（机械设计及理论专业论文）船载卫星天线自动跟踪系统测控技术研究.pdf

中南林学院研究生学位论文摘妥ll 当前，移动载体卫星通讯正日益受到人们的重视。民用上，随着卫星电视，卫星上网以及视频电话等民用系统的发展，对载体移动通讯的需求越来越大；军事上，对装备的快速反应年机动能力以及机动间稳瞄、跟踪和打击能力的高要求，也有赖于移动载体卫星通讯。移动载体卫星通讯系统的关键设备是卫星天线自动跟踪系统。目前发达国家已有类似产品出现，但价格昂贵。而我国目前尚无实用的用于移动式卫星通讯天线自动跟踪系统的产品。因此，研制性能价格比较为合理的卫星天线自动跟踪系统，填补这一领域的国内空白，具有重要意义了本文以船载天线稳定跟踪系统的研制为背景，主要研究了基于数字罗盘和g p s 等姿态敏感器组合的天线稳定平台的姿态测控技术，从硬件和软件两个方面对整个系统的设计和研究进行了较为详细的描述。课题研究的主要内容包括：一硬件的设计和选型硬件是构成整个系统的物质基础，合理地设计各种硬件元件，使之协调有效地工作，是保证整个系统成败的关键之一。二数字罗盘的原理、工作性能和标定方法进行了研究，分析了影响其精度的因素，针对其使用的特殊要求，提出了其在天线稳定系统中的使用方法和减小误差的方案。三对捷联式惯导系统的数学稳定平台和姿态解算算法进行了研究，在此基础上，针对船体运动的特点，采用l a b w i n d o w s c v l 和v i s u a lo h 融合开发平台，实现了一种使用数字罗盘的天线稳定方案。关键词：卫星通讯，稳定平台，数字罗盘，自动跟踪，姿态解算，模块化程序设计jt。2中南林学院研究生学位论文文献综述移动载体卫星通讯是卫星通讯的发展方向，它不但是曰益发展的比用卫星通讯所追求的目标，也是未来军事斗争中的主要通讯手段。卫星天线臼动跟踪系统主要_ i ! j 于中、船载移动卫星通讯中的天线跟踪定向，以保证天线能自动地对准指定的同步卫星，并在干( 船) 辆的各种运动状态一f ( 高、低速、紧急启动、停止、转弯等) 以及在各种气象、环境条件下始终高精度的对准卫星，实现卫星天线的不间断发送和接收。我国目前尚无实用的用于移动式卫星通讯天线自动跟踪系统的产品。据初步了解，世界上只有美国和以色列有相关产品，如美国t r a c s t a r 系统公司的2 0 0 0 l 系列产品，但其价格非常昂贵”1 。本项目的目标是研制性能价格比较为合理的卫星天线自动跟踪系统。i 卫星通信简介卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信”1 。通信卫星按其结构可分为无源卫星和有源卫星按其运转轨道可分为运动卫星( 非同步卫星) 和静止卫星( 同步卫星) 。目前，在通信中应用最j “泛的是有源静止卫星，国际卫星通信和绝大多数国家的国内卫星通信大都采用静止卫星通信系统”。与其他通信手段相比，卫星通信的主要优点是：”1( 1 ) 通信距离远，且费用和通信距离无关：( 2 ) 工作频段宽。通信容量大，适用于多种业务传输；( 3 ) 通信线路稳定可靠，通信质量高；( 4 ) 以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，可以实现多址通信和信道的按需分配，因而通信灵活机动；( 5 ) 可以自发自收进行监测。在整个卫星通信系统中，需要设立跟踪遥测及指令系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正。同时，为了保证通信卫星的正常运行和工作，还要有监控管理系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制。因此，一个完整的卫星通信系统由空间分系统、地球站、跟踪遥测及指令系统和监控管理分系统四大部分构成”。通常卫星通信地球站是以天线口径尺寸来划分类型的。a 、b 、c 、三种称为标准站，用于国际通信：e 和f 又分成e l 、e 2 、e s 和f - 、r 、f s 等类型，主要用于国内各企业间的话音、传真、电子邮政、电视会议等通信业务。a 、b 、f 站工作于c 波段，c 、e 站工作于k 。波段。天线口径小于标准尺寸的地球站，称微型站。记作v s a t ”1 。v s t 的天线尺寸没有具体规定，在c 波段有1 3 米的旋转抛物面天线，也有用1 8 米1 2 米的椭嘲形反射面天线在k u 波段，天线直径有2 6 、2 4 、1 8 、1 2 米等系列的通信站，也有直径更小的1 ，0 9 、0 7 5 、0 6 5 米等系列的电视单收站，也有用平面型微带天线的”1 。抛物面天线的生产一定要有一整套模具，故价格昂贵，投资大”。当卫星通信更高频段发展后，就可用微带天线。这种天线体积小、重重轻、不仅家庭的楼顶可以安装，甚至大楼中南林学院研究生学位论文的墙壁也能安装，所以深受用户欢迎。特别是广播卫星的出现。大量单收站的建立，微带天线越来越受人们重视。微带天线是在介质基片的上、r 表面上各覆盖一层很薄的铜筘，卜面一层称接地板，上面一层印制成各种形状的铜箔，称为贴片，其形状可以是矩形、蚓形、椭圆形或各种多边形，还可在贴片的背面放一谐振腔，称它为背腔式。此外，天线形式还有裂缝辐射的裂缝阵和许多弯曲线组成的行波型天线阵，由于微带线具有导体损耗和介质损耗，所以传输效率不高，这就限制了大尺寸微带天线阵的应用，故只有当k 。和k 。波段发展后，微带天线才能被卫星通信所采用。日本、法国、美国都在开展微带天线的研究，且日本已经达到商品化“”“，它采用了行波型的弯曲线结构因此降低了馈损耗。微带天线的效率虽然不及抛物面天线，但因为其馈电单元与辐射单元组合在一起，因此具有薄、轻、结构简单、安装方便，价格便宜等优点，在广播卫星通信的接收系统中将会替代抛物面天线。2 导航与定位技术的发展导航( n a v i g a t i o n ) 就是指引一个运动物体( 人体载体) 从某个位置出发，安全且低费_ h j 地到达某个目标点。自古以来，人们一直利用天上的星星进行导航，特别是利用北极星来确定方向。这就是早期的天文导航方法 p h a r t l ，1 9 8 8 。”随着科学技术的发展，导航渐渐发展成为- f l 专门研究导航原理方法和导航技术装置的学科。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等航行体上，导航系统是必不可少的重要设备“”。随后便出现了各种类型的导航系统，例如无线电导航系统、卫星导航系统、惯性导航系统等。全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美雷国防部研制的第二代卫星导航系统o ”。全球定位系统( g p s ) 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验，具有全球性、全天候、高精度、三维定位等优点。利用其高精度( m m级) 载波相位观测量进行相对定位的精度可达0 5 p p m ，短基线上精度达到c m 级。而且，其用途广泛：导航、精密定位、铡速、授时等。全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接受机三大部分组成”。空间部分由2 1 + 3 颗( 备用3 颗) 卫星组成，分布在六个轨道面上。监控部分包括一个主控站、3 个注入站和5 个监控站用户接收机由天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。全球定位系统采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量。通过对四颗卫星同时进行距离测量，即可解算出接收机的位置。惯性导航系统( i n s ，i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 是利用惯性元件来感测飞机或其它载体的运动加速度，经过积分运算，从而求出导航参数以确定蛾体位置的”“。目前应用中的惯性导航系统主要分为两类：机械平台式与捷联式( g i m b a l l e da n ds t r a p d o w ns y s t e m s ) 。机械平台式系统中，惯性元件( 陀螺和加速度计) 被安装在一物理平台上，利用陀螺通过伺服电机驱动稳定平台，使其始终仿真一个空间童角坐标系( 导航坐标系) 而敏感轴始终位于该系统三轴方向上的三个加速度计，就可以测得兰个方向上的运动加速度值1 。第二类惯性导航系统，即捷联式惯性导航系统( s i n s - - s t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 中，没有实体平台，陀螺和加速度计直接安装在载体上，惯性元件的敏感轴安置在4中南林学院研究生学位论文所谓的载体坐标系三轴方向上”。运动过程中，陀螺测定载体相对于惯性参照系的运动角速度、并由此计算载体坐标系至导航( 计算) 坐标系的坐标变换矩阵。通过此矩阵，把加速度计测得的加速度信息变换至导航( 计算) 坐标系，然后进行导航计算，得到所需要的导航参数”“。捷联式惯导系统与平台式惯导系统的主要区别在于：前者不采用如平台式惯导系统那样由环架、台体和控制网路构成的实体平台，而采用由计算机实现的“数学平台”，通过姿态矩阵的计算将加速度计所处的载体坐标系变换到选定的导航坐标系，从而完成导航解算。另外，平台式惯导系统的姿态信息可以直接从环架角度传感器中获取，而捷联式惯导系统则只能根据姿态矩阵的元素进行反三角函数运算得到姿态信息。捷联式惯导系统的陀螺和加速度计是直接固联于载体上的，它们必须能够经受载体大的动态环境的考验。以陀螺为例，它的角速率测量范围一般可以从0 0 1 0 h 到4 0 0 0 s ，动态量程达1 0 “。在实现捷联式惯导系统时，对陀螺和计算机有较高的要求。首先，陀螺必须具有低漂移率的良好特性，且不受载体的大角速率的限制。其次，计算机及有关软件必须能产生由载体坐标系至某一导航坐标系的实时坐标变换，并能进行实时误差补偿和导航计算。在平台式惯导系统中，惯性平台及其读出系统的体积和重量均占整个系统的一半，而陀螺和加速度计只有平台系统重量的1 7 ，平台系统的制造成本约占整个系统费用的2 5 。”。由此可见，去掉了实体平台即可减小惯导系统体积、重量和降低制造成本。由于在捷联式系统中实体的惯性平台被计算机软件取代，使捷联式惯导系统还具有如下的特点：”m 1( 1 ) 因为取掉了实体平台，减少了机械零部件，加之捷联式惯导系统易于采用多个敏感元件，因此，捷联式惯导系统的可靠性比平台式高。( 2 ) 捷联式惯导系统的初始对准时间比较短，一般不超过l o m i n ；平台式惯导系统则需要2 0 m i n 左右。( 3 ) 与平台式惯导系统相比，捷联式惯导系统的维护比较简便，故障率较低，因而使用和维护费用较低。( 4 ) 由于动态环境恶劣，对惯性器件的要求比平台式惯导系统的高。此外，捷联式惯导系统也没有平台式惯导系统自动标定惯性嚣件的方便条件。因此。要求在两次装卸期间惯性器件有良好的参数稳定性。从目前的技术水平看，捷联式惯导系统的误差比平台式惯导系统要大一些，所以，在要求精度较高的场合很多还是采用平台式惯导系统。捷联惯导系统目前已广泛应用于飞机导航，例如“空中客车”和“波音7 5 7 ，7 6 7 ”等等。其精度约为l 2 n m h ，属于1 4 a i n s ( m e d i u ma c c u r a c yi n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，中等精度惯导系统) s s o2 0 世纪8 0 年代末。美嗣l i t t o n 公司已研制出了高精度( o 2 n m h )捷联惯导系统( h a i n s ，h i g ha c c u r a c yi n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 。6 0 年代初，美国联合飞机公司哈密尔顿标准中心研制的咖 捷联式系统，首先在“阿波罗”登月舱中得到了应用1 。就当前情况而言，l i t t o n 公司已研制出的新产品包括：r l g 捷联惯导系统l 1 忖一9 4 k( o 2 n m h ) 、l t n 1 0 0 ( z l g 激光陀螺) 及l t n 2 0 0 ( i f o g 光纤陀螺) ；h o n e y w e 1 公司的5中南林学院研究生学位论文新产品包括：重量仅为2 0 1 b s 的捷联惯导系统h 一7 6 4 ( 1 9 9 2 - - 1 9 9 3 ) 以及高精度的r l g 惯导系统h 一7 7 4 ( 该系统的精度接近静电陀螺平台式i n s ) ：惯性导航定位的优点是：5完全自主式，保密性强。既不发射信号，又不接受信号，不存在电磁波传播问题。无通视问题。全天候。机动灵活。多功能。但是，惯导系统存在着误著随时间迅速积累增长的问题，这是惯导系统的主要缺点。然而，研制高精度的惯性元件却要花费相当大的人力、物力和财力。不仅如此，还受到技术r艺水平等许多因素的限制。与惯导系统相比，g p s 定位的显著优点是其高精度和低成本。尤其是利用g p s 卫星信号的高精度载波相位观测量进行定位，在数千千米的距离上，其精度可达几个p p m ，误差不随时间而积累。但是，g p s 导航定位应用中却也存在诸多问题1 。( 1 ) 动态环境中可靠性差。g p s 定位是非自主式，其应用受到美国政府的g p s 政策利外界环境等多方面的限制。( 2 ) 数据输出频率低是g p s 动态应用的另一个主要问题。( 3 ) 不同于i n s ，g p s 是纯粹的几何定位方法，无法测量重力矢量，也不能直接测定航行姿态信息。综上可知：g p s 与i n s 各有所长，并且具有互补性。如果将i n s 与g p s 组合起来构成组合系统g p s i n s ，可以取各子系统之长：高精度g p s 信息，作为外部最测输入，在运动过程中频繁修正i n s ，以控制其误差随时间的积累：而短时间内高精度的i n s 定位结果，可以很好地解决g p s 动态环境中的信号失锁和周跳问题。不仅如此，i n s 还可以辅助g p s 接收机增强其抗干扰能力，提高捕获和跟踪卫星信号的能力”1 。3 移动载体卫星通讯稳定平台研究现状根据我们对囡际国内稳定一跟踪平台的研究现状和历史的深入研究，发现该领域虽然一直是许多机构关心的目标，但由于其涉及的技术领域众多，技术实现难度很大，其中姿态敏感元件又对整个系统的性能及成本起着决定性的作用，所以一宣没有成熟的理论和通用的产品出现。对卫星的跟踪有三种方式”：手动跟踪，程序跟踪和自动跟踪。手动跟踪是根据收到信号的大小用手操纵跟踪系统；程序跟踪是根据预测的卫星轨道信息和天线波束的指向信息来驱动跟踪系统的；自动跟踪是地球站收到卫星所发射的信标信号的驱动跟踪系统使天线自动她对准卫星。按跟踪原理，自动跟踪可分三种体制：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪”。步进跟踪的原理和设备都很简单，即按一定的时间间隔，使天线在方位面( 或俯仰面) 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角度；如果接收电平减小则天线向反方向转动。俯仰方向和方位方向依次重覆交替进行，这样就能使天线波束逐步对准卫星。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断地摆动，因而跟踪精度不高。但由于它设备简单，价格低廉，并能很方便地与计算机连用。在甲星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b 型站和小型r 站倾向丁使6中南林学院研究生学位论文用步进跟踪制。圆锥扫描跟踪制是把馈源喇叭绕天线对称轴作圆周运动，或把副面倾斜旋转，这样天线波束呈圆锥状旋转。当天线轴对准卫星时，地球站接收到的信标电平是一恒定值：当天线轴偏离卫星时，信标电平将受到一个频率极低的信号对其进行幅度调制。调制频率与波束的旋转频率相同，调制深度与波束偏离卫星的距离有关，偏离大，调制深度大；偏离小，调制深度浅；不偏离，调制深度等于零。调制的相位与波束偏离的方向有关，所以由调制信号的幅度和相位就能检测出天线波束的指向误差。这种体制的优点也是设备简单，缺点是馈源永远偏离抛物面的焦点，使天线增益下降，故地球站较少采_ l ； j 。单脉冲跟踪制是一种先进的跟踪体制，顾名思义，就是在一个脉冲的间隔时间内就能确定天线波束偏离卫星的方向，并能驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。这种天线有四个饿源，按四个象限排列，每个馈源产生一个波束。这四个波束之和相减，得到“俯仰差”波束；左边两个波束之和与右边两个波束之和相减，得到“方位差”波束，因此单脉冲天线有一个“和波束”，两个“差波束”。当天线波束对准卫星时，天线只能收到“和波束”的信号，两个“差波束”信号输出为零；当天线波束偏离卫星时，除接收到“和信号”外，还接收到“方位差”和“俯仰差”两个误差信号，把误差信号放大后驱动电机，直至天线波束对准卫星，误差信号才消失。通常“和信号”还被用来作基准信号，用它来鉴别误差信号的相位，以决定驱动电机的转向。例如俯仰误差信号的相位超前“和信号”相位，天线向上转动：反之，俯仰误差信号相位滞后“和信号”，则天线向下转动。方位方向的跟踪原理也一样，所以单脉冲体制的跟踪速度和跟踪精度都要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，成本也高。7 0 年代大部分a 型站都采用单脉冲跟踪体制1 。传统的惯性导航系统使用具有常平架的稳定平台，上装陀螺仪和加速度计，要求一般集中在长期位置和速度精度；而稳定跟踪平台系统的要求则集中于姿态性能，对长期和短期误差均很注意。平台式惯性导航系统虽然己达至时艮高的水平，但其造价高、维修费 | j 昂贵，可靠性也相对较差：捷联式惯导系统用“数学解析平台”代替稳定的“常早架”平台，便于安装、维修和更换，但由于惯性传感器直接承受舰船的振动、冲击和温度波动等恶劣的环境条件，输出会产生严重的动态误差，而且对传统的挠性陀蠕来说，使用寿龠的降低也是不可忽视的因素“”。进入9 0 年代以来，微机电惯性传感嚣开始应用予蹒准和稳定领域，它的研制成功把旋转的或非旋转的惯性敏感器从宏观概念向微观世界推进了一大步。微惯性传感器集微机械、微电子、半导体集成电路设计等新技术于一身，它的出现使惯性技术产生一次新的飞跃。在单晶硅、石英晶体、铌酸锂等电光材料上应用光刻、腐蚀、沉积、离子注入、键合等微机械加工技术成批生产的微机电惯性传感器具有成本低、体积小、质量轻、功耗小、可靠性高、易于实现数字化和智能化等优点。在军民两方面有着广泛的应用前景。在美、英等国的先进武器系统中，使用微惯性传感嚣的稳定与跟踪平台得到了广泛的应用，如美国的m 1 坦克，英国“挑战者”坦克，法田“勒克莱尔”坦克，德国“豹i i ”坦克，俄罗斯t 一8 2 坦克，英国“标枪”导弹海上发射平台和“海枭”船用红外跟踪稳定平台等都采用了不同类型的稳定与跟踪平台“”。美国海军的采用b e i 电子公司生产的q r s - i o型石英音叉陀螺，研制出w s c _ 6 型卫星通讯系统的舰载天线稳定系统，工作1 2 0 万小时尚未出现故障；h o n e y w e l l 公司以红外传感器平台稳定为应用背景，研制了以g g l 3 2 0 环形激光7中南林学院研究生学位论文陀螺为基础的惯性姿态装置，由惯性传感器组件、惯性传感器电子系统、处理机、处理机接口组成，很好的满足了稳瞄一跟踪系统的要求。美军配装的h o n e y w e l l 公司研制的白行榴弹炮组什式方位位置系统( m a p s 6 0 0 0 ) ，由h - 7 2 6 动态基准装置、控制一显示装置、下辆运动传感器绸成，是一种采用激光陀螺技术的捷联式惯性系统，在 ：作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、经度和纬度输出，性能大大高于美军m a p s 系统规范的要求。“。在移动载体卫星通讯方酝，据初步了解迄今为止，世界上只有美国和以色列有相关产品。如美国t r a c s t a r系统公司的2 0 0 0 l 产品，该产品具有方位角为3 6 0 。、俯仰角为2 0 。7 0 。的跟踪范围，能够在时速1 2 0 公里的车上，以0 2 。的跟踪精度精确跟踪卫星。它们主要用于移动式卫星通讯和卫星电视接收，但其价格昂贵，每套价格图1车载卫星通讯系统在j l 十万元人民币以上。我国与国外存在较大差距，目前尚无实用的用于移动式卫星通讯天线自动跟踪系统的产品，虽有不少单位进行了该应用领域的研究，但由于姿态敏感元件的技术不过关，成本较高，致使该项技术的研究始终没有取得突破性的进展，没有形成实用性好的产品。在这些单位中，航天北控集团和重庆巴山仪器厂已经研制出一些功能样机，具备了初步的功能，但成本仍然偏高。图2 船载气象卫星云图接收系统据报道，我国南极考察船“雪龙”号“船载气象卫星云图接收系统”采用了由航天北控集团公司研制的船用卫星天线稳定跟踪平台。该平台利用g p s 实时确定接收系统的地理位置。利用罗经敏感航向变化、利_ i j 惯性测量元件敏感船摇、通过计算机控制接收天线的指向，保证气象云图接收系统始终处于最佳接收状态由重庆巴山仪器厂研制的移动卫星通讯系统，采用了计算机网络系统和巴山厂研制的卫星自跟踪系统，初步实现了在运动中卫星天线实时跟踪同步地球卫星，实现了载体在移动中宽带连续不间断通讯。但该产品造价昂贵，且还未正式规模化生产。随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，移动袭体卫星通讯将会发挥越来越重要的作用，卫星通讯自动跟踪系统技术将会得到迅速发展并具有巨大的市场前景。同时，随着我国国防力量的不断强大和军队武器装备水平的不断发展，对装备的快速反应和机动能力以及机动间稳瞄、跟踪和打爿彳能力提出了更高的要求，冈而对稳定跟踪平台的需求更为迫切；我们必须尽快掌握这一高新技术，以使我们在这一领域的世界竞争中居于不败之地。4 控制技术8中南林学院研究生学位论文在连续控制系统中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控制的p i d 控制( 域称p i d 调节) 是虽为常用的一种控制规律。它具有原理简单、易于实现，符棒性( r o b u s t n e s s )强和适用范围广等特点“”。p i d 控制器的参数比例系数k r 、积分时间常数t - 以及微分时间常数t 。相互独立，参数整定比较方便”“。此外，p i d 算法比较简单，计算j l ：作鼙比较小，容易实现多回路控制”“。因此，即使是现在日益占主流的计算机控制系统中，p i d 控制仍然是麻用十分广泛的一种控制规律”“。进行p i d 控制器的设计，首先应该明确各参数对系统的影响：增大比例系数k ，将提高系统的响应速度，在有静差系统中有利于减小静差( 加大只能是减少静差，却不能从根本上消除静差) 。但过大的i ( p 会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增加，使调节时间加长，使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。若i ( p 选得太小，又会使系统的动作变得迟缓”1 。积分控制通常与比例控制或微分控制联合使用，构成p i 控制或p i d 控制。增大积分时间常数t t ( 积分减弱) 有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。t ，太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。和积分控制一样，微分控制一般和比例控制或积分控制联合使用，构成p d 控制或p i d控制。微分控制可以改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间允许加火比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。但t d 没有比较满意的过渡过程，此外，微分控制可提高系统对扰动响应的敏感性嗽“。一般情况下，用计算机实现p i d 控制规律不能把p i d 控制规律简单地离散，否则将不能得到比模拟调节器优越的控制质量。这是因为，与模拟控制器相比，计算机作控制器存在如下不足的地方”“：( 1 ) 模拟控制器的控制作用是连续的，而用计算机作控制器，在输出零阶保持器的作用下，控制量在一个采样周期内是不变的。( 2 ) 由于计算机进行数值计算和输入输出等工作需要一定时间，造成控制作用在时间上存在延迟。( 3 ) 计算机的有限字长和a d 、d a 转换精度将造成控制作用的误差。因此。应充分利用计算机的运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等特点，采用一些模拟控制器难以实现的复杂控制规律，使p i d 控制更加合理和灵活多样，更能满足实际生产过程的不同需要，才能在控制性能上超过模拟控制器将各种数字p i d 控制算法用于实际系统时，必须确定算法中各参数的具体值，如比例增益l ( p 、积分时间常数t ，、微分时间常数t d 和采样周期t ，以使系统全面满足各项控制指标，这一过程叫做数字控制器的参数整定。数字控制就其本质来讲是一种采样控制系统。由于连续生产过程的控制回路一般都有较大的时间常数在多敛情况下，采样周期与系统的时间常数相比要小得多。所以。数字控制器的参数选择可以利用模拟调节嚣的各种蛭定方法“”。p i d 控制器的设计，可以用理论方法，也可以通过实验的方法。在对象的数学模型及其参数已知的情况下，可以用频率法或根轨迹法计算出p i d 参数。但由于多数情况下，无法精确地知道对象的数学模型及其参数，所以理论方法在工作上的应用有较大的局限性。因此，工程上常用实验的方法或者试凑的方法来确定p i d 的参数”1 。9中南林学院研究生学位论史1 绪论1 1课题背景正文本课题来源于国防科技大学机电工程及自动化学院与湖南航天卫星通信应用科技有限公司合作开发的“移动载体卫星通讯、电视接收系统”中的“载体姿态测控”子模块之一：“船载卫星天线自动跟踪系统测控技术研究”。负责通过各种传感器的信息融合和对相关算法的深入研究，即时感知载体的姿态、位置和速度信息，完成船体姿态、方位确定及其到平台方位、俯仰数据的变换，为后续的运动控制模块提供有关伺服控制的指令1 1 l 。移动载体卫星通讯是卫星通讯的发展方向。它不但是未来军事斗争中的主要通讯手段，也是日益发展的民用卫星通讯所追求的目标。与传统战争不同，现代战争是一种信息战，技术战，对移动间通讯和自动跟踪有很高的要求。比如，指挥司令部需要随时准确了解所属部队的位置，在部队行进间下达有关战斗命令，实现部队“动中通”；部趴在视野不广阔的作战地域内以及黑夜时能即时感知我军、友军以及敌军的位置，从而能快速机动，迅速地投入战斗，给敌人以致命的打击；而坦克、装甲战车以及火炮等地面作战平台不仅应具有高度的机动能力，还应具备运动间稳定瞄准、跟踪、射击能力和迅速转移。避免敌人进行攻击的能力。这些现代的作战样式要求地面作战平台具有稳定跟踪地面导航的能力。即能不断测量平台姿态和位置的变化，准确确定当前的位置，精确保持动态姿态基准。民用上，随着社会的发展和人民生活水平的提高，对移动载体卫星通讯系统装置的需求不断增加，比如在陆上或海上作长途旅行时为了收看卫星电视节目，需要安装车( 船) 载卫星天线自动跟踪系统；海上气象卫星云图接收船等也必须依赖卫星天线自动跟踪系统以有效地接受卫星信号；另外，在运钞车、消防车、野外作业车、地质和石油勘探车( 船) 等上面加载卫星天线自动跟踪系统以提高这些行业的工作效率和安全性等。这类移动卫星通讯系统的关键技术同样在于天线平台的稳定和跟踪能力，即能很好地隔离载体( 汽车、火车、轮船) 的运动( 高、低速、紧急启动、停止、转弯等) 对天线平台的姿态影响，并在各种气象、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讯。卫星天线自动跟踪系统技术是集计算机控制技术、数据采集及信号处理技术、惯性导航技术、传感器应用技术、精密机械设计技术、仿真技术、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，多个学科有机结台的产物，在这一领域，国内与国外相比有较大的差距。通过本类课题的研究，我们将能够较全面地掌握跟踪平台测控技术以及微机电传感器以及挠性陀螺惯性组合在移动载体姿态测量中应用的理论模型和实际方法，为未来研究开发满足不同军事和民用系统要求的稳定一跟踪平台并超赶国外较先进水平打下坚实的基础，无疑具有很人的军事应j l _ | j 价值和实践意义，另外，随着我国社会经济和现代卫星通讯技术的发展，卫星电视、卫星上网、视频电话等的出现，载体移动卫星通讯将具有更加广阔的应用前景和巨大的经济价值。1 2 论文研究的主要内容l o中南林学院研究生学位论文本文以船载卫星天线稳定跟踪系统为研究对象，从硬件和软件两个方面对整体系统进行研究。文章将整个系统划分为四大予系统：姿态敏感器组合系统、伺服控制系统、信号接收系统以及软件系统，分别进行了阐述。论文研究的主要内容为：一硬件的设计和选型。硬件是构成整个系统的物质基础，合理地设计各种硬件元件，使之协调有效地工作，是保证整个系统成败的关键之一。二对数字罗盘的原理、工作性能和标定方法进行研究，分析了影响其精度的冈素，针对其使用的特殊要求，提出了其在天线稳定系统中的使用方法和减小误差的方案。三对捷联式惯导系统的数学稳定平台和姿态解算算法进行研究，在此基础上，针对船体运动的特点，采用l a b w i n d o w s c v l 和v i s u a lc 抖融合开发平台，实现了一种使用数字罗盘的天线稳定方案。1 3 论文的组织论文共包含七部分。第一部分为文献综述。第二部分为绪论部分。第三部分为自动跟踪方案与系统结构。主要内容包括：自动跟踪方案，方案原理，系统整体结构和系统运行流程。第四部分为姿态敏感器组合。主要内容包括：o p s 定位基本原理，接收机选型，数字罗盘原理性能分析，数字罗盘的标定等。第五部分为伺服控制部分。主要内容包括：运动控制器的应用，步进跟踪方式等。第六部分为天线接收部分。主要内容包括：卫星天线选型。天线初始对准误差分析。第七部分为系统软件设计与实现。2 自动跟踪方案与系统结构2 7l自动跟踪方案船体在行进过程中，将随时有可能改变航向，发生摇滚，在这种情况下，如何保持船上天线始终对准选定的卫星，需要有一个良好的跟踪方案目前，天线稳定平台从工作原理上分为机械稳定和电气稳定两种，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，它属于传统的平台式惯导系统。电气稳定是在天线控制系统中采用各种稳定技术，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电气稳定方案有“自身稳定”和“外部引导”两种。“自身稳定”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，达到稳定天线波指向的目的。“外部引导”方案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，经过适当的坐标变化，变成天线坐标系的相应运动参数，通过伺服控制系统实现天线的稳定。中南林学院研究生学位论文2 1 1i m u g p s 组合方案i m u g p s 组合式，这是捷联惯导技术与全球定位系统相融合的导航方案f 3 2 】1 3 ”。通过g p s 接收机接收载体的方位信息，使用三个垂直安裟的速率陀螺组合经过捷联惯导姿态解算软件跟踪天线平台的姿态变化，使用其它姿态传感器进行初始对准，控制流程如图3所示。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。2 1 2 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，利用计算机的数学解析平台完全代替常平架稳定平台，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1 3 4 】。可见。方案一和方案= 均需要根据惯性传感器提供的信号经过姿态解算之后提供载体的初始对准完成记录天线初婚方位和帕仰f 】采 芊：j n u 输出坐标变换及姿杏解葬和俯仰化火吗?ly驱动天线转至新的位置用新的方位和俯仰知代替蜩的角度上i ：(竺! 竺!)图3i m u g p s 组合方案数学姿态平台，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。总的说来。“外部引导”方案的造价较高，而且技术实现难度较大。鉴于一般船体运动的特点，如与机动车相比机动性较小、运动相对缓慢、姿态( 方位、俯仰、横滚) 变化平缓、幅度小等，本系统拟采用第三种稳定方案：数字罗盘g p s 组合控制方案就是利用现有的姿态和航向传感器直接提供载体姿态信息，其基本思想是：通过接收g p s 信号测得载体的方位信息，通过数字罗盘直接敏感载体的航向角、倔仰角和横滚角等姿态信息通过计算机的坐标变换和姿态解算得出天线平台的即时俯仰和方位角，通过天线伺服系统保持天线平台的稳定，控制流程如图4 所示。此方案的缺隐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，但根据船体运动的特点。综合性价比考虑，韧的i 咔准完成记隶天戗韧始方位和膏伸危t 取一，i 信息羹毒茸翱设差朴蕾和糖仲，化太吗、t 囊动天峨转垂新的位置用i ； ；洲珀蚺素吗壹图4数字罗盘，g p s 组合控制方案中南林学院研究生学位论文还是比较适合本系统。由于数字罗盘及电机存在零漂及其他诸多复杂因素的影响，跟踪稳定位置将有微小偏著，为此，我们引入电平信号跟踪环，初始对准后在稳定位置附近一个小范同内继续进行电平搜索，以搜索到的最大电平位置作为擐终稳定位置。因此，本系统实际采埘的是一种“罗盘稳定电平跟踪”方案。2 1 3 方案原理分析本系统采用的是一种“两轴稳定，三轴跟踪”的体制。所谓“两轴稳定”，是指当天线偏移空间目标( 如同步卫星) 时，利用伺服系统驱动方位俯仰两轴使天线回位。假设由于载体的三轴姿态变化( h 、p 、r ) 引起天线在方位和仰角两个方面的漂移为：彳z = i ( j v ，p ，r ，彳z o ，局o ) 一a z oa e i = 五( h ，p ，r ，a z o ，e l o ) 一e l o式中a 2 0 、e l o 是在当地的理想方位角和仰角，我们只需测出如、e ，雨通过方位和俯仰伺服系统，使天线方位轴旋转- 如角，俯仰轴旋转a 毋角，即可使天线波束中心重新对准原来的目标。所谓“三轴跟踪”，是指载体发生横滚时，可能会导致天线仰角轴相对水平面的横滚变化，即天线波束将绕其轴线发生扭转滚动，影响接收下来的信号强度此时需要在两轴稳定跟踪的基础上增加极化轴。当发生波束滚动使信号受到影响时，在一定的时间分配区间内，控制极化电机进行小范围电平搜索，寻找最佳极化角度。2 2系统整体结构船载天线稳定系统由位置姿态敏感器组合、伺服控制子系统、信号接收子系统、系统软件四个子系统组成。系统的组成及原理框图( 见图5 )圈5 系统原理图其各部分完成的主要功能如下中南林学院研究生学位论文位置姿态敏感组合：由全球定位系统g p s 接收器和数字罗盘h m r 3 0 0 0 组成，主要完成载体( 船) 的地理位置和姿态( 方位、俯仰及倾斜) 的测量并将数据采集卡检测到的信息传送到控制机进行处理。伺服控制子系统：主要由工控机，运动控制器，步进电机及相麻驱动器组成，接收控制计算机产生的控制信号，实现对天线的方位、俯仰角度的调节和跟踪控制。信号接收子系统：由天线和卫星电视接收机( 和终端显示器) 组成，用于接收被锁定卫星上的视频信号，经处理后显示出来。软件系统：由底层类库、l a b w i n d o w s c v i 和v i s u a lc + + 融合平台下开发的源代码，用于实现姿态解算、地理位置计算、数学平台变换( 实现船体姿态、位置和卫星位置数据到平台方位、俯仰数据的变换) 、俯仰方位伺服参数调整及开环控制等。2 3 系统运行流程本系统以l a b w i n d o w s c v l 设计系统的控制界面，能非常容易完成控制操作。天线稳定系统的工作过程为：开启计算机，进入系统，打开数字罗盘电源，检查相关设备的工作状态。如上述工作过程正常，系统则进入操作软件l a b w i n d o w s c v i 主操作界面，l a b w i n d o w s c v l 主操作界面提示操作人员选定卫星型号、精度、纬度等必要信息。然后系统进入初始对准界面，由串口读出数字罗盘显示的姿态信息和g p s 提供的位置信息，交计算机进行处理，计算机根据姿态解算模块算出大线的对星方位利俯仰角。系统根据初始跟踪模块发出控制指令给运动控制器，驱动步进电机指向该角度。然后在电平搜索模块的提示下，用户输入电平搜索的范围、搜索步数和搜索电平截止电等，完成搜索后锁定该位置。将该位置作为平台稳定的目标位置。当船体开始运行时，进入自动跟踪界面图6 系统工作流程首先进行数字罗盘的零点标定，然后系统开始进入自动跟踪状态，同时在一定时间分配范围内进行最大电平跟踪和电机零点漂移的修正等工作。在自动跟踪状态下，操作人员随时可以4中南林学院研究生学位论文中断系统的运行，选择其他卫星或关闭系统。系统工作流程如图6 所示。3 位置姿态敏感器组合3 1g p s 原理与接收机3 1 1g p s 定位基本原理测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定1 1 i ) = 系统、卫星激光测距定位系统，其原理也是利用测距交会的原理确定点位。假设用户的接收机在某一时刻采用无线电铡距的方法分别测得了接收机三个发射台的距离d l ，d 2 ，d 3 。如果三个发射台的位置已知，只需以三个发射台为球心，以d 1 ，d 2 ，d 3 为半径作出三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置( 位置具有二义性) 。实际的g p s 系统通过分布在6 个轨道上的2 4 颗g p s 卫星以全球覆盖的方式向地面发射测距信号和导航电文( 导航电文中含有卫星的位置信息) ，保证在地球上任意天顶开阔的位置在任何时刻可以接收到4 颗以上的g p s 卫星信号。用户g p s 接收机在某一时刻接收到3 颗以上的g p s 卫星信号。测量出测站点至卫星的距离，并通过导航电文解算出该时刻g p s 卫星的空间坐标，据此采用距离交会法算出接收机天线中心的空间位置坐标“”。g p s 卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息用户使j _ = ig p s接收机在某一时刻同时接收三颗以上的g p s 卫星信号，测量出测站点( 接收机天线中心) p至三颗以上g p s 卫星的距离并解算出该时刻g p s 卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站p 的位置。如图7 所示，设在时刻t i 在测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星s 1 ，s 2 ，s 3 的距离分别为p l ，p2 ，p3 ，通过g p s 电文解译出该时刻三颗g p s卫星的三维坐标分别为( x j ，y j ，z j ) ，j = l ，2 ，3 。用距离交会法求解p 点的三维坐标( x ，y ，z ) 的观测方程为( 3 - 1 )在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化，需要实时的由o p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星导航电文解算山卫星的坐标值，并进行测站点的定位。目前，g p s 测量可分为伪距测量和载波相位测量两种方式。伪距测量g p s 定位的基础是同时获得一接收机与几个g p s 卫星之间的距离观测值。该距离观测值实际上是一个时间差t ，即信号从发射到接收之间的时间差。将t 乘以电磁波的速度便得到距离。蜀乙历玉厶矗；冲冲砷huhuvhl冲斗坤 xxx-一-xxxv v v=一一=23ppp中南林学院研究生学位论文对于g p s 而言仅仅是单向测程。因此，t 的精度至关重要，它取决于卫星上的时钟、g p s 信号脉冲的时钟与接收机上的时钟之间的同步。时钟误差仅羞l n s ( 纳秒) 就相当于测距误差3 0 c m 。卫星上装的是原子时钟，而接收机上装的是石英钟，两者精度筹距很人，加上无线电信号经过电离层和对流层中的延迟与折射，使得实际测量距离与真实的儿何距离有一定的差值，故称测量值为伪距陋j 。载波相位测量载波相位测量的观测量是g p s 接收机所接收到的卫星“嚣鬻辫黼墨黧8 1 网掣k 5 3何著。由丁载波上调制了测距码和导i 爿k ij 爿航电文，因而收到的载波相位不再连续，所以在进行载波测量之前，首先j要进行解调工作，这一工作称为载波p p ：l? ；，重建载波重建可采用码相关法和平i 、，j方法。码相关法可同时提取测距信号： 和卫星电文，但用户必须知道测距码j的结构；平方法无需掌握测距码的结7 k 构，但只能获得载波信号而无法获得图7g p s 卫星定位原理测距码和卫星电文。由于载波的波长比较短( h l = 1 9 e m ，沁吃4 c m ) ，所以通过载波相位测量可以达到相当高的测距精度，目前大地型接收机载波相位测距精度一般为1 n 2 m m 。但是，载波相位法测量相差存在多值性闯题，必须在测距中确定相差的整周期数载波相位测量法不仅可以用于静态定位，亦可用于动态定位口”。3 1 2g p s 接收机原理g p s 接收机的功能是接收g p s 卫星发送的导航信息，恢复载波信号频率和卫星钟，解调出卫星星历、卫星钟校正参数等数据；通过测量本地时钟和恢复的卫星钟之间的时延来接收天线至卫星的距离( 伪距) ；通过测量恢复的载波频率变化( 多酱勒频率) 来测鲑伪距变化率；根据获得的这些数据，按定位解算法计算出用户所在的地理经度、纬度、高度、速度、准确的时间等导航信息。并将这些结果显示在显示屏幕上或通过输出端口输出。g p s 标准定位服务接收机的原理如图8 所示脚l 。天线腐置放大器送来的g p s 卫星信号在接收主机中经下变频、滤波放大、模，数变换后成为数字信号送至多路相关器。多路相关器可以是i 至1 2 路相关通道或更多，每个相关通逆由码延时锁定环昂l 载波锁定环组成。码延时锁定环( d l l ) 是将本地伪随机码( 本地c a码) 与卫星伪码( c a 码) 对齐，实现对卫星信号的捕获、跟踪解扩、识别时间恢复和伪距测量；载波锁定环是一个惯性环，它使本机载波与卫星信号载波同步。1 6主堕楚堂堕! ! 塑生堂丝堡苎图8接收机原理图3 1 3 接收机选型整体诞g f s 接收机的定位精度越高越好，但是，由于系统整体成本的限制，只能选择性能价格比较好的产品。一般在使用中，往往选用多通道接收机，另外一个需要考虑的问题就是接收机的天线尺寸问题。这里，我们选择了可二次开发的、性能价格比较优的g a r m i ng p s 2 5o e m 板作为g p s 信号接收设备。1 多通道接收机多通道接收机具有多个卫星信号通道，每个通道只跟踪一个卫星信号如：a s h l c he 1 2为1 2 通道接收机，t r i m b l e4 0 0 0s s e 为9 通道接收机等这种接收机的优点是可以对卫星进行连续跟踪，同时得到卫星广播星历。但是由于通道多、价格较贵，另外，通道之间有时延，在信号处理上要解决信号时延的问题。2 微带天线x 称贴片天线，其供电方式可以是微带供电，也可以是同轴线馈电微带天线的特点是高度低，重量轻，结构简单并且坚固，易于制造；既可用于单频机，又可用于双频机。缺点是增益较低，不过，可以采用低噪声前置放大器来补偿。目前大部分测地型天线都是微带天线。这种天线更适合于飞机、火箭等高速飞行物上3 g a r m