自动化毕业设计卫星地面接收站天线跟踪系统毕业论文.doc

第 页 共 页本 科 毕 业 设 计自动化毕业设计卫星地面接收站天线跟踪系统毕业论文目 录1 绪论 11.1 本课题的背景意义 11.2 国内外的发展现状 21.3 未来的展望 31.4 本课题主要研究的内容 32 系统的总体方案 42.1 本次设计稳定平台方案 52.2 自动寻星方案 52.3 系统的总体方案设计 63 系统硬件的设计 83.1 微处理器模块 83.2 执行装置 103.3 陀螺 123.4 数字罗盘 143.5 光电传感器及限位器 163.6 卫星信号接收模块 173.7 电源模块 183.8 本章小结 194 系统稳定与跟踪算法 204.1 系统坐标选择与方位俯仰角的计算 204.2 自动寻星算法 214.3 稳定算法 234.4 PID及bang-bang 控制 264.5 系统算法 27第 页 共 页本 科 毕 业 设 计4.5 本章小结 285 软件的设计 295.1 系统软件的组成 295.2 系统初始化软件设计 305.3 天线自动寻星软件的设计 305.4 天线稳定伺服软件的设计 316 系统仿真 33结论 34致谢 35参考文献 36附录 A 软件程序 38附录 B 硬件电路图 38第 37 页 共 52 页本 科 毕 业 设 计1 绪论1.1 本课题的背景意义近年来，随着信息技术的快速发展，卫星在广播、通信、气象服务、环境监测、技术侦查、导航定位等方面有很重要的价值。卫星通信在科技发展的今天已经成为一种重要的通信手段。在人类生活的各个方面都得到了应用。卫星的通信有很多的优点，能传递各种类型的业务，通信容量很大，性能稳定，不受地理条件的限制，灵活机动。卫星通信技术从二十世纪九十年代以来得到了快速的发展，全球系统和区域性系统都投入了运行，并且在地质条件的勘探、抢险救灾方面发挥了重大的作用。卫星移动通信一般是指通过固定的地球站和移动站或是移动站和移动站之间进行通讯1。卫星地面站天线跟踪系统能够在地面或是汽车、船和飞机等移动载体上接收卫星信号或进行接收、发射双向通讯。卫星地面站天线跟踪系统采用遥控天线、激光制导、控制技术等技术，能够自动搜寻卫星。通过卫星在移动过程中不断的进行通讯，数据的双向传播，对电视转播、直播，语音通讯以及视频会议的远程调度都发挥了作用。同时对汽车、火车、轮船、飞机等多数移动载体都需要建立了很好的调度管理体系。但是长途汽车和火车上仍然没有普及应用移动卫星的接收系统，所以一些小型的卫星接收装置将会有很大的市场需求。这种抗干扰能力强、接收信号能力强、保密效果好的系统的关键技术在于天线有稳定跟踪手段，同时需要保证底座的牢固。这样可以在极端的恶劣条件下对卫星能进行稳定的跟踪。在通信中断的条件下，通过对卫星天线的姿态、方位角、俯仰角和极化角的调整来从新搜索和跟踪卫星2。从现有的技术水平来看，移动卫星的跟踪手段有自动跟踪和管道跟踪。其中自动跟踪依据卫星信号对天线进行闭环伺服跟踪；而惯导跟踪是通过陀螺等传感器反馈载体的变化进行天线跟踪。在实际的工作过程中将以上两种方式相结合，使天线能够跟稳定可靠地对移动卫星进行跟踪3。卫星地面站天线跟踪系统主要分卫星自跟踪系统和通信系统两部分组成，自跟踪系统能够完成对目标卫星的稳定跟踪，主要分为天线系统、载体测量、伺服系统和数据处理四部分组成。卫星通信系统的作用是实现卫星与地面接收站之间的数据传递。1.2 国内外的发展现状 随着空间技术的快速发展，卫星在各个方面得到了广泛的应用。卫星主要应用于通信服务，以增强通信的范围和灵活性，目前已成为了现代电子领域最具有发展前途的领域之一4。 卫星天线跟踪系统是一个复杂的综合体，它包含了惯性导航技术、数据采集、信号处理技术、伺服控制技术、系统工程及卫星通讯多项技术。这种自跟踪系统以自动控制技术、机电一体化为主题，是多个学科结合的产物，此技术不仅服务于大型的卫星地面站，各类的移动通讯载体上也得到了广泛的应用，同时也适用于现代化的作战武器5。从上个世纪七十年代到现代，很多的国家和组织一直进行着卫星通信的探索和研究，其中美国、日本、英国等国家一直处于领先地位。九十年代以后卫星通信开始趋于商业化，人们主要用于电视的转播和卫星与地面的通信。移动的载体卫星通信系统被称为“动中通”。动中通在军事和民用上都得到了广范的应用。俄罗斯、日本、英国、加拿大、美国等国家都对卫星通信展开了深入的研究。其中RAYSAT(TM),IMC.公司推出了全球最小的卫星电视天线，TELERAY(TM)。这种产品厚度仅为2.5CM，直径为40CM，而且具有很好的信接收效果。此外如美国的KVH公司、SEATEL公司，日本NKH公司在卫星通信的产品方面也有很突出的表现6。我国也在快速的发展着卫星通信产业，国内研究自跟踪地球站的单位有很多，其中发展最为快速的是航天科技集团的航天空间技术有限公司，这是我国最早开发VSAT的企业之一。其中的卫星天线产品先后通过了各大卫星组织的入网许可证，是我国少数能够达到CCIR580国际标准的企业之一，产品销往很多国家和地区。卫星地面站天线跟踪系统采用的是模块画的设计，能够嵌入计算机进行控制，同时采用稳定的控制系统和算法，采用军用的步进电机，可靠性，实用性和适用型很强，而且各模块易更换和检修7。总体分析，国外的产品质量高但是价格比较昂贵，国内的产品具有一定的价格优势，但是从实用角度看，实用性不是太高。现在军用的卫星通讯系统使用的都是高精度的传感器成本高，价格昂贵，不适合民用。所以对卫星地面站的研究不仅在技术推广，同时在国内的现代化建设也有很大的需求。对于该套系统而言，如何能够实现稳定的自动跟踪，同时有保证价格的优势，适合民用，这是该研究的热点之一8。1.3 未来的展望卫星天线跟踪系统发展迅猛，天线从结构上不断简化，占地面积更小，功能更齐全。在生产销售方面，更加大众化，适合民用。系统的算法更加适用极端环境，传感器的精度也随着科技发展不断加强，总体上说，卫星天线跟踪系统未来会更加适用、价格更低、功能更全、跟踪精度更高9。1.4 本课题主要研究的内容本次的毕业设计以卫星通讯稳定系统的研制为基础，基于单片机、陀螺、步进电机和各种传感器的卫星地面站天线跟踪系统的设计。本次系统的设计主要是实现自动寻星和稳定伺服跟踪两个功能，同时对系统的跟踪算法也进行了研究，在寻星的设计中加入了键盘模块，以至于更加迅速的完成寻星过程。本论文的主要内容包括以下几部分：第1章 为引言部分，主要介绍了该课题的工程背景，国内外的发展现状，对未来的展望和本论文的内容安排。第2章 为系统的总体方案，包括系统的方框图、系统的整体结构和系统的工作原理。第3章 为系统的硬件设计，主要介绍了各模块的功能、选型的依据和硬件的最终确定。第4章 为系统算法的介绍，采用智能分区PID算法对系统进行伺服稳定控制。第5章 为系统软件的介绍，主要介绍了系统主要部分软件流程图的设计。第6章 为系统的仿真部分，一个简单的局部仿真。 附件包括硬件原理图和部分程序。2 系统的总体方案作为移动式的卫星通讯系统，主要由卫星通信系统和卫星自跟踪系统两部分组成，采用了自动跟踪和信号闭环等手段，很完美的解决了卫星地面站对移动的卫星进行不间断的传递语音、图像、高频的数据等各种多媒体信息。根据这些要求对卫星天线提出了电子、结构及机械等方面的要求：（1） 精确的波束指向：在现在使用的DBS系统中，要求接收天线的增益大于32dBi;因此波束要求很窄，大概为2，需要很准确的波束指向能力。（2）卫星信号中断的预防措施：在卫星天线的跟踪系统中只要天线能够接收到信号，天线能很精准的指向卫星。如果卫星信号被周围的物体所中断时，就不能接受到卫星信号了，为了避免这种情况要利用陀螺仪保持天线指向，高速搜索后再捕捉卫星。（3）卫星天线的底座设计：要根据不同的载体有不同的方案，既要保持结构的紧凑，质量轻，同时要保证质量的可靠10。对于安装在移动载体上的卫星天线，在载体的运动过程中有六个自由度，包括三个位置坐标，三个姿态参数，会不停的变化，要稳定的对卫星的跟踪，就需要天线天线波束不断的指向卫星，对卫星的跟踪有闭环跟踪和开环跟踪两种形式：(1) 闭环跟踪：通过已经接收到的卫星信号，来对最大的功率值进行寻找，在利用各种传感器对波束进行反馈调整，已达到对卫星的控制。(2) 开环跟踪：依靠传感器对天线的位置和姿态实时检测，然后计算出天线的坐标系和姿态，从而实现控制波束指向这个方向。这两种跟踪方法各有优缺点，闭环跟踪利用接收卫星信的方式，这样浪费卫星资源，实现上比较复杂。开环跟踪，需要高精度的传感器来进行信息测量，这种方式价格昂贵。因此，在实际的工程实现中会采用两种相结合的方法，或者根据实际情况选择采用的形式11。系统采用了开环跟踪与闭环跟踪相结合的方式对卫星信号进行跟踪，横滚轴和俯仰轴采用闭环跟踪方式，方位轴采用了开环跟踪方式。2.1 本次设计稳定平台方案 天线稳定平台是系统稳定的关键结构，在载体的运动过程中，会有很多外界干扰对天线的稳定造成影响，使信号不能被准确的跟踪，因此卫星天线需要建立一个稳定平台，保证载体在空间实现稳定，即天线平台实体保持实时稳定。稳定平台的设计有机械稳定和数字稳定两种，其中机械平台的稳定性不高，而且价格昂贵。数字稳定是利用传感器及各种稳定技术，来修正载体的姿态变化的影响，数字稳定成本低、精度高响应快，但系统设计复杂。稳定天线平台的数字稳定形式有自身稳定和外部引导两种方案12。系统采用数字稳定平台的自身稳定和外部引导相结合的方案，该套方案的原理是：经过预先得到的目标卫星信息和地理位置，根据卫星的初始姿态，得到初始的对准信号；选择三个相互垂直的陀螺做为步进电机的伺服控制反馈元件，载体在运动的过程中，天线的姿态会在方位、俯仰、横滚三轴发生变化，然后通过一定的控制补偿对平台进行调整，使平台恢复稳定。本套方案不会因一些障碍物的遮挡而导致系统长时间不能正常工作，卫星信号恢复正常接收，系统通讯就能恢复。天线的机械结构平台是天线系统支撑和定向的基础，直接决定了整个天线平台的稳定。系统选用三轴天线座结构的形式：俯仰轴、横滚轴和方位轴依次排开，并且保证三轴两两垂直。横滚轴能够补偿载体运动过程中俯仰轴和方位轴的变化，使得俯仰轴与地面保持平行，这样可以很好的实现卫星天线在运动过程中的稳定。系统将俯仰、方位轴跟踪与三轴稳定结合起来，并使用高精度的传感器，保证了系统准确跟踪和实时的稳定13。系统还需要三个角速度的压电陀螺，要对三个陀螺进行合理的安装才能实现对三轴的解耦，进而进行控制。为了更好的实现对三轴的解耦和排除外界的干扰还需要三个陀螺是两两相互垂直的。其中横滚陀螺、俯仰陀螺和方位陀螺分别安装在天线底座上、横梁上和支架上。这样的设计可以是系统系统很好的对天线的进行实时控制。2.2 自动寻星的方案 系统要求卫星天线各种条件下能够自动寻星，并在寻星之后保证实时的伺服稳定，同时系统要求卫星天线对信号跟踪的精确要求该系统的方位、俯仰转动灵活自如，指向精度满足使用要求，并具有良好的跟踪性能。伺服控制的误差精度要求：0.01 o，天线驱动速度要求：0.02o/s 。要求系统满足户外工作-40+60的环境条件要求，具有防风防水等功能，能够克服扰动和位移影响，实现对通信卫星的准确跟踪。卫星的跟踪方式分为自动跟踪和程序跟踪。自动跟踪是卫星天线根据接收到的卫星发出的信标信号来自动对准卫星；程序跟踪是根据已知和预测的天线轨道信息，来驱动系统跟踪卫星。目前卫星的轨道变化太过复杂，不能准确的预测轨道信息，因此现在的跟踪方式以自动跟踪为主。自动跟踪分为步进跟踪、圆锥扫描跟踪以及单脉冲跟踪三种形式。步进跟踪方式在原理、设备的要求以及与计算机结合方面有很大的优势，所以步进跟踪得到了广泛的应用14。系统采用步进跟踪和程序跟踪相结合的方式。先通过已知的卫星轨道信息和预设的天线姿态信息通过单片机驱动系统进入主信号区，然后在采用步进跟踪对卫星信号进行精确搜索。步进跟踪采用双向搜索调整步式搜索方法，这种方式将调整步和搜索步分开，要求搜索步距大，这样步进电机驱动器的信号电平差值大，可以判断出天线波束是否正在接收卫星信号；由于调整步小，可以避免波束越过卫星，可以提高卫星的精度。卫星天线的姿态调整过大时，卫星信号会偏离天线波束，这是需要陀螺输入信号来驱动步进电机做出调整，使卫星信号重新回到主波束内15。2.4 系统的总体方案设计 卫星地面站天线跟踪系统是一个能实现自动跟踪、稳定跟踪的通讯系统，能够在各种恶劣的环境下，克服干扰，实现不间断的卫星通讯。本系统由天线机械结构、控制器、各种传感器组合驱动元件和监控计算机组成。系统的总体框图如图2.1。执行装置 图2.1 系统整体方框图俯仰步进电机 驱动器俯仰步进电机 驱动器俯仰步进电机 驱动器控制器光电 传感器俯仰角限位信号限位器限位信号三路陀螺调整信号数字罗盘RS232 卫星信号 根据系统的整体方框图可以看出，整个系统由陀螺传感器、数字罗盘、控制器、驱动电机组成了一个闭环的驱动系统，单片机接收俯仰角、限位和陀螺的调整信号，然后再向驱动器发出驱动信号；而电机驱动、控制器和AGC电平信号构成了一个大闭环，这个大闭环可以实时的对天线平台进行校正，整个系统的工作原理是先对处理器进行初始化，其次是各个模块进行初始化，天线平台的初始化，建立数字的稳定平台，自动寻星，以至系统能够进入实时稳定。2.5 本章小结本章主要介绍了系统的总体方案，包括稳定平台方案的概述，自动寻星方案的概述，硬件总体框图的介绍，软件总体流程图的介绍。3 系统的硬件设计3.1 微处理器模块微处理器模块用于输入和输出各种控制信号。控制平台直接决定了系统的稳定性，选择性能好的微处理器可以很好地提高系统的性能。本设计选择在课上学习过的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案16。图3.1 AT89C51电路图 AT89C51的特性：与MCS-51 兼容、4K字节可编程FLASH存储器、寿命：1000写/擦循环、数据保留时间：10年、全静态工作：0Hz-24MHz、三级程序存储器锁定、1288位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。AT89C51的电路如图3.1所示。各引脚功能的介绍： I/O口包括4个口，32根线。分为双向口和准双向口。双向口，单片机的I/O端口是CPU与片外设备进行信息交换的通道。为了提高接口的驱动能力，具有由场效应管组成的输出驱动器。当驱动器场效应管的漏极具有开路状态时，该口就具有高电平、低电平和高阻抗3种状态，称为双向口。准双向口，单片机I/O口的输出驱动器场效应管的漏极接有上拉电阻，该口具有高电平、低电平两种状态，称为准双向口。引脚替代功能说明P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD 串行数据接收TXD 串行数据发送 外部中断0申请 外部中断1申请T0 定时器/计数器0外部事件技术输出T1 定时器/计数器1外部事件技术输入 外部RAM写选择 外部RAM读选通 表3.1 P3 口的替代功能P0为8位双向口，P0可作为低8位地址的复用线，也可以作为I/O口使用。P1口为8位准双向口，P1为专为用户准备的通用I/O口，P2口可以作为地址线也可以作为I/O口使用，P3口为8位准双向口，可提供各种功能，也可以作为通用的I/O口使用。如表3.1所示。RST为复位输入信号，高电平有效。当振荡器稳定时，在RST引脚上施加24个晶振周期以上的高电平，将单片机复位。为外程序存储器存储器读选通信信号，低电平有效。从片外程序存储器中读取指令代码或常数时，呈现低电平外程序存储器的代码或常数便送至P0口。访问片外数据存储器时，无效。/Vpp为复用输入线，的状态决定了单片机起始执行片外程序存储器程序还是起始执行内程序存储器程序。ALE/为复用输出/输入线。ALE引脚输出的脉冲信号可作为地址锁存信号。在编程时输入编程脉冲。为重要的控制信号输入输出口。Vcc为电源电压引脚，典型值为+5V。GND为电源地。XTAL1为片内振荡器反相放大输入端。当使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部振荡器时，引脚XTAL1接收外振荡信号。XTAL2为片内振荡器反相放大输出端。当使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部振荡器时，引脚XTAL2悬空。3.2 执行装置系统要保持稳定需要电机作为执行器件，按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。按结构和工作原理可划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。按起动与运行方式可划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。按用途可划分：驱动用电动机和控制用电动机17。系统需要精确地对三轴进行调整，而且在以单片机为主控单元的系统中，步进电机更容易控制，所以选步进电机作为执行元件。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机是一个电脉冲信号可以被转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一个单或多相同步电动机。单相步进电机驱动通道的电脉冲，输出功率通常是小的，使用它作为一个小功率驱动。多相步进电机驱动与方波脉冲，非常灵活。 一般情况下，步进电机转过的角度与脉冲数成正比关系；在连续的运行中，步进电机的转速与脉冲的频率会保持一致，不会受到外界干扰的影响。步进电动机的输入为数字量，特别适合于微机控制18。 本系统的方位、俯仰、横滚电机都采用深圳市恒鑫自动化有限公司的混合式四相步进电动机，型号为86HZ118-06。它的具体参数如表3.2所示。步进电机外部接线图如图3.2所示。规格参数绝缘电阻：100Mmin，500VDC步距精度：5%机身长：65mm引线数：8电阻：14转动惯量：780g/重量：1.2kg耐压：500VAC温升：75C步距角：1.8静力距：1.5N.m电流：3.5A电感：3.8mH定位力距：0.2kg/cm表3.2 步进电机的规格参数图3.2 步进电机外部接线图 本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，系统采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，通电电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003是大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。ULN2003的设计与标准 TTL系列兼容。它的引脚连接图如图3.3，步进电机与驱动器的连接图如3.4所示。图3.3 ULN2003的管脚连接图图3.4 步进电机与驱动器连接图俯仰轴步进电机横滚轴步进电机方位轴步进电机3.3 陀螺 为了保证系统姿态稳定，同时能过实现控制器对系统的实时控制，系统采用陀螺作为信号输入器件，保证系统的伺服稳定。陀螺仪是一种利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。表明陀螺主要用于飞行指令，作为驾驶和导航工具。陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且它们可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。陀螺原理就是一个旋转物体的旋转轴的方向指不受外界影响，是不会改变的。陀螺在工作中给它转速，让它旋转得快，通常可以达到每分钟转速几十万，它可以长时间工作。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统19。系统采用的是美国公司的HORIZON系列的微机械角速度压电陀螺。Horizon 系列陀螺仪是基于压电式陀螺原理制作的，是一种可靠性高、结构紧凑的固体角速度惯性传感器。它的测量元件为单片震荡石英，它的输出值是一个05V的电压，同时还需要一个2.5V的参考电压。这种压电材料的陀螺，无需较多的有源元件，温度稳定性提高。三轴陀螺的具体参数如表3.3。规格参数标准范围：90/s范围输出电压：0.54.5V重力敏感器：0.06/s/g长期倾斜稳定性（1年）：1.0/s输入电压：+815VDC范围输出电压：+0.5+4.5vdc启动时间： 1.0s带宽（-90）：:18HZ偏差标准温度斜线刻度：4.5/s短期倾斜稳定性：0.05/s输入电流：20MA偏移量标准温度比例因子刻度：0.08%/C表3.3 三轴陀螺的规格参数陀螺仪产生的信号为模拟信号，但是单片机只能识别数字信号，所以在陀螺仪和单片机之间进行转换。本次设计中采用ADC0808模数转换器进行信号转换。ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换20。ADC0808的引脚图如图3.5所示，陀螺、ADC0808转换器和单片机的电路图如图3.6所示。 图3.5 ADC0808 引脚图 AT89C51 图3.6 ADC0808与单片机连接图陀螺仪3.4 数字罗盘 在载体运动的过程中，外界会对系统产生干扰，天线的平台会有产生偏差，为了克服偏差需要引进数字罗盘，同时数字罗盘还能位系统提供水平基准，在天线伺服控制中数字罗盘能补偿陀螺产生的系统误差。数字罗盘，也叫电子罗盘,是利用地磁场来定北极的一种方法。传感器技术的发展，促生了磁阻传感器和磁通门技术，在数字罗盘保持水平方面，工程师在该装置上加上了倾斜传感器，通过数字补偿量保持数字罗盘水平。典型的数字罗盘往往有以下特点: 三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。高速高精度A/D转换。在数字罗盘内安装有温度补偿装置，这就有效保证了指向角和偏移角保持相对稳定。内置微处理器计算传感器与磁北夹角，输出RS232格式数据帧。可选RS485和RS422输出。具有简单有效的用户标校指令。具有指向零点修正功能。外壳结构防水，无磁21。 随着微电子集成技术以及加工工艺、材料技术的不断发展。数字罗盘的研究制造与运用也达到了一个前所未有的水平。目前数字罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面数字罗盘和三维数字罗盘,也可以按照传感器的不同分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器。 系统采用HMR3000数字罗盘，HMR3000是Honeywell公司的产品。它采集了航向、俯仰、横滚数据提供给导航定位系统。HMR3000包含三个磁阻传感器和一个双轴的液体横滚传感器，微处理器控制传感器的测量顺序，控制器操作的参数存储在EEPROM中，采用RS232接口，与单片机进行实时通讯12。HMR3000的主要参数如表3.4所示。HMR3000与单片机相连接需要通过RS232进行串接，才能实现采集处理信息的功能，电路原理图如图3.7所示。HMR3000的技术规格输入电压：+515VDC分辨率：0.1主板尺寸：83mm*25mm*22mm波特率：19.2KB/s响应时间：0.1s功率：25mA倾斜：45接口方式：RS232输出格式：NMEA0183电流：30mA表3.4 HMR3000主要性能参数 AT89C51 TXDRXDT1INR1OUTT1OUT R1IN 数 字 罗 盘图3.7 HMR3000电路连接图3.5 光电传感器及限位器为了实现对系统的俯仰角限位，还采用了光电传感器。光电传感器的工作原理是借助被检测物体对红外线的反射或遮光，根据同步回路的选通、截断检测物体的有无。本系统将光电传感器的遮光片安装在俯仰轴上，其限位线安装在与俯仰轴垂直的位置，在俯仰轴转动的过程中，光电传感器会与遮光片发生相对运动，以此检测信号，实现对俯仰角的限位作用。在步进电机的控制中，选用电位器作为位置反馈信号。电位器的原理是通过齿轮代替带动可调电阻，使输出电压改变，从而实现对角位置的检测，电位器的输出的电压范围是0+5V22。光电传感器采用比杜克的FM12-T02N-P31P2光电传感器，如图3.8所示，限位器选择上海久菱船舶有限公司的PH82007限位器，如图3.9所示。光电传感器和限位器的连接图如图3.10所示。 图3.9 限位器 图3.8 光电传感器 图3.10 光电传感器和限位器的连接图光电传感器AT89C51限位器P2.43.6 卫星信号接收模块 系统的关键部分在于接收卫星信号，对卫星信号要进行精准的识别才能达到系统的功能，同时该卫星信号还作为一个参考输入信号，驱动步进电机实时补偿系统误差。卫星信号为高频信号，首先需要高频头对馈源接收到的卫星信号进行降频放大。高频头使用卫星接收机的电源。接收到的电磁波有垂直和水平两种极化方式。地面接收站天线的极化定义是与地平面为基础的，天线馈源矩形波导口窄边与地面平行，电场矢量与地平面平行，定义为水平极化；同理，馈源矩形波窄边导口垂直于地面的称之为垂直极化。 系统选用卫星接收机输出的AGC信号作为跟踪参考信号。卫星接收机提取电波信号的AGC的系统结构图，如图3.11所示23。LNA天线分路器LNB 电视接收机信号处理电路给通信图3.11 获取AGC信号图中的LNA为低噪声放大器，LNB为电视下变频放大器。电视接收机在波束中心附近输出一个与天线方向成比例的AGC信号，再经过AD转换电路，可以向控制器提供跟踪信号。系统采用百盛PROSAT-5600数字卫星接收机。卫星信号接收模块的电路图如3.12所示。AT89C51 图3.12 卫星信号接收器与单片机连接图接收器3.7 电源模块 系统由多个元件、模块组成，需要3种不同电压的直流电源供电。首先是步进电机驱动器，需要24V的电压，其次测姿系统需要5V电源供电，微处理器模块需要3.3V电源供电、系统的主电源采用明纬公司生产的S-150-24开关电源，其直流输出电压为12V,额定输出电流6.5A,采用集成稳压芯片7805将电压从12V转化为5V，具体电路如图3.13所示。图3.13 5V转换电路在测姿系统中电源主要应用在三个部分：一部分是给传感器供电，一部分是给放大滤波电路供电，最后一部分是给单片机系统供电。其中陀螺和信号调理电路都需要12V电压供电，而通讯模块MAX232芯片供电电压为3.3V。5V电源由7805转换获得，使用AMS1117-3芯片将5V转换为3.3V电压，电路图如图3.14所示。+2.5V的参考电平通过LM336-2.5V稳压管获得，如图3.15所示。图3.14 5V转换3.3V电路图3.15 +2.5V转换电路 3.8 本章小结 本章主要介绍了系统硬件的选型和电路原理图的设计，包括执行器件，驱动器件，数字罗盘，传感器，接收器，单片机及电源模块的具体参数介绍和选型。4 系统稳定与跟踪算法 4.1 系统的坐标选择与方位俯仰角的计算4.1.1 系统参考坐标系的选取 天线的指向需要有特定的参考坐标，因此在算法的设计中，需要确定天线的地理坐标系。地理坐标系OXgYgZg的坐标原点O选在卫星地面站的重心处，OZg轴与地球的中线重合，地理坐标定义为g系24。如图4.1所示。 图4.1 地理坐标系OXgYgZg 4.1.2 天线方位角和俯仰角的计算 天线的视角包括天线指向相对地理坐标系的俯仰角和方位角。地理坐标系中的方位俯仰角计算，由于所需对准跟踪的同步卫星所在位置为赤道上空，纬度为零，因此，卫星与地面接收站的距离为： （4.1） 公式：。其中，地面距地心的距离为R（R=6378km），卫星的高度为H，。其中分别为当前所在地经度、卫星纬度和所在地纬度。天线在地理坐标系下的俯仰角为： （4.2）将H=35786km，R=6378km代入式（4.2），可简化为 （4.3） 接收点P和赤道上空卫星的S间的连线与水平的夹角为方位角，接收点中看，指向位于赤道上空的卫星和指向地面天线是一个方位角。有，换算之后为： （4.4）系统控制天线的俯仰角和方位角的角度大小与卫星相对于天线所在的地理坐标系的俯仰角和方位角相同时，可以视为天线跟踪到了卫星。因此载体天线跟踪卫星时的目标角度为俯仰角和方位角。从以上的分析可以得出，只要给出载体相对于地理坐标系的姿态角，就能求出天线指向的目标角度、，并将它们提供给控制系统，对天线指向进行开环控制。天线的指向相对于载体坐标系的俯仰角和方位角是可以由角度传感器检测到并由控制系统控制的25。4.2 自动寻星算法在移动卫星的天线跟踪中，系统完成的寻星、准确对星和快速的跟踪，需要一个好的跟踪算法。系统跟踪算法的优劣直接影响着整个系统的性能，所以对系统算法的研究也需要格外的重视。系统采用步进跟踪和程序跟踪相结合的方式，从而实现系统对卫星实时快速准确的跟踪。4.2.1 程序跟踪程序跟踪的原理就是通过已测得或是已知的地理信息、目标卫星信息和天线的姿态信息，经过数学转换得到俯仰电机和方位电机需要转动的角度，从而控制步进电机处于一个预定的范围。程序控制属于开环控制，传感器的精度和姿态等信息解算的精度直接影响这它的性能26。4.2.2 步进搜索与跟踪 步进跟踪的天线运动方式有搜索步和调整步两种形式。搜索步和调整步配合进行，搜索步确定方向，经调整步向这个方向运动一步。在实际工作中需要多次的搜索步后，调整步的运动方向才能确定。方向确定之后，即搜索步结束，天线回到原位置，这时调整步工作，使天线往确定的方向转动一步。调整步不会像搜索步那样转动后再回到原位置，而是转动之后保持在动作之后的位置，天线的调整步转动一步后，一个工作周期结束。系统采用双向搜索等调整步式步进跟踪体制以提高跟踪的精度。双向搜索等调整步式的步进跟踪巧妙地分开了搜索步和调整步，并将两者的步距比设成了8:1，这种形式的跟踪精度和灵敏度都得到提高。在工作流程图中，P是工作轴的标志位，P=0时转动俯仰轴的步进电机，P=1时转动方位轴的步进电机；m1和m2分别表示天线在第一和第二位置接收的AGC电平信号，比较值a=m1-m2。卫星信号搜索过程为：先启用方位轴电机，使其在待命状态，然后进行搜索步，方位轴步进电机顺时针转动4步，并且取此位置的AGC信号的电平数值存于m1，接着方位轴步进电机逆时针转动8步，将此位置的AGC信号的电平值存于m2,计算出=m2-m1,接着将的值与采样电路的值进行比较，当，在a0时，步进电机顺时针走5步，否则顺时针走3步。方位轴调整结束后，P值取反，对俯仰轴进行调整，调整方法同上。方位轴和俯仰轴依次调整结束后，再进一次进行对方位和俯仰轴的搜索和调整动作。采集的信号电平值大于AGC电平，说明天线已经接收到了卫星信号，搜索结束27。工作流程图如图4.2。初始化数据P=1取AGC信号AGC大于门限阀值正向走4步取AGC信号存于m1反向走8步m1-m2a a0正向走3步 P取反正向走4步正向走5步取AGC信号存于m2进入步进跟踪退出进入稳定伺服 图4.2 步进跟踪流程图NYNNYY4.3 稳定算法4.3.1 横滚轴的控制方法 横滚系统是系统稳定的基础，横滚系统保证了天线俯仰轴和俯仰陀螺与水平面平行。横滚陀螺输出的角速度和水平仪输出的横滚倾斜角为横滚系统所需要的传感器信号。横滚步进电机的转动轴与水平面平行。横滚系统稳定伺服控制框图如图4.3所示。 在卫星天线的安装过程中，将天线俯仰轴与水平面平行安装，横滚的转动轴与横滚陀螺轴线安装在同一轴上，横滚轴检测到的角速度就是横滚系统的补偿角到横滚系统转动轴上的补偿量28。 横滚指令 控制器驱动器 横滚系统 1/S横滚输出 水平仪步进电机 横滚陀螺 载体扰动图4.3 横滚系统控制框图 横滚系统采用前馈补偿的控制方式，以保证方位和俯仰陀螺不会受到横滚步进电机的影响。根据陀螺检测出的角速度和横滚控制系统中每个周期的为,计算出每个周期的补偿量为，步进电机步数为。步进电机是以数字信号来驱动的，简化驱动器与步进电机的前向通道，简化前馈补偿。陀螺和水平仪的结合使用可以是系统能够高精度且快速的稳定。同时卫星天线的横滚系统的稳定，使得俯仰轴和陀螺轴线平行地面，有效地保证俯仰系统的稳定28。4.3.2 俯仰轴的控制方法俯仰系统的稳定直接关系到了俯仰指向不会发生变化。俯仰陀螺的角速度和水平仪俯仰倾斜角为俯仰系统接收到的传感信号。通过俯仰陀螺检测到的角速度作为俯仰系统的补偿量，因此在一个周期内俯仰角位置的补偿量为：，驱动步进电机的步数为：。俯仰系统采用与横滚系统相同控制方法，将的值反馈给系统，驱动步进电机完成前馈补偿，与此同时利用水平仪对系统进行前馈补偿28。俯仰系统的稳定控制框图如图4.4所示。 俯仰指令 控制器驱动器 俯仰系统 1/S俯仰输出 水平仪步进电机 俯仰陀螺载体扰动图4. 4 俯仰系统控制框图4.3.3 方位角的控制方法图4.5 方位系统控制框图 方位指令 控制器驱动器 方位系统 1/S方位输出方位陀螺步进电机载体扰动 方位系统的稳定直接关系到了卫星天线的空间方位指向不变。天线底座上的方位陀螺为方位系统提供传感信号，陀螺的轴线平行于电机的转动轴。从结构上看，俯仰和横滚电机的运行不会产生俯仰、横滚陀螺的输出，因此系统可以通过前馈补偿抑制扰动干扰。但是，方位陀螺需要检测出载体方位的加速度和自身转动的加速度，所以方位系统的稳定要采用方位陀螺输出为反馈的闭环控制21。控制系统的框图如图4.5所示。外部扰动和方位电机转动引起的方位空间指向的变化为,方位陀螺的采样周期为TA=5ms，方位系统稳定要保证方位空间指向不会改变，要保证，方位系统具体的控制流程图，如图4.6所示。采用方位陀螺速度输出方位空间的指向变化量调用bang-bang和智能分区PID相结合的思想得出步进电机速度目标值V由V得出TimerB的定时周期t驱动步进电机走步设置TimerA，定时长度TA定时器TA到了吗 ?图4.6 方位系统控制流程图 NY 系统采用步进电动机进行调节，可以实现方位系统进行精确地调速，为了能够较好的实现对系统的精确，快速调速，系统采用智能分区PID控制。4.4 PID及bang-bang控制4.4.1 PID控制 PID控制具有很强的实用性，这种控制不仅可以再各种条件下运行，同时简单易用。PID分为比例、微分、积分三部分。它的输出与输入的关系为： （4.12）其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。比例环节可以成比例的反映出系统的偏差信号，偏差产生的同时，控制器就发挥作用，消除偏差。积分环节主要是为了消除静差，积分环节的控制强弱与时间常数Tl有关，Tl越小，积分作用越强，反之，越弱。微分环节主要是反映出系统偏差的变化程度，当偏差过于大时，该控制器会提前引入一个修正信号，是系统快速动作，有效地减少了调节时间。 在现实应用中的伺服控制系统中，在跟踪高速运动的信