠横滚交叉轴来达到波束稳定。 此时方位轴仍要求 有很大的角速度， 并不能减少角速度滞后所引起的盲区， 所以 这种天线结构仍有不足。 8 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现 还有一种三轴天线座结构形式:将交叉轴配置在方位轴和俯仰轴之间，交叉轴 与俯仰轴和方位轴在空间相互正交、 让交叉轴补偿由 于运动过程中载体倾斜而引起 俯仰跟踪轴的倾斜变化， 使得俯仰轴始终保持与水平面平行。 这样， 瞄准视场就不 再绕自 身中心滚动， 天线波束指向也不受载体扰动的千扰， 也就是不会有波束滚动。 而且， 克服载体晃动所需的角速度和角加速度就不再与俯仰角有关系。 本论文采用 这种形式的天线， 从而实现两轴跟踪方位轴、 俯仰轴， 三轴稳定 方位轴、 俯仰轴、 横滚轴， 四自 由 度 方 位轴、 俯 仰轴、 横滚轴、 支架块 【 14 . 并结合所选 定的稳定平台方案， 在天线上合理安装各类传感器和执行器件， 天线结构如图2. 2 . 1 所示。 电传2 支架块 夭线后视结构圈夭线侧视结构圈 图2. 2. 1 天线结构图 z j j陀绷的 安装 三个角速度压电陀螺的安装位置也是相当重要的，安装巧妙， 就可以实现天线 三轴的解藕， 简化计算、 控制过程。 为了实现解祸控制， 三个陀螺测得的外界扰动 必须也是解料的， 这要求在安装陀螺的时候必须保证三个陀螺的轴线是两两垂直 的。 天线结构保证了 天线的方位、 俯仰、 横滚三个转动轴两两相互垂直。 横滚陀螺 安装在天线底座上， 其角速度感应轴线平行于天线的横滚转动轴; 俯仰陀螺安装在 天线横梁上， 其角速度感应轴线平行于天线的 俯仰转动轴; 在原来的系统中，方位 陀螺安装在支架块上， 它侧得的外界扰动易受横滚扰动的千扰，因此在本系统中方 位陀螺安装在了天线方位转动架上， 其角速度感应轴线平行于天线的 方位转动轴; 2系统总体设计 硕士论文 支架块安装在天线横梁上，可以绕天线俯仰轴自由 转动，上面安装有水平仪、磁通 门、光电传感器，水平仪的水平轴、交叉水平轴线分别平行于天线的俯仰轴和横滚 轴。 系统结构设计保证天线三轴最大程度的解祸， 达到简化控制的目 的， 能够保证: ( 1)天线绕横滚轴转动，对其他两轴没有影响， 对方位陀螺、 俯仰陀螺和横滚陀 螺都不会产生角速度输出。 (2 ) 天线绕俯仰轴转动， 对其他两轴没有影响， 对方位陀螺、 俯仰陀螺和横滚陀 螺都不产生角速度输出。 ( 3)天线绕方位轴转动对方位陀螺产生角速度输出， 对横滚陀螺不产生角速度输 出，当甲板平面平行于水平面时， 对俯仰陀螺也不产生角速度输出，当甲 板平面与 水平面有一定夹角时，对俯仰陀螺产生角速度输出。 z j 自 动寻星方案 2 入1寻星方案类型 搜索卫星有三种方式: 手动寻星、 程序跟踪和自 动跟踪问。 手动寻星是操作人员根据接收到的卫星信号的强弱或卫星信标电平值的大小判 断天线偏离卫星的程度，然后用手操纵跟踪系统，利用驱动控制系统驱动天线，调 整天线的方位和俯仰角， 直到操作人员认为天线达到最佳接收状态为止。这种跟踪 方式适合于固定的地球卫星接收站，对操作人员的经验要求很高，但不适用于移动 卫星通信系统。 程序跟踪是根据载体所在地理经纬度，结合载体上的惯性导航系统测出载体的 姿态参数 ( 包括载体相对正北方向的航向角、载体相对水平面的横滚角和载体相对 水平面的俯仰角)，同时根据目 标卫星的经度进行导航解算， 完成卫星对天线地理 坐标系到天线载体坐标系的转换， 计算出天线对准卫星的所需的 载体方位角、 俯仰 角，然后引导天线驱动电 机实现对卫星进行搜索，程序跟踪速度较快，系统实现简 单， 容易实现对卫星的 快速初始捕获。由于采用了惯性导航系统， 这种寻星方式可 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，但程 序跟踪方式受天线座架精度、 gps 和惯性导航系统提供数据的 精度以 及天线安装后 的标校精度等因素的影响， 跟踪精度较低。 程序跟踪是一种开环控制方式，系统的 性能 主 要 取 决 于 惯性 元 件 的 性能 1均 。 自 动跟踪是根据收到的信标信号来驱动跟踪系统使天线自 动对准卫星。由于卫 星位置受影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，故目 前大、中型地球站都采用 自 动跟踪方式、自 动跟 踪又分机械 跟踪和电 子跟踪两 种4 ， 如图2. 3. 1 所示。 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现 方 位 保 。 王 自动跟踪 戏电 ， 衬 陀组仪，一机械陀级仪、徽光陀组仪 平艳飞轮 盛方位传感器 顺序天线扫每一一步 进跟踪、 锥形扫描 同时天线扫掠一一报幅单脉冲、 相位单脉冲 。 王 自 定相阵列天线 相控阵天线 图2. 3. 1 自 动跟踪类型 电子跟踪方法控制阵天线各单元的激励相位，使其在卫星方向是同相的。电子 跟踪可以高速工作， 但不适合于宽扫描应用; 它适合有限扫描或补偿需要快速响应 的载体振动。 机械跟踪系统利用通过其他手段检测到的入射波方向， 机械地驱动天 线， 将波束指向卫星。尽管机械系统不能快速地跟踪目 标， 但它能够很容易地进行 全方位跟踪。 按跟踪原理，机械跟踪可以分为三种体制:圆锥扫描跟踪、单脉冲跟 踪 和 步 进 跟 踪 14 1111，、 11o . ( 1)圆锥扫描跟踪: 馈源喇叭绕对称轴作圆周运动或副反射面倾斜旋转， 可以 使天线波束围绕旋转 轴以一定的频率呈圆锥状旋转。当卫星偏离旋转轴方向时，接收信号是被波束旋转 频率调制了的信号，调制的幅度和相位分别取决于卫星偏离旋转轴的大小和方向。 跟踪接收机检测出该调制信号并用波束旋转时产生的正交基准信号对检出的调制 信号进行方位、俯仰相敏解调， 解调出的直流误差信号控制天线向误差减小的 方向 转动， 直到检测出的调制信号为最小。圆 锥扫描跟踪实现简单， 造价低，但跟踪精 度和速度低，由于馈源永远偏离天线抛物面的焦点而使天线的增益下降。 (2 ) 单脉冲跟踪: 在一个脉冲的间隔时间内 就能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 冲体制的 跟踪速度和跟踪精度比 步 进体制和圆 锥扫描体制要高出 几个数量级， 但它 的设备复杂， 要求天线馈源具有跟踪模祸合器， 器件设计复杂， 造价高，天线一直 处于运动状态，增加机械和电 机的磨损，天线效率不高。 ( 3)步进跟踪: 按一定的时间间隔，使天线在方位 ( 俯仰)面内以一个微小的角度作阶跃状转 动， 通过计算机在适当的 积分时间内 对接收电 平的增减进行判别， 如果接收电 平是 增加了， 则天线沿原方向 继续转动一个微小的角度; 如果接收电 平减小， 则向 相反 的方向转动，俯仰和方位依次重复交替进行， 这样就能使天线波束逐渐对准卫星。 这种体制的缺点是天线波束不能停留在对准星体的方向上， 而是在该方向的周围不 2系统总休设计硕士论文 断的摆动，因而跟踪精度不高。但设备简单， 价格低廉，并能很方便的与计算机结 合。因而在卫星的位置精度的提高和微型计算机飞速发展的今天， 越来越多的普通 站倾向于使用步进跟踪 2 3 2本系统寻星方案 本系统采用程序跟踪和步进跟踪相结合的方式。 首先根据预设的卫星轨道信息、 地理位置信息和传感器测得的载体姿态信息来驱动系统进入主信号区， 然后采用双 向搜索等调整步式步进跟踪进行精确搜索。 双向搜索等调整步式步进跟踪指搜索步 和调整步两者分开。一般要求搜索步距大，这样驱动电机前后的信号电平差值大， 容易判定出天线波束与卫星间的位置关系; 而调整步距要求小些为好，以 避免天线 波束一下子越过卫星，这样可提高系统的跟踪精度，具体见第四章。 当载体的姿态变化过大而使卫星信号落入天线主波束范围以外时，自 动跟踪方 式将不起作用，此时需要利用陀螺和数字罗盘提供的信息调整天线，使天线重新落 入天线主波束范围之内。 2. 4系统总体设计方案 移动卫星天线稳定跟踪系统是一套能实现自 动对星、稳定跟踪的卫星通信系 统，能够工作在各种环境的路面、 海面上，克服载体摇摆颠簸带来的扰动以 及长途 旅行带来的线位移影响，实现运动中的不间断卫星通信。 系统由各种传感器组合、驱动元件、天线机械结构、控制器和监控计算机组成。 其系统的总体框图如图 2 .4.1 所示。 烦源 采集 数据 进行 姿态 解算 光 电 传感器 _ l nbhmr3 月 洲 】 极化角电 位器 功分器n只 ， 1 2 门 检波器 监 控 计算机 r s 月 2 2 图2. 4. 1 系统总体框图 从图中可以看出，由陀螺传感器、稳定控制处理器、电机驱动构成了一个天线稳 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线德定跟踪系统的设计及工程实现 定系统闭环， 稳定系统只保证了天线系统三轴的实时自身稳定; 而馈源a g c电平信号、 h m 丑 3 0( x) 、处理器和电 机驱动构成了 整个移动卫星天线系统的大闭环，此大闭环建 立了数字捷联平台， 实现了天线初始平台的校正、 天线的自 动寻星以及三轴系统的实 时校正;同时与远程计算机通过r s 4 2 2 通讯接口 进行数据交换。 通过远程计算机进行 实时监控， 用户可以 及时了解系统当前的工作状态井发出相关指令。 整个天线系统的 工作过程为启动电源， 系统初始化， 建立数字捷联稳定平台，自 动寻星， 最后进入实 时稳定，具体流程如图 2. 4. 2 所示。 限理 器 自 身 初 始 妇 外围模块初始化 天线平台初始化 目标卫星扫描跟踪 三轴实时稳定控制 远程监控计算机 图2 4.2系统工作流程 移动卫星天线稳定跟踪系统采用0. 6 米口 径的实体抛物面天线反射面，采用三 轴稳定，两轴伺服指向的系统结构。主要技术指标如下: 表2. 4. 1 移动卫星天线稳定跟踪系统技术指标 三轴稳定方位、俯仰、 横滚三轴稳定，精度劲石度 两轴指向方位，俯仰两轴波束指向， 精度却. 6 度 载体运动横摇:25度 (8秒周期) 纵摇:1 ， 度 (5秒周期) 航向:12度 ( 阮秒周期) 天线运动范围横滚角: 幻0 度 俯仰角:25度 70度 方 位角:一2 砧度 + 2 6 5 度 2 占本章小结 本章围 绕天线稳定 跟踪系统的总体设计， 详细介绍了 天线的 三轴结构、 系统稳定 的方案以及天线跟踪的方法及技术，并提出了本系统的总体方案和主要技术指标。 3系统硬件 设计硕士论文 3 .系统硬件设计 3.1传感器件 本系统用到的传感器主要有陀螺仪、数字罗盘、光电 传感器及位置电 位器。为 了保证系统稳定的快速性和稳定精度， 选用了空间角速度传感器与空间绝对位置传 感器相结合的传感方式。依靠角速度陀螺的快速响应实时补偿扰动，利用水平仪和 磁通门作为稳定基准克服系统偏差。本节将详细介绍这些传感器的原理、性能以及 在本系统中的使用安装等。 3. l i陀级 陀螺仪又称偏差接收器。 它是惯性元件之一， 陀螺仪敏感导航基准坐标系相对 惯性坐标系的角偏差，并将这个信号提供给惯性系统。可应用于卫星、导弹、舰船 惯性导、 制导和姿态测量等系统。 陀螺是空间惯性技术发展中的 重要角色，人们采 用不同的技术途径来提高陀螺仪的性能。 一种途径是在刚体转子的基础上，不断完 善和革新它的支撑结构以获得低漂移率，相继出现了液浮、气浮、动力调谐和静电 陀螺仪， 但随着惯性技术的发展这些陀螺将逐渐被新型陀螺所取代。另一种技术途 径是利用近代物理学的研究成果，寻找物体相对惯性空间旋转的多种物理效应。 傲 光、光纤、核磁共振陀螺就是其中的典型代表，并且在航天、 航空领域得到了广泛 的应用。 本系 统选 用 美国a b eielec tr o ul c s 公司的b eig ” ochi p hor iz on 系列的 微 机 械角速度压电陀 螺. b eio ” 汇h iph o ri zon 基于压电 陀 螺原 理制造， 是一种结构紧 凑、可靠性高的固体角速度惯性传感器。它采用单片振荡石英作为旋转测量元件， 提供0 一 v的模拟信号输出 和一个+2.5 v的参考电 压， 具有低功耗、 快速启动、 低漂 移的特点。它应用旋转向心力效应，依靠振荡石英的压电变形原理感应空间旋转角 速度。当陀螺绕着其自 身输入轴旋转时， 压电石英由于向 心力效应产生与旋转速度 成线性比例关系的形变，产生一定电压，从而测得陀螺空间旋转的角速度。这种应 用压电 材料的力学陀螺， 简化了有源元件， 提高了 温度稳定性。 三轴陀螺的安装位 置如图2. 2. 1 ，其主要技术参数如下: 表3. 1.1 陀螺主要技术参数 标准范围: 土卯伪启动时间:1s hz 重力敏感度: 0. 伪01 5/9偏移标准温度斜线刻度: 0，则表示原来的天线 位置应该向 后退一 个调 整步;若 口 切， 则表示原来的天线位置应该向 前进一个调整步。方位轴调整后，p 取反， 启动天线的 俯仰轴进行类似方位轴的双向 搜索。 此次 方位、 俯仰轴交替搜索 完成后，天线在新位置上又将开始进行新的一轮双向 搜索。只有当 采集到的 a g c 信号值大于设定的门限值时， 步进跟踪任务才得以 完成， 最终系统完成天线波束对 准卫星。工作流程见图4 2 . 1 。 4系统稳定与跟踪算法硕士论文 图4. 2. 1 步进跟踪流程图 4 3稚定算法 4 3 .1横滚系统控制策略 横滚系统稳定的目 的: 保证天线横梁即天线俯仰轴平行于水平面。 横滚系统的 稳定是三轴稳定的基础，保证了俯仰陀螺轴线与水平面的平行。 横滚系统的传感信号由安装在天线转动架上的横滚陀螺输出的角速度和水平 仪输出的横滚倾斜角组成，横滚电机转动轴平行于天线底座。 横滚系统稳定控制框 图如图4. 3 . 1 所示。 南京理工大学硕士论文 移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现 图4. 3. 1横滚系统控制框图 根据天线三轴稳定补偿条件，为了保证天线俯仰轴平行于水平面，由 于横滚陀 螺轴线与横滚转动轴同轴， 因此横滚系统补偿角速度折算到横滚系统转动轴上的补 偿量就是横 滚陀螺检测 到的 角速度头。 横滚系统的稳定控制策略分析:系统结构设计保证了俯仰、方位陀螺输出不受 横滚驱动电 机的影响， 所以横滚系统可以采用前馈补偿控制实现姿态稳定。 具体控制策略: 根据横滚陀螺测得的运动角速度， 解算出横滚稳定的角位置补 偿量， 驱动横滚电机作前馈补偿， 同时根据水平仪输出的横滚倾斜角进行闭环修正。 每 个控 制周 期几 ( s ms) 绕 横滚 转动 轴的 角 位置补 偿量为:乓= - 刀 * 几。 步进电机数字式的驱动特性，简化了由驱动器和步进电机组成的系统前向通 道，从而简化了前馈补偿。前馈补偿量可以直接转化为步进电机步数 忆抽 如= 0 .9 度为 步 进电 机的 步 距 角， 1 = 10为 减 速比 ):气= 乓 il de如。 以陀螺作为惯性空间角速度传感器的开环控制，对扰动补偿及时， 保证了横滚 系统稳定的快速性，水平仪的闭环修正弥补了开环控制所带来的系统偏差，两者相 辅相成，完成了横滚系统高精度快速稳定。天线横滚系统的姿态稳定保证了俯仰轴 和俯仰陀螺轴线平行于水平面，为俯仰系统稳定建立了基础。 4 3 )铭仰系统控制策略 俯仰系统稳定的目的:保证天线的俯仰指向不变。 俯仰系统的传感信号由安装在俯仰轴上的俯仰陀螺角速度输出和水平仪的俯 仰倾斜角 输出 组成， 俯 仰电 机转动轴与俯仰系 统补偿轴ox。 相同. 俯仰系统的稳定控制框图如图4. 3. 2所示，俯仰陀螺轴线与俯仰转动轴同轴， 因此俯仰系统补偿角速度折算到俯仰系统转动轴上的补偿量就是俯仰陀螺检测到 的角 速度头。同 样由 系统结构设计保证， 俯仰陀螺输出 不受俯仰驱动电 机的影响， 所以它的控制策略同横滚系统， 采用前馈补偿控制:根据俯仰陀螺测得的 扰动角速 度，计算出俯仰角位置补偿量，驱动俯仰电机做前馈补偿，同时根据水平仪输出的 俯仰倾斜角进行闭环修正. 4系统稳定与跟踪算法 硕士论文 每个控 制周期几( 仰步进电机的步进数: 图4. 1 2俯仰系统控制框图 s ms) 内 俯 仰角 位置 前 馈 补 偿量为 : 几= 一 叽* 几， 转 化为 俯 凡 = 几* il d e a a 。 4 3 3方位系统控制策略 方位系统稳定目 的: 保证天线的空间方位指向不变。 方位系统的 传感信号来自 天线底座上的方位陀螺，其轴线与方位电机转动轴平行。由于结构上的合理安置， 横滚、 俯仰电机的转动不产生横滚、俯仰陀螺的角速度输出，即横滚和俯仰陀螺只 检测扰动角速度而不检测横滚、 俯仰步进电机的转动， 所以系统抑止扰动可以采用 前馈补偿控制策略。然而，方位陀螺既能感知载体方位扰动角速度，又能感知方位 系统的自 身转动角速度，因此应用于横滚、俯仰系统的前馈补偿控制策略不适用方 位系统。方位系统的稳定，应该采取以方位陀螺输出为反馈的