（机械工程专业论文）稳定跟踪平台移动载体姿态测试技术与建模.pdf

国防辩学技术大学研究生院学位论文 摘要 稳定跟踪平台系统具有巨犬的市场前景，目前已成为众多厂商争先抢占的高科技毒 场，竞争日趋激烈。汽车、火车、舰船、飞机等运动载体的位置和姿态不断的在变化，要 保持与卫星的通讯联系相接收卫鼠视频等傣号，就必须栗用卫星天线稳定跟踩平台系统。 该两坐标动中透系统采用方位、瓣都掰辅天线稳定，由石英音叉陀螺仪( h o n z o n h z i - 9 0 - l o o a ) 构成翊环控制，并遭过定的控制方式使天线的獾岛在惯性空阉保持不变。 该系统缀过大量试验，效果良好，达到了预先设计要求。 论文首先详细论述了鼯坐标动中通总体方案的设计与实现。采用机电产品模块纯设计 方法，从该系统总体功能模块化入手，详细地分折和设计了动中遇系统中的各个功能模块； 露时分别从系统的惑体控制方案、总体结构和工作流程采阐述系统的实现。论文重点对两 坐标动中通天线控制系统进 亍了建模分挢与控剽参数设计。分别辩识出了方位、俯仰伺服 系统和石英膏叉陀螺( h o z o ) 各自的数学模型，并对陀螺闭环控筇4 系统避行了仿真，最 后整定了该系统h d 控制参数。同时对h 州z o n 在两坐标动中通控制系统中的应用避行了 研究。对h o d z o n 零点漂移及其他误差滞进行了分析，并幽此提出了其后鬣处理与误差补 偿方法，并通过仿真验证了其可行性。 关键谣t稳定跟踪平台，总体方案，天线控制石英音叉陀螺， 籽o f i z o n ，补偿算法 茧l i i 爱 孽堕塑耋鎏娄盎堂琶塞生鹜篓堡兰苎 a b s t r a c t t h ep l a f o r ms y s t e i n ，w 掰c hi sb yw a y g m u n dm o v e i u e n t 觚a d o u st r a c k i n gs a t e l l i c e ，h 越 b e 铋p 。s s e s s e 畦h u g em a r k e t n k 巍h a sb e e ne h p 醴b yn u f 粥r o u s m 8 n 蚶抽t 哇r 槲s 抽 h i 曲t e c hm a r k e tf o rt b em o n l e n tt h eh l o t l o ne a l r i e r ss n c ha sn 犯a u t o m o b i l e 删n 8 ，w a rv e s s c l s ， 出op l a n e 锄ds oo n ，a r 。抽嚣q xb y 妞抒p o s i b o n 翮d 艇i 魁u 啦玎w a n tk e p i n gs 8 t d h 畦cm e s 鞠g e a n dc a h n go 懈s a c e m d cs i g na l ，t h e ym h s b e 。na d o p tt 1 0 一8 “b f ms ”c e mo f e n a c l o u s “a c k i n g s a 潮b l e 矗n t c n n a t h i sp l a m ) m ls y s t e ma d o p t sa z i n m m - p i t c h i n gm o u i dt or e a l i z et h es t 曲i l i z a t i o no f 醐据n n a ，b yu s i n gq r s ( h o 赴0 nh 夏啪1 0 0 a ) 协妇mc l o s c dl o 。p 曲o lm 洳堪i ss y s t e m h a s b e e nd e v e l o p e dm a n ye x p e d m e n t s ，t h er e s u hh a sb e e np r o v e di ob eb e t 【e ra n db e t t e t h i s 辫p 盯盘s t l yi n i r 甜h c e st b ed 鲥挚a 嘲她a l 船o fg e 嫩住lp l a n n i n g a d 婶t c dt h c | i i e 盘。哇 e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s sm 郫皿s b 伍l d i n gb l o c kd e s i g n ，f m mf u n c n o n “m o d u l a d t yo fs y s t e m 印州l a 畦锄，e a c hf c i i a 1m o d u l eh a s b e e n 瓶敷y s 耐跏d 3 l g n e di nd e 艇1 a tt h e 潞m e 畦玎l e 【h ec 0 1 l e c n v i t ya r r a n g e m e n to fc o n _ o l s ，g r o s ss t r u c t u r ea n dw o r kn o wh a sb e e ne x p o u n d e df o r i m p l e m e n 蛆t i 瓣o fs y s t e m s s 。c 。n d l yc o m f 0 1s ，s 妇nm o d 醅娃n gh 喜sb e 翱a n a l y s e d 黼dc o n n n i n g p a r a n l e t e rh a sb e e nd e s i g n e d a 舀m u t h ，e l e v a n o ns e 0a 1 1 db o “z o n sm a t | l e m a i c a lm o d e lh a s b e e nd i f f e r e n 吐a t e d黜de m n l a 潮p m n 拄o lp 粼瞬h a sb e e n8 m e n d e d n 溯坶f h e a p p i i c a i i o no fh 嘶z o na tt h 讧c o n m 柚s y s t e mh a sb e e nr e a r c d ，t h ez e r oc r e 叩a n do t l l e re r r o r s o u r c e1 1 a sb e 锄a l y s e d t b e m a 矗e rd i s p o s a la n de r m rc 1 p e n s a 吐o na b o u t h o r i z o nb a sb l o d 辨d ，d e m o n s 诅塘d 廿1 cf e a s i b i l i t yb yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， k e yw o 州s it c 聃c l o h s 妇c k i n gp l a l f o r m ，q 欺s ，i 1 0 d n 蹭e n e 蹦p l a n n n 群a n t e n n ac o n 吣l 冲诎 o f fa l g o r i c h m 第l v 页 独戗性声明 本人声明所里交的学位论文是我本人在导师指导下连行的研究王作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特剥加以褥注和致谢的地方外，论文中不龟合 其他人e 经发丧和撰写过的研究盛暴，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教甯瓿构的学位或证书丽使用过的耪粹。与我一阍工作的辆惠对本研究所骰的任 何黄献均已在论文中作了明礁的说明并表示谢意 学位论文题嚣：热窟堡虢垩垒整垂魏燕姿盎测试蘸盎耋藏搓 学位论戈作者签名：到逮戛日期：押，年，1 月眵口 学位论文版权使用授权书 本人完全了解嚣防科学技柬大学有关保留、使撬学位论文纳规定本人授权 国防稃学技术大学霹啦保留并向国家有关部门或桃构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文搜查阋和借阅；可以将学位论文的套部或部分内容编入有关数据 库避行检索，可以采用影审、缩印或扫描等复割手段保存，汇编学位论史。 ( 保密学位论文在解崭蘑适用车授权书) 学位论文题弱：整蛊塑夔龟整煎熬篷囊盔测试藏盎姜藏搓 学位论文作者签名 作者指导教师签名 毯鱼聋 斗警 h 期：j n ，年，月够日 h 期：年， 月步 国防辩学技术大学谚究生院学位论文 第一章缝论 i 。l 课题研究的意义及来源 1 ，1 1 开幕天线稳定菰踪平台技术研究豹赞最 国内对稳定平台的应用研究很多，取得了很大的进髓。舀在人造卫星、导弹、航无卫 星、汽车定位、雷达等重大科研国防项目中超到至关重要她作用。根摄稳定平台的应塌场 台，稳定平台主要有以下匪类：翔予机载s a r 稳定乎台、研究用予星载及遥感搜术的稳定 平台、研究用于地面跟踪稳定平台和用于舰载的稳定平台。 研究机裁稳定平台的单位主要有中嘲电子科技集团公司第三十八研究所、第十l ；! _ g 研究 所、第二二十六研究所、成都电子科控大学、嚣安电子辩技大学等。这些研究机捣研究稳定 平台的露的是簧保证高精度绣、稳定地观察目标。稳定平台主要是用在雷达、飞机以及卫 星等载俸上，在斑用之前要对菇功能进行测试，以前的试验是利用三轴仿真转臼进行静态 测试，荐真接上飞机进萼亍动态测试，实验豹难瘦太，成本缀商。在上飞鞔进行动态测试之 前，利埔车载进行动态测试可以大大降低试验成本，提高试验教果。这类稳定平台( 包含 惯导) 必须能承受各种苛刻的空闻条件，要求它既有较高的性能指标，又岿须具备功能一 体化、质鼙轻、靠性高的特点。尤其要求其其宥结构工艺性强、热穆联系数低、热力学 稳定性高等特点，还可用于死人驾驶预替飞艇等。 辩稳定平台研究比较多的另一类机构是航天院和卫望制造商。对卫黛的各种姿势都可 以保持鼹察平台的稳定，从碾保证可靠稳定的通傣。从事这方面研究的有航空王姓总公司 第六一八磷究所、中国通信广播卫星公司、西安1 e 行自动控制研究所等。 作为地孺移动卫星接收无线可以稳定跟黥的平台系统，具有臣大的市场前景，已成为 西藏众多厂涛争先抢占的高科技市场，竞争目趣激烈。汽车、火车、舰艇、飞机等运动载 体的擅囊和方键甭断的在变化，要保持与卫星的通识联系和接收卫星税额等信号，就必须 聚用卫星天线稳定跟踪平台系统，以便自动跟踪逢球同步卫星，如通讯卫星、气象卫星、 海事卫星、侦察卫星、资源探测卫星。同时稳定平台还可用于导弹运行控制。在逮方面， 有一个新的避展，即利用新的轻型的复合材料代替 日式的金属材料采制造惯导和稳定平 台。 稳定平台的研究在舰船制造上也得到了广泛而深入的开展。稳定平台可以确保在大风 大浪和黑夜等各种恶劣环境条件下。能及时、准确、商观地为海关缉私、海防巡逻艇提供 各类群疑蠢标的可爨信息，掌握目豁的运动援樟，记录现场情况。弼对，还可完成必要的 海事救援工作。 第l 页 屏骑科学技术犬学研究生院学位论文 在将稳定平台用于遥感技术的研究中，中网科学院遥感应用研究所、中国科学貌地理 磺究所、北京大学地球物理系、北京市农林科学院、中翻科学技术大学、上海技术物理研 究所和中国人民解放军相关部酞l i 曼及北京师范大学等做出了很多工作。 由于稳定平台的重要作用，它的研究还是许多8 6 3 课题( 中国高技术研究发展计划信息 领域3 0 8 课题，1 0 3 信息获取与处理技术) 和9 7 3 重大顼强( 地球表蔼对空多变要綮的定囊遥 感理论及应用) 中不珥或缺的维成部分。 本项目斑是毒限于该平台巨大的市场前景，数及多种武器装备对稳定平台的强烈需求 两提出的。该平台的应用将是作为地面移动卫星接收天线的稳定跟踪，本沦文主要研炎的 是蒸于两个单皇由度速率陀螺移动载体稳定蹋踪平台的若于关键技术，为高精度、高可靠 牲、低成本的稳定平台的快速研发提供技术储备。 1 12 开蒜天线稳定跟踪平白相关技术研究的意义 天线稳定跟踪平台技术集惯性导瓶技术、微惯性传感器技术、数据采集及信号处理技 术、精密机械设计技术、精密机构运动学和动力学建模和仿真技术开放式运动控制技术、 电机伺服控制技术、卫星通讯技术和系绫技术等多项技术于一身，是以机电一体恍、舀动 控制技术为主题，多个学科有机结合的产物。无疑，从事该技术的研究不论在军事还是民 用，瓤有报大的应用前景和实践意义。 本课题研究的主要意义在于以下两个方面： ( 1 ) 获得关于石荚莆叉速率陀螺仪有关特性的第一手资料，包援其具体的动静态精 度、误差模型、信号处理算法和零点漂移补偿算法等。我们通过广泛的技术调研发现，国 内关于石英啬叉陀螺仪及其在两坐标稳定跟踪平台中应用的相关报道比较少。希望通过我 f j 的研究可良促进石英音叉陀螺仪在稳定跟踪平台中的研究与应用。 ( 2 ) 对蒸于两单自由度速率陀螺稳定平台的稳定蹶理和其伴控制算法进行一建的研 究。目前，弱肉对使崩传统的陀螺仪( 主要是激光陀螺仪和动力调谐陀螺仪) 和加速度计 的平台式惯导系统和捷联式惯导系统现在已经形成相当成熟的理论，但使用石英啻叉速率 陀螺作为角速度敏感元件的间接式陀螺稳定装置的撮多闽题还投有得到充分的认识和研 究，本项目的研究正是要解决这个闷题。 1 1 3 谭题的来源 近凡年来，我院本专业开展了关于稳定跟踪平台技术的研究，对于该平台的大体技术 已经成醚，本教研室在综台考虑了以往稳定平台在试验过程巾产生的种种问题，自主地开 发出了基于两个单自由度速率陀螺的移动载体卫星稳定2 e 踪平台系统。本课题的来源就是 基于_ 比基础上提出的。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学能论文 1 2 稳定鼹踩平台移动载体姿态溅试技术与建模的研究现状 2 1 国内稳定平台研究现状分析 随着惯性技术对武器装备性能的影响程度越来越大，稳定平台技术的研究始终是国内 研究单位和大公司关注的热点，矗单位也进行了大量卓有成效的工作，如稳像按术、稳瞒 技术、精确制导炸弹的截导技术、红外和霹见光跟踪装置的发展等。 目前，稳定卫璺无线的基本方法有五种； 1 用卫麓信号的强度髓天线指翔误麓增大而减小的特征，不断搜索+ 使天线糅持在 正确的方向土( 即信号最强处) 。这种方法增加豹设备最少，因孺成本 羲壤，但由于天线 波瓣极窄，加之枫械搜索速度较慢，嘏容易丢失信号，两且一旦丢失信号，霆薪摊获时问 也较长因而不实用。 2 采用单脉；串蹋踪天线，也是利用多路卫星信号强度的和差关系，在短时闯肉判新 蹦天线指囱的偏差，这种卫星无线稳定系统的糙艘和速度均很高，但是天线系统本身较为 复杂，对国内广泛采用的卫星天线来说不其有普遍意义。 3 ，利用惯性姿态测量系统建立个坐标基准当地水乎坐标系控制伺服系统锼 天线稳定在当地水平坐标系中，使之不受裁体运动的干扰，这手孛系统穗为捷联式陀螺稳定 系统。这种方法稳定性较好，不易丢失信号，部使丢失，也可以快速我回。但由于系统 中所用的陀螺仪和加速度计成本太高。因而长期以来难以推广使用。 4 利用大型艘船上的平台罗经或飞机上的导航系统提供的载体姿态信号，经过坐标 变换和误差补偿以瑶发送给天线伺服系统，这种系统结构比较筒单，憾受裁体提供的信号 限制比较大，应用有很大的局限性。 5 利用廉价的速率陀螺构成闭环反馈直接稳定系统，辅以电平信号极大僮跟踪，修 工巨陀螺漂移，提离罪踪精度，该种方法的频晌和精度均较好，价格适中，是比较理想的一 种方案。 本系统通过接收g p s 褥出载体的方位信息使用姿态镭感器( 石英音叉陀螺仪 h o f i z o n ) 敏感载体豹初始姿态，提供初贻对准信号，将惯性角速率传感器作为电机闭环伺 驻控制的反馈元件，敏感载体运动过程中天线平蠹在方位和俯仰方l 角的变化，通过“陀螺 闭环稳定+ 电平跟踪”控制方式进行补偿来保证载体运动过程中平台的稳定。 下面我们简单介绍一下国内已有的托较典型的下星天线祁戮准线稳定系统： 一、篓子压电速宰陀螺蓠馈控朝的光电视轴穗定系统“ 该电视跟踪设备税轴稳定控制系统采用铡速枫作为速度授馕，编弼器作为位置反馈 并姆船攘扰动经速率陀螺检测裁馈于速度回路。该系统工作原理框强如图l ，l 所示。 第3 负 曼堕墼堂茎童查雯塑耋兰墼茎鎏篓塞 囤l - i 视轴稳定系统框翻 它蒋两个速率簪窀螺( 其中一个是单鑫由度。另一个是双螽出度) 分别安装在电税跟踪 仪的底座和转盘上。使其分别铡量因船体摇摆引起的附加方位、随低期水平轴倾倒方向的 速度。 由于速率陀螺直接安装在测量轴鲍方向上，可寅接测最豳船体摇摆在方位、高低和水 平轴倾侧方向上产生的附加速度分量，因而无需再用计算机进行复杂的坐标变换。这种方 式结构链单，实现容易。采用这种方式安装的速率陀螺，由于它们与电视跟踪设备的方位 摹u 赢低测速机是解耦的，因此这两部分信号的作用与复台系统的前馈控制是相当的。 二、基于澈光陀螺捷联惯导缎奢的天线稳定系统”1 该系统是出重庆巴山仪器厂开发的一种新的卫星天线的稳定与跟踪系统。系统采用捷 联式激光陀螺惯性导航系统( l 斟s ) 的数学平台给出天线榻对于地理坐标系的控镱5 信号， 使炎线稳定在地理坐标系中不受机座角运动的干扰，这种系统称为捷联式陀螺稳定系统： 采嗣l i n s 的经纬度待号控制天线运动，排除了机座的线运动干扰；固时系统中还有辅助 的自动扳值搜素控制，使系统跟踪卫星时的误差为最小。此外，系统利用准确跟踪卫塑的 信息可以校正等航系统中的陀螺圈长对蛹工作s l 起的漂移。 应用l i n s 缌成的移动卫星通信天线稳定系统如阉l 一2 所示。系统以l i n s 为主，同 时瞧安装了g p s ，以提供h n s 初始对准信号以及计算卫星的初始位麓，辩作为组合导舷 的信号。该系统基本上是通逮l 瑚s 搓鼍蜓的姿态信号经过坐标变换以焉将天线的指向角前 馈于天线伺服系统，相当于，j 1 = 断完成的初始对准。 对于陀螺漂穆的修正，该系统稠用组合导航系统的输出和天线俯伽轴；手日方位辘上鳇焦 度传感器输出来修正天线矢量和系统误差，并通过极值搜索控铝9 来提高整个系统的糖度。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 2 应用l i n s 组成的移动卫星通信天线稳定系统 图1 3 一路扫描控制组成方块图 该系统设计的极值搜索控制是一种螺旋收敛型圆锥控制，它是由时闯上成正交的两路 正余弦信号分别加在空间上成正交的两根轴而组成， 采用极值控制的方法，自动扫描搜 索寻找通信卫星使系统跟踪卫星时的误差为摄小。 三基于国产徽机械传感器的卫星电视天线稳定系统嗍 清华大学导航工程中心从1 9 9 6 年开始研制微机械惯性器件，并先后制成加速度计和 陀螺的工程样机。并在此基础上研制了一套基于微机械惯性器件的卫星电视接收天线姿态 稳定系统。它采用惯性姿态测量与场强自动跟踪组合的方式来稳定卫星天线。系统由微机 械惯性姿态测量模块、伺服控制机构和天馈子系统组成，所有数据处理和拧制功能由一个 嵌入式工控机完成，如图1 4 所示。 图l - 4 天线姿态稳定系统组成框图 微机械惯性姿态测量模块固结在天线反射面上，实时测量天线的姿态和角速度：当其 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论史 姿态偏离设定值时，伺服控制机构及时进行调整。为了克服惯性器件的漂移还同时使用 了场强自动跟踪技术来保持天线准确地指向卫星( 即保持场强最大) 。整套系统工作原理 如图1 5 所示。 图1 _ 5 天线姿态稳定系统1 ：= 作原理 1 2 2 国外稳定平台研究现状分析 在美、英等国的先进武器系统中，使用微惯性传感器的稳定与跟踪平台褥到了广泛的 应用，如美国的m l 坦克，英国“挑战者”坦克，俄罗斯t - 8 2 坦克，英国“标枪”导弹海 上发射平台等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。美国海军采用b e i 电子公司生产的石 英音叉陀螺，研制出w s c 一6 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 公司研制了咀g g l 3 2 0 环形激光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，报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 i 公司研制的自行榴弹炮组件式方位位置系统 ( m a p s 6 0 0 0 ) ，由h 一7 2 6 动态基准装置、控制显示装置、车辆运动传感器组成，是一种 采用激光陀螺技术的捷联式惯性系统，在工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。 另外，就商用天线稳定系统来说，国外也有比较成熟的系统，下面介绍一种基于光纤 陀螺和电平扫描混合跟踪理论的商用移动裁体卫星通信系统h 。 该系统针对美军战术操作中心( t d c s ) 移动载体( o t m ) 卫星通信的需要，采用一 个双轴光纤陀螺( f o g ) 角速率传感器，一个惯性测量姿态参考单元( m r u ) ，一对增 量式光电角度编码器用于闭环角度测量，一个线性正比于卫星天线指向精度的直流电压信 号( a g c ) ，系统信号处理拓扑图如图1 6 所示，其系统电平圆锥扫描原理如图i 一7 所示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图l _ 6 系统信号处理拓扑图 图l _ 7 电平圆锥扫描原理 i m r u 用来提供系统的初始对准信号，光纤陀螺的带宽达到1 0 0 h z ，用来构成两轴陀 螺稳定系统，a g c 信号用来修正系统的漂移，主要使用称为电平圆锥扫描的方法来完成， 该扫描的带宽较低，大约为i 2 h z 。 1 2 3 测试系统实用建模方法的概述 研究测试系统动态特性的一种方法是对测试系统进行动态校准根据动态校准实验结 果进行数据处理，建立全面描述测试系统动态特性的动态数学模型，这种由实验结果建立 动态数学模型的方法，统称为建模方法。由系统输入动态激励信号和输出动态响应求出系 统动态数学模型的方法，又称为系统辩识方法。 动态校准有时间域、频率域的和随机与伪随机的，建模方法也相应地分为时间域的、 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 频率域的和相关建模的方法1 5 j 。建模与辩识方法是7 0 年代后期发展起来的，由于比较实用， 因此发展迅速，应用j - 泛。许多系统的动态特性均可近似地用低阶( 一、二阶) 系统描述， 其参数的物理意义比较明确，建模方法比较简单、实用。 124 天线稳定系统中的伺服测量系统动态性能分析 伺服测量系统动态性能分析方法相对比较成熟，可分别写出各环节的动态特性方程 式，绘出系统方块图，求出系统运动方程式和传递函数与频率特性等。如果动态性能不满 足要求，可用各种( 如测速反馈和校正网络等) 方法改善系统的动态性能。 伺服测量系统动态性能的实验方法，除常用的时间域和频率域实验方法外，对有些伺 服测量系统，还可以采用等效电激励方法，代替经典的时间域和频率域的实验方法。 由于本伺服控制系统的许多参数没有合适的频率特征实验设备。而对时间域的动态激 励信号发生器比较容易实现。所以本系统就是采用在伺服测量系统的反馈同路土加入适当 的电激励信号( 具体是阶跃信号) ，来测量系统的动态性能。在测量系统受动态激励信号 后，产生动态响应( 阶跃响应) ，由动态响应的实验数据即可建立其动态数学模型，由数 学模型可以求出系统的动态性能指标。 125 国内外英石音叉陀螺仪的发展情况 微机械角速度传感器( 陀螺) 是采用微机械加工技术制造出来的微型角速度传感器，是 集微型精密机械、微电子学、半导体集成工艺等新技术于一身的世界前沿性新技术。它的 出现将使惯性技术产生一次新的飞跃，同时市场对体积小、价格低、性能可靠的新型振动 角速度传感器需求的增加极大地促进了这类传感器的开发和研究 6 l 。微石英音叉陀螺( o r s ) 是微机械陀螺的一种，欧美发达国家自2 0 世纪8 0 年代中期开始q r s 的研究工作，目前 已有产品问世，我国尚处于起步阶段。 这种微机械陀螺是为了满足军事应用的要求而研制生产的，属于低精度陀螺的范畴， 漂移达l 度川、时，但这样的漂移对弹头寻的器、导弹飞行控制系统等应用来说是可以接受 的。特别是其可靠性高、体积小、成本低等特点，为其进入军事领域创造了有利条件。美 国b e i 公司的s y s t r o n 惯性分公司研制的石英音叉陀螺q r s ，已成功应用于导弹自动驾驶 仪和舰载卫星天线稳定系统上。国内清华大学自行研制的微机械陀螺，也已经成功应用于 火箭炮弹的末制导i _ ”和卫星天线稳定系统上。 12 6 天线稳定系统中的陀螺信号处理技术 由于物理结构及制造工艺的原因，陀螺仪很难达到实际的漂移要求。为了弥补陀螺工 艺质量上的缺陷，必须对陀螺漂移角速度进行测试从而对其确定性模型和随机漂移做精 确分折，对陀螺的漂移进行建模、辨识，在此基础上对陀螺进行误差补偿和改进，以进 第8 页 量防科学按本大学研究生院学位论文 步提搿稳定系统的精度。 常用的陀螺漂移信号獭处理方法是逐步回归法。该方法首先通过求均值来提取陀螺信 号中的常餐漂移：然后。对去掉均值豹陀螺漂移回归提取线性趋势硕；最j 吾，进行傅立计 分解产生周期图并经f i s h c r 检验，识别并提取隐含的周期趋势项。 在对陀螺漂移数据建立时间序列模型的基础上，可以采用卡尔曼滤波算法对陀螺漂移 数据进行处理，以提高陀螺静态漂移误差系数的估计精度，并把褥到的陀螺漂移误差摸型 安时补偿到稳定系统中。陀螺漂移误差的补偿，通常采用常舰的反馈控制系统。现在各种 补偿方法都在发展，如自适应模型、在轨标定补偿等l 。 小波分析是现代信号处理中分析和处理非平稳信号的一种理论和方法。陀螺仪试验褥 到的测试数据是非平稳韵，用小波分析漂移特性是一种根肖效的方法。小波以其伉疑的多 分辨分析特性特别使用于非平稳信号，而且随稽其在信号处理中的广泛应用，小波去噪理 论也嗣趋完善，小波对称性对陀螺信号去噪具有重要意义”。 蠢于陀螺信号驰小波去噪不论是在理论上还是实际应用上都有一定的难度，且奉系统 对陀螺仪的精度要求不是很高，所以本系统陀螺的信号处理主要是通过定的后置处理电 掰，进行简单地消赢、增益处理。同时基于拽术、成本和现有条件考虑，陀螵豹误差扑偿 也没有进行适时补偿方式( 如采嗣卡尔璺滤拔算法) ，丽是采用了德置补偿方式。通过对 其零点漂移( 通过实际测量得到) 的补偿来实现陀螺阅环系统的误差补偿。 1 3 论文研究的主要内容 在论文焉面备章节将使用“动中通”这个词，“动中通”原意指通信双方在移动中进 行的通信，这辍用柬作为“地厦移动卫星接收天线可以稳定跟踪的平台系统”的简称。本 动中通在天线的方德和俯仰轴上，采用两个单自由度速率陀螺作为穆动载体姿态敏感器， 并通过一定的控制方式来实现天线的稳定鞭踪。 本论文具体研究的主要内容如下： 一、藤坐标动中通总体方案设计与蜜琥 对两坐标动中遵系统总体方案进行设计，采用机电产品模块纯设诗方法，祆该系统总 体功能模块化入手，详细地分析和设计了动中通系统中的各个功能模块；同时分别从系 统的总体控制方案、总体结构和。i 二作流程来阐述该系统的实现。 二、两坐标动中通天线控制系统建模与控制参数设计 首先对该系统的天线控制系统结构进 亍了详细的分析。接着穰据系统总体理论分析及 控制方槊拟定的需要，分别辨识出方位、俯仰电机和石英音叉陀螺( h 州z o nh z 卜9 0 1 0 0 a ) 各自扮数学模型。通过对控制系统撕妇b 仿真，研究了方位、俯伸伺服系统的动静态特性。 并通过雳实验韵方法修正了该系统p m 控制参数。 第9 贾 里堕型兰垫查盔兰竺塞生堕耋堡垒苎 三、动中通h o r i z o n 测姿系统误差分析与补偿算法 对基于石英音叉陀螺h o r i z o n 闭环稳定控制系统进行了一定的研究。对h 嘶z o n 零点 漂移及其它误差进行了理论分析，并提出了相应的后置处理与误差补偿方法，通过仿真验 证了其可行性。 一 第1 0 页 鼠蒴科学技术大学疆巍生院学位论文 第二章两坐标动中通总体方案设计与实现 2 1 机电产晶模块化设计及其在该系统设计中的应用 机电一体化设汁产品总体设计是应用系统总体技术，从整体目标出发，统一分析产品 的性能要求其各枫、电缝成单元的特性，选择最台臻托单元组合方案，实现机电一体化产 品整体优化设计的过程。 21 枧电产品横块化设计概述 当今市场需求向多样化、个性化方向发展。为了满足日益丰富且快速变化的市场需 求，产品开发毒簧尽可能地加快产品的开发速度并提高产品的适应性。模块仡设计方法为 快速高效地开发系歹硅他产晶提供了有效手段。在模块化设计中，最基础也是十分重要的一 步麟是模块划分工传。模块划分的结果将直接影曦到模块化产品的功能、性能霸成本。为 了得到合理的模块划分方案，设计者必须从自身的特定角度对产品的功能、结构以及备部 分之闽的黄系做搬仝蕊细致的分拆 1 。 一、横浃捌分纳角度及譬的 模块划分具有校强韵目的性。有些设计者进行模块翔分主要是为了方便新产品的设计 工作，两另一些人的主要强的可能是方便用户的使用。针对不同的目的，设计者往往会得 到不同的模块划分方案，_ 丽以往的模块划分方法往往忽搅了这个闷麓。这些方法通常从一 个特定的角度出发，提出一些模块划分的标准，并试图用这些标准指导不同情况下的模块 划分工作。这样傲豹结果往 圭是模块划分的最终方案不能准确蟪体现出设计者的真正意 图。模块划分的若干角度产品设计者对产品进行模块划分时，往往会根据特定的意图从不 同的角度进行考虑。尽管设计者进行模块划分的意图是千差万别的，但从产品生命周期的 角度来蓑，他们都是针对生命周期中一个或几个特定阶段的。因此，w 蛆根据模块划分所 面向的生命周期中的其体阶段，祀模块划分灼角度归为如下几类”1 1 ： ( 一) 面向设计的模块划分：为了方便新产品的设计工作，加快开发速度； ( 二) 面向毒i 造豹模块划分：为了方便产晶豹加工，馒于加工过程的调整； ( 三) 面向装配的模块划分：为了方便产品的装配，便装配过程尽量简单； ( 四) 面彝使嗣和维修的模块划分：为了方便用户使用及产品维修； ( 五) 面向回收的模块划分：为了方便产品报废后的材料回收和郝件爵利用。 二、模块划分曲分敷性 第1 1 贸 国防科学技术大学研究生院学位论义 对于大多数产品，尤葵是那些结构复杂的产晶焉言，其自身的结构具有分级特性，即 产品的结构体现出一寻中层次关系。如果划分方法旯能得到弼级男h 的若干模块，那么划分 的结莱就不足以描述出产品的层次结构。 模块划分其眷分级特性，这是出产品自身的特点艇决定的。对于一般的产品，尤其是 结构复杂的产晶，无论跫在功能上述是结构上都具有分级的特点。从功能上看，产晶的赘 体功能可以分解为一系捌子功能，丽每一种子功能又可分解为蓉干璺 琵级荆的子功能，飙 两表现为产品功能的树状形式。从结构上肴，产品通常南些大的部件组成，雨这些部件 又由零件或较小的部件组成，从雨表现为产品结构的樾状形式。因此，在以模块来描述产 品缀成时，也应体现出这种楗状结构，分缀模块伐如图2 1 所示。 鲻2 1 分级模块他示意圈 图2 + l 中的产品由若干高级模块( 如模块l 、模块2 ) 直接组合雨成，丽一个藉级模块 又可能由若干个低级模块组戒( 如模块2 就是由三个低级模块，模块2 l 、模块2 2 、模块2 3 ) 组成。 21 2 模块化设计方法在该系统总体设计中的应用 越予移动载体卫墨天线蠢动跟踪系统( 以下苘称为动中通) 来说，其核心就是解决如 何在载体运动巅簸的情况下，保持天线波柬指向不变的问题，也就是如帮实现波柬的稳定 问题。本系统的总体方襄没计围绕这个核心闽题展开。根据机电产晶模块优设计理论，两 坐标动中通系统总体进行模块化设计时，模块划分角度采用面向设计的模块划分，同时认 真考虑这些模块级别的划分。 一、采用模块忧设计过程中的兵体饕求如下： ( 一) 瞳功能为基础 开发一种薪产品的最终日的就是为了实现一定的功熊，豳此功能是进行模块化设计时 所应考虑的基本闻趣。模块划分作为模块化设计的基础，自然也应该l 三 功能作为出发点。 所咀，在具体的模块划分中，必须簧明确哪一模块完成哪一项或噼凡颈其体的功能。 ( = ) 以结构为载体 就一般的机电产品砸言，其功能都是由系列的物理实体透过一定的组合方式来实现 第1 2 页 雹辫科学技术大学研究生院学位论文 的。因此，划分中得到的模块也最终体现为定的物理实体。而结构所体现的则正是这些 物理实体的组合方式。所以，可以把结构蓿作横块他产晶的载体。模块划分方案就是通过 产品的结构缀织形式来表达的。 ( 三) 模块内部的强耦台性 从系统论的角度来看，产品是盘若干个耜互联系的予系统组成的，而摸块划分豹睡的 就是把关系密切韵子系统划分到一个模块之中。器管敞不同的角度土羲，产品各个予系统 之间的糟关程度蹩不同的，但是模块划分豹结果至少癍确像从划分者所处的角度上来看， 模块内部的各予系统其有较为密切的联系，即模块内部寿部分之问其寄强耦台褴。 ( 强) 模块之闻的桧褐台性 既然在划分过爨中关系密切的各部分被摇j 分割一个模块之中，嚣么模块之掏应该强存 在较弱的联系，即模块之间具有松耦合性。这样，在对照个产品进行系统分析时，可以暂 时忽略模块内部的联系，把模块作为一个整体来考虑，扶而简化了分析过程。 ( 五) 模块之间以接口进行连接 个模块化产品要通过各个组成模块豹协阐】二作才熊完成最终的功能。各模块在工作 过程中是相互关联的。这种关联是通过接翻来实现的。因为产鼎中的饪何一个模块在工作 过稳中端萃是完全独立的。因此，任何一个模块都必须具有至少一个接口以便和外羿进行 联系。 ：、秉角面向谖计静横块耀分具体特点如下： 在模块划分中应重点考虑产品功能方蕊的闻题，都主簧根据产品各个组成部分之阔功 能上的相关程度束进行模块划分，因为新产品开发的动力往往是用户产生了新的功能霈 求。瑶南设计的禳蛟化的主要目姻就是把可能发生变化的功能需求所对应的部分独立出 来，使褥当用户需求发生变化时，只影响到产品的某个局部，设计者可以只对逸个局帮进 行政进或重新设计而不盛改变产品的其他部分。这样。可以最大限度地利用以往的设计结 果，加恢新产品的开发速度。值得注意的是，用户对一种产品通常会有多种功能需求，两 各种功能需求是相互联系的，一种功能需求的改变往往会影响与其关系密切的其他功能需 求。因此，在西翔设计的模块划分中要尽量把这臻关系密切的功能需求所瓣虑的部分划分 到同一模块中，从而获得模块在功8 上的相对独立性。 2 2 动中邋总体方案壤块纯分折与设计 2 2 1 系统功糍需求分析 汽车、火车、舰艇等运动载体的位露和方位币断的在变化，要保持与卫星的逶讽联系 和接收卫星视频等信号，就必须采掰翌星天线稳定跟踪平台系统，班便自动跟踪地球同步 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 卫星，如通讯卫星、气象卫星、海事卫星、侦察卫星、资源探测卫星。具体来说该系统的 功能需求如下： 1 可以高速路上车载使用，以及各种水域条件下船载使用： 2 用户能够自选电视频道； 3 具有动态初始对准功能； 4 具有动态跟踪功能； 5 具有可靠的安全保障措施； 6 安装、使用、维修都要方便。 22 2 系统总体功能模块化划分与设计 根据功能需求分析的结果，动中通系统总体可以分为五个功能模块来实现，具体见图 2 2 所示： 一 稳定机构模块 二 安争保障模块 三 初始对准模块 四 陀螺标定模块 五 自动跟踪模块 一、稳定机构模块主要功能分析如下 图2 - 2 动中通系统总体模块化设计 1 俯仰范围0 9 0 。，提供限位信号； 2 方位范围7 2 0 。，提供7 2 0 。限位信号； 3 极化轴范围o 一3 6 0 。，提供零位信号； 4 能够提供绝对俯仰角度和绝对方位角度信号； 5 具有垂直和水平两个方向的隔振； 6 具有锁定装置； 7 提供陀螺安装基准面： 8 合理的电气接口：这里的主要接口有与电机驱动器接口、与码盘等位置检测装置 接口、陀螺信号接口、高频头信号接口、限位装置信号接口等。 根据以上可以得到稳定机构模块的设计如图2 3 所示。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 3 稳定机构模块化设计 二、安全保障模块主要功能分析如下： 1 电源监控：监视电源是否需要充电： ( 1 ) 当电源快接近不足时，点亮报警指示灯； ( 2 ) 当电源已经不足时，先将天线调整到锁定位置。然后关断电源 ( 3 ) 提供电源充电完成后的指示。 2 故障诊断 在上电时需要检查： ( 1 ) 陀螺信号是否正常； ( 2 ) 方位伺服是否正常； ( 3 ) 俯仰伺服是否正常； ( 4 ) 非正常时的处理方法。 3 绕线保护 ( 1 ) 记录方位转动转数； ( 2 ) 当超范围时，提供限位信号； ( 3 ) 超范围处理措施。 4 软件接口 ( 1 ) 电源监控，采用中断方式或i 查询方式与主控制c p u 联系； ( 2 ) 故障诊断放在上电时，系统自检； ( 3 ) 绕线保护利用极限保护功能实现。 其总体的设计如图2 4 所示： 第1 5 页 雕防群擎技术大学研究生院学位论文 型2 前安生保辩模块化设计 曼、韧始对准模块主要功能分析如下： 1 选择卫星参数、当地经纬度、电视接收频道( 出电视接收器选择) 2 读磁罗盘信号，获取载体姿态信息： 3 。计算初始方位角和辅仰角； 4 粗对准控制； 5 采用扫描方式( 矩形或圆锥) 实现精对准。 其总体的设计如翻2 5 所示： 匿2 - 5 轫始对准模块设计 日、陀螺标定模块生螫功能分析如下： 1 采样陀螺信号： 第1 6 页 因防科学技术大学研究生l 完学位论文 2 数字滤波； 3 + 陀螺零点拟合。 五、宣赞跟踪模块生要功耗分旖如下： 1 姿态角度计算 ( 1 ) 获取姿态辖号； ( 2 ) 零点补偿； ( 3 ) 数字滤波； ( 4 ) 数字积分。 2 位置补偿 ( 1 ) 获取实际方位角和俯仰角； ( 2 ) 位雹 偿改进型p 船算法。 3 。补偿误差 “) 动态搜索( 圆锥擅索方式) ： ( 2 ) 理想位置修正( 得到理怒位置燕) ； ( 3 ) 陀螺零点修正； ( 4 ) 极化角度修正( 远程) 。 可以得到自动跟踪模块的设计如图2 6 所示。 周2 ，6 自动跟踪模块设计 第1 7 页 匿防科学技术大学研究生院学使论文 2 2 ，3 系统总体缎戚框图 该系统从总体缝成上看w 以分为三个部分：平台结构、控制褪、电源。 1 平台结鞴：主要出机械机榴( 用于实现天线豹方位、籍伸动作) 、陀螺装置、磁罗 盘鼗鬟和一婪电器接口组成； 2 。控翻板：主要由嵌入式系统主控单元、饲服控制单元( 电机及驱动模块等) 私信 弩接收革嚣( 南天线、高额头馈源、接收枫和渡晶显承器组成) ： 3 。电源。 透过分析，可以得到系统总体组成挺围知嘲2 - 7 所示。 翻2 - 7系统总体组成穰甄 2 3 两嫩括动中遗总体方案的实现 2 ，3 + j 控制系统豹总体方寨 天线跟踪的实质是遁过稳定平台中陀螺的作用隔离载体的运动对极纯轴的影响，稳定 极化轴的空间方位，天线绕自身的转动只会影响撮化危，道过极化电机实现极化角度的补 偿，因此实现跟踪的条件是：使用舞个单自由度陀螺，使骺御陀螺与俯仰轴平行，方侥陀 螺与极化轴垂巅，然后缀成两个独立的单轴陀螺稳定装霪，即可实现爨踪。 本系缆采用“陀螺闭嚣稳定+ 耄平蹑踪”方案h 2 ，： “陀螺闭环稳定”方案选用单轴角速率传感器( 微机电陀螺) 敏感天线豹姿态变纯， 陀蠛阚嚣稳定。 第1 8 贾 篱防释 学技术大学研究生院学傲论文 通过接收g p s ! 导出载体的方位信息，使用姿态转感器敏薅载体的初贻姿态，提供视始 对准信号，将惯性角速率传感器作为电杌闭环伺摄控制的反馈元件，敏蒜载体运动过程中 天线平台在方位秤俯佃方囱的变化，通过一定的控制方式进行扑偿来保证载体运动过程中 平台的稳定，控僚0 方框图如图玉8 所示。 卜圆省匹三丑干触 强2 8 陀螺闭环稳定骧理方槲辫 但是，由于载镩特别是车辆运动的机动性强，姿态变化快，黼度大，眭及陀蝼的漂移 和伺服电机的零点漂移等诸多复杂因素的影响，仅靠陀螺自身稳定难班满足卫星通信对跟 踪精度的要求。因此在陀螺稳定的基础上还需配以电平信号跟踪环来达到高精度跟踪卫 星的鑫的，即在跟踪的罚对髓控电平信号，撮据信号强度辅以扫描，对天线指向给予相应 的调整。最终，奉系统采用7 “陀螺闲环稳定+ 电平跟踪”的方案，控制方框图如图2 9 所示： 躅2 - 9 “陀螺街筇稳定+ 电平跟踪”方案方框嗣 2 ：3 ，2 系统的总体结构 本系绕可以分为姿态与位鬣敏感器组合、嵌入式控制系统单元、偶簸控制攀元和信号 接收等单元，如闰2 i o 所示。 其中各个部分的主要功能如下： 1 机械机构：用于实现天线的方位、俯仰动作的精密机械机构： 2 伺服控制单元：由电机及驱动模块( 包括直流力矩电机、测速电机、编码盘和p 嘲 驱动器) 和极化角调整系统构成的闭环运动伺服控制单元； 第1 9 页 孺掰科学技术太学研究生院譬位论文 3 嵌入式系统主控单嚣：由嵌入式硬件平台和软件平台组成，嗣于实现地理位置壤 取、平台数学模型变换( 实现载体姿态、位藿和卫星位置数据d 平台方位、德仰数据的交 换) 和方位、俯仲伺服参数调整，并将上述参数传到伺雕控截单元； 4 信号接收单元；由天线、高频头馈源、接收机和液晶显示器级成，用于处理和显 示接收下来的视舔秘警额镶号，并为电平搜索提供电警信号。 霍二l o 蒹统的慧体结构 1 机城鳍构 天线稳定系统采用耩轴稳定跟踪井加极化调整体镯，邳天线方位和储仰角成分到赉两 个直流力矩电机驱动，完成对选定同步卫艨的对准，再搬措待接收信弩的极化方向调整极 化电机麴角度，直至收到信号。特别的，该系统材l 械皱构采用现代机械设计的直接驱动设 计思想，选用具有低速大扭矩特性的直流力矩电机，有效避免_ 其它传动方式的传递误差， 扶颟保证了机械装置的精度。 2 伺服控锚单元 经何机电一体纯产品酃肖伺服系统，它接受来自信息处理部分的信息，并完成所规定 的动作，是整体系统的重要维成都分。机电一体他系统豹萋率要求是输出量能迅速而精确 第2 。贞 菡防科学技术大学研究生院学位论文 她响应指令输入的变化，所以伺服系统也常称为随动系统或自动踬踪系统- 如c n c 机床 工作台的控制系统，天线跟踪控胡系统、杌槭手韵运动控制系统等都是典型伺服系统的例 子。 在天线稳定系统中，耀默平衡干扰力矩使其按给定规律转动的伺般系统是必不可少