（机械电子工程专业论文）移动载体稳定跟踪平台测控关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 一 2 口口 z z i 一 摘要 稳定跟踪平台是惯性技术应用的重要领域之一 其中天线稳定技术以其广泛的应用前 景成为稳定跟踪平台研究的一大热点 稳定平台的核心问题是载体姿态测量和控制技术 本文以车载卫星电视接收系统为背景 主要研究基于微机电惯性元件的天线稳定平台的姿 态测控技术 车载卫星电视接收系统采用方位一俯仰型两轴天线稳定 通过微机电陀螺构成闭环控 制 两个单轴微机电陀螺分别与天线的方位轴和俯仰轴相联系 感受出由于载体的姿态变 化引起的在惯性空间的姿态变化 然后通过一定的控制方式使天线的指向在惯性空间保持 不变 通过圆锥扫描方式补偿误差 建立实质上以信号强度构成反馈的闭环控制系统 该 系统经过大量试验 效果良好 达到了预先设计要求 论文首先介绍了课题的来源 研究意义 目前国内外相关技术研究现状以及课题主要 研究内容 对天线稳定原理进行了较详细的研究和介绍 然后介绍了系统总体方案和系统 结构 论文论述了天线速度伺服系统和微机电陀螺的模型辩识 并分析了方位 俯仰电机 的动静态特性 对陀螺闭环控制系统进行了仿真 详细介绍了电平跟踪圆锥扫描的算法以 及实际运行中和初始对准 移动跟踪的结合 最后给出系统的试验总结报告 测试了系统 性能 并提出了系统需要进一步改进的内容 关错词 卫星天线 稳定跟踪平台 姿态监控 微机电陀螺 圆锥扫描 极化电平 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 2 l 目日 z j e a b s t r a c t s t a b i l i z a t i o na n da u t o m a t i cp o i n t i n ga n d t r a c k i n gp l a t f o r m p t p i s a 1 1i m p o r t a n tf i e l da m o n g t h ea p p l i c a t i o n so ft h ei n e r t i a l t e c h n o l o g y a n db e c a u s eo fi t sb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d a n t e n n as t a b i l i z a t i o nh a sb e c o m eah o t s p o to fs t a b i l i z a t i o na n da u t o m a t i cp t p t h ec o r eo f s t a b i l i z a t i o n p l a t f o r mi s t h ea t t i t u d em e 删e m e n ta n dc o n t r o lo ft h ec a r r i e r t h et r a d i t i o n a l s t a b i l i z a t i o np l a t f o r mb a s e so rs e c o n d a r yp l a n e tt e l e v i s i o ni n c e p t i n gs y s t e mf i x e do nc a r u s e s m e c h a t r o n i c so rp h o t o e l e c t r o n i c a li n e r t i a ls e n s o rc o m p o n e n t s e c o n d a r yp l a n e tt e l e v i s i o ni n c e p t i n gs y s t e mf i x e do nc a ra d o p t sa z i m u t h p i t c h i n gm o u l d t o r e a l i z et h es t a b i l i z a t i o no fa n t e n n a b yu s i n gm e c h a t r o n i c st of o r mc l o s e dl o o pc o n t r o lm o u l d t h e t w os i n g l e a x i sm e c h a t r o n i c sa r ec o n n e c t e d v i t lt h ea z i m u t ha n dp i t c h i n gs e p a r a t e l y i no r d e rt o a c q u i tt h ea t t i t u d ec h a n g e o f c a r r i e ri ni n e r t i a ls p a c eb e c a u s eo f t h ea t t i t u d ec h a n g eo f c a r r i e r t h e n m a k et h ep o i n to fa n t e n n au n c h a n g e a b l eb yu s i n gs t a t e dc o n t r o lm o u l d t h ee r r o ri sc o m p e n s a t e d t h r o u g hc o n i n gs c a n n i n gc o n t r o l a r i t h m e t i c t h u st h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi sf o r m e d s u b s t a n t i a l l y t h e f e e d b a c ko ft h e s y s t e m i st h ei n t e n s i o no fs i n g a l t h i s s y s t e mh a s b e e n d e v e l o p e dm a n ye x p e r i m e n t s t h e r e s u l th a sb e e n p r o v e d t ob eb e t t e ra n db e t t e r t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eo r i g i no ft h ep r o j e c t r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e r e l a t e d t e c t m i c a ls t a t u sa n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a n di n t r o d u c e si nd e t a i l st h es t a b i l i z a t i o np r i n c i p l e o fa t e n n a n e x t l yt h e p a p e ri n t r o d u c e s t h ec o l l e c t i v eb l u ep r i n ta n ds t r u t u r eo ft h es y s t e m d i s c u s s e st h em o d e li d e n t i f i c a t i o no fa t e n n av e l o c i t ys e r v os y s t e ma n dm i c r o m e c h a t r o n i c sg y r o a n a l y z et h es t a t i c d y n a m i ci d e n t i t yo f a z i m u t h p i t c h i n ge l e c t r o m o t o r s i m u l a t et h em e c h a t r o n i c s c l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m t h e ni n t r o d u c ei nd e t a i l st h ec o n i n gs c a n n i n gc o n t r o la l g o t i t h m sa n d t h eu n i t i o nw i t ht h ez e r o t r a c ki nf a c t f i n a l l y g i v e st h ee x p e r i m e n t s r e s u l tr e p o r to ft h es y s t e m p r o x e si t sf e a s i b i l i t y a n dc o m e s o u tt h ec o n t e n tt h a tn e e d i n g m e n d i n g k e y w o r d s s a t e l l i t ea n t e n n a s t a b i l i z a t i o np l a t f o r m p o i n t i n ga n dt r a c k i n g a t t i t u d em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l m i c r o m e c h a t r o n i c sg y r o c o n i n gs c a n p o l a r i z a t i o ns i g n a l 一 一 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果 也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目 壁邈惑签整崖避壁 壹趔控差缝挂盔盟塞 学位论文作者签名 至笙i 日期 如a 年1 1 月 f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留 使用学位论文的规定 本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档 允许论文被查阅和借阕 可以将学位论文的全部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 汇编学位论文 保密学位论文在解密后适用本授权书 学位论文题目 整边戴签整塞堡盛垩佥型撞差链揎苤丛壅 学位论文作者签名 立桩责 作者指导教师签名 益墨堕 日期 沙0 3 年1 1 月i 亨日 日期 哆年 7 月旷目 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 一 2 2 2 2 2 2 2 2 2 j j 2 5 一 第一章绪论 1 1 课题研究的意义及来源 1 1 1开展天线稳定跟踪平台研究的背景 稳定平台是用来使被稳定对象 如瞄准具镜头 火炮炮身 通信和雷达天线等 相对 某方位保持稳定的装置 其特有的功能是隔离被稳定对象安装基座的角运动使其不受影 响 主要特征是广泛采用陀螺作为角运动敏感元件 所采用的技术手段归于惯性技术研究 范畴 现代战争的一个特点是要求部队高度的机动性 要求部队能在行进间进行通信联系 实明部队 动中通 坦克 装甲战车 自行火炮等地面作战平台 军舰 征用民船 各 种舰艇等海上作战平台 要具备运动间稳瞄 跟踪 射击能力和对我军 友军 敌军位置 的即时感知能力 这种作战样式要求作战平台具有稳定 跟踪和导航能力 即能不断测量 位置的变化 准确确定当前的位置 精确保持动态姿态基准 而且 在许多军事装备上 如机载合成孔径雷达的运动补偿 红外传感器的稳定 车载和舰载卫星通信天线的稳定 舰载雷达波束的稳定 也需要精确的传感器平台姿态信息 除此之外 远洋舰船移动卫星 电视接收系统 也是移动跟踪平台的典型应用 稳定跟踪平台由于能隔离载体 战车 导 弹 机 舰船 的运动 对目标进行自动跟踪 所以在现代武器系统中得到了广泛的应 用 民用方面 对于高性价比的移动卫星通讯系统 国内市场也有强烈的需求 比较突出 的如 大型轮船的移动电视接收 豪华客车的移动电视接收 铁道部数字化列车规划中客 车的移动卫星通信 电视接收 网络接入系统等 历届奥运会上的一些运动员反映 在从 宾馆到比赛场馆路途的大巴上 看不到当时的体育比赛实况 深感遗憾 如果在豪华客车 上安装有移动卫星电视接收系统 那即将为2 0 0 8 年北京的科技奥运增光添彩 目前一些 新闻采访车都还在使用固定方式转播节目 特别不适宣战地记者实况采访 实况转播 如 果有了移动接收卫星电视的天线跟踪系统 只须增加收发双工器 就能实现实时采访 实 时转播 增加新闻的时效性和真实感 十五 期间 我国将成为大型豪华客车的生产基 地 世界各大豪华客车厂商已经进入中国市场 但它们的客车上都还没有配备移动卫星电 视接收系统 只能观看光碟 这是一个很大的潜在市场 这种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 能否很好的隔离载体 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 什下保证天线始终高精度的对准卫星 实现连续卫星通讯 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 一 2 2 2 2 2 2 2 3 目 j 自口 2 从1 8 5 2 年傅科首先将高速旋转的刚体称为陀螺起到现在 陀螺技术的发展已经过去 了1 5 0 年的历史 陀螺的概念也从传统意义上的精密机械装置发展成了以光电技术为核 b 的纯光电惯性测量器件 如激光陀螺和光纤陀螺 和以微电子技术为核心的半球谐振陀螺 石英葺叉陀螺等新概念陀螺 因而惯性技术的研究领域出现了全新的内容 二次世界大战后 随着武器系统性能的不断提高 对惯性技术的要求越来越高 惯性 技术芒e 武器系统中的作用越来越大 已成为现代武器装备中的 项关键支撑技术 在现代 高技术战争中已显示出其强大威力 其作用将是不可替代的 本项目正是着眼于陀螺技术和惯性技术的最新发展 以及多种武器装备对稳定平台的 强烈需求而提出的 目的是研究基于微机电陀螺的稳定平台的若干关键技术 为高精度 高可靠性 低成本的稳定平台的快速研发提供技术储备 1 1 2 开展天线稳定跟踪平台研究的意义 天线稳定跟踪平台技术集惯性导航技术 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 卫星通讯技术和系统技术等多项技术于一身 是以机电一体化 自动 控制技术为主题 多个学科有机结合的产物 从事该技术的研究能够将我们控制理论应用 研究的领域从实验室条件下的机床控制技术研究拓展为对野战条件下的武器姿态控制技 术研究 无疑 这具有很大的军事 民用前景和实践意义 本课题研究的主要意义在于以下几个方面 1 获得关于微机电陀螺有关特性的第一手资料 包括其动静态精度 长短期误差模 型 信号处理算法和零点漂移补偿算法等 通过我们广泛的技术调研发现 国内关于包括 微机电陀螺在内m e m s 技术的综述性论文很多 但对于其实际应用的例子提及的相当少 希望通过我们的研究可以填补这项空白 2 对使用微机电陀螺的两轴和三轴稳定平台的稳定原理和具体控制算法形成系统的 理论 研究发现 对使用传统的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 但使用微机电速率陀螺作为角速度敏感元件的间接式陀螺稳 定装置的很多问题还没有得到充分的认识和研究 本项目的研究正是要解决这个问题 3 利用相关控制算法的研究成果指导稳定平台机械部分的设计工作 一体化设计是 个概念被广泛提及但实施起来相当困难的工作 在综合多种环境模型和系统设计指标的基 础上 希望我们可以用提出来的伺服系统模型来指导机械设计 从而降低成本 减小体积 和增加可靠性 1 13 课题的来源和研制过程简介 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 j 一 第2 页 一一一垦堕堑耋丝查奎兰丝窒圭堕兰堡丝圣 限公司合作开发的 移动载体卫星通讯 电视接收系统 该课题从2 0 0 0 年上半年开始调研 立项 于2 0 0 0 年7 月份开始启动 2 0 0 1 年元月份 机械本体部分设计完成 至2 0 0 1 年6 月份完成硬件调试和平板推车试验 初步完成初始 对准和短时间跟踪 2 0 0 1 年8 月份完成装车 至2 0 0 2 年6 月份进行了大量的车载试验 试验结果不是很理想并暴露了大量的问题 针对试验过程中出现的陀螺漂移 系统原理误 差和可靠性方面的问题 提出了很多具体的改进办法 如硬件电路重新规划和设计 陀螺 信号处理电路的设计和软件处理方法的研究 系统的运动学 动力学分析和原理误差研究 电平跟踪圆锥扫描理论研究和仿真等 在进行了大量卓有成效的工作之后 课题步八了健 康发展的轨道 并于2 0 0 3 年3 月完成装车 2 0 0 3 年5 月份完成了原理样机的研制工作 1 2 文献综述 1 21 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 研究单使羊 大公司关注的热点 各单位也进彳亍了大量卓有成效的工作 如稳像技术 稳瞄 技术 精确制导炸弹的末制导技术 红外和可见光跟踪装置的发展等 目前 稳定卫星天线的基本方法有五种 l 用卫星信号的强度随天线指向误差增大而减小的特征 不断搜索 使天线保持在 正确的方向上 即信号最强处 这种方法增加的设备最少 因而成本低廉 但由于天线 波瓣极窄 加之机械搜索速度较慢 很容易丢失信号 而且一旦丢失信号 重新捕获时间 也较长 因而不实用 2 采用单脉冲跟踪天线 也是利用多路卫星信号强度的和差关系 在短时间内判断 出天线指向的偏差 这种卫星天线稳定系统的精度和速度均很高 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具有普遍意义 3 利用惯性姿态测量系统建立一个坐标基准 当地水平坐标系 控制伺服系统使 天线稳定在当地水平坐标系中 使之不受载体运动的干扰 这种系统称为捷联式陀螺稳定 系统 这种方法稳定性能较好 不易丢失信号 即使丢失 也可以快速找回 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 利用大型舰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 变换和误差补偿以后发送给天线伺服系统 这种系统结构比较简单 但受载体提供的信号 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 辅以电平信号极大值跟踪 修 正陀螺漂移 提高跟踪精度 该种方法的频响和精度均较好 价格适中 是比较理想的一 种方案 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 2 目4 j z 一 下面我们简单介绍一下国内已有的比较典型的卫星天线和瞄准线稳定系统 一 基于激光陀螺捷联惯导组合的天线稳定系统 该系统是由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 i n s 的数学平台给出天线相对于地理坐标系的控制信号 使天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 采用l i n s 的经纬度信号控制天线运动 排除了机座的线运动干扰 同时系统中还有辅助 的自动极值搜索控制 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星的 信息可以校正导航系统中的陀螺因长时间工作引起的漂移 应用l i n s 组成的移动卫星通信天线稳定系统如图1 1 所示 系统以l i n s 为主 同 时也安装了g p s 以提供l i n s 初始对准信号以及计算卫星的初始位置 并作为组合导航 的信号 该系统基本上是通过l i n s 提供的姿态信号经过坐标变换以后将天线的指向角前 馈于天线伺服系统 相当于不断完成的初始对准 对于陀螺漂移的修正 该系统利用组合导航系统的输出和天线俯仰轴和方位轴上的角 度传感器输出来修正天线矢量和系统误差 并通过极值搜索控制来提高整个系统的精度 卫星2 卫星天线接收机及控制器3 伺服放大器及伺服电机4 天线5 激光陀螺惯性导航系统 6 g p s7 自动极值搜索控制p 俯仰角r 横滚角h 方位角 经度妒 纬度 图1 1应用l 1 n s 组成的移动卫星通信天线稳定系统 s 信号1 接收头2 天线接收器3 选频滤波器4 鉴相5 信号处理 6 调制及放大7 扫描信号发生器8 伺服电机 图1 2 一路扫描控制组成方块图 一 一 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 e 厂 fj v 一 l l 1 1 1 l 一 图1 3 扫描控制原理圈 亥系统设计的极值搜索控制是一种螺旋收敛型圆锥控制 它是由时间上成正交的两路 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最小 其中 路的方块图组成和原理说明图如 图i 一2 和图1 3 所示 二 基于国产微机械传感器的卫星电视天线稳定系统 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 所有数据处理和控制功能由一个嵌 入式工控机完成 如图1 4 所示 图1 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 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 一 一 第5 页 型兰竺查奎兰堑塞皇堡童堡垒塞 夭缱姿 态措令 搜虫指令 图 5 天线姿态稳定系统工作原理 三 基于压电速率陀螺前馈控制的光电视轴稳定系统 1 该电视跟踪设备视轴稳定控制系统采用测速机作为速度反馈 编码器作为位置反馈 并将船摇扰动经速率陀螺检测前馈于速度回路 工作原理框图如图1 6 所示 b 图1 6 视轴稳定系统框图 将2 个速率陀螺 其中 个是单自由度 另一个是双自由度 分别安装在电视跟踪仪 的底座和转盘上 使其分别测量因船体摇摆引起的附加方位 高低和水平轴倾侧方向的速 度 由于速率陀螺直接安装在测量轴的方向上 可直接测量因船体摇摆在方位 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 式结构简单 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 和高低测速机是解祸的 因此这两部分信号的作用与复合系统的前馈控制是相当的 四 基于平台罗经和单片机的船用卫星天线自动跟踪系统 1 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室开发了 套船用卫星电视天线自动跟 踪控制系统 该系统通过一块专用的8 9 c 5 1 单片机插卡实时监控舰船罗经 g y r oc o m p a s s 的信号 通过a d 5 7 4 数模转换器采集仰角 方位角和a g c 信号 经过坐标变换后区东电 机旋转 系统框图如图1 6 所示 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一j 目口 t 2 j i 一 图1 6 系统框图 五 基于动力调谐陀螺仪的机载视轴稳定跟踪伺服系统 1 系统结构如图1 7 所示 系统由稳定回路和跟踪回路构成 图1 7 视轴稳定跟踪伺服系统结构框图 稳定回路采用动力调谐陀螺仪 d t g 作为惯性位置敏感元件 它检测出红外模拟器 稳定平台方位和俯仰轴由于飞机角运动扰动产生的角误差 并通过陀螺仪信号传感器和处 理电路产生相应极性和线性比例的误差电压 该误差电压通过速度控制器在d c 力矩电机 轴上产生反作用稳定力矩 从而实现红外模拟器视轴扰动抑制 保持在惯性空间的相对稳 定 跟踪回路采用红外成像c c d 阵列传感器作为位置误差检测器 其视场为7 2 0 x 54 0 一 一 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 采车葶频率 h z s e c 1 0 采用2 l 位光电角度编码器 分辨率2 角秒 作为输出轴位置测 量元件 系统在捕获工作方式下 由计算机程序引导或由外部引导 如雷达或激光告警装 置 通过角度编码器位置反馈形成位置闭合回路 实现红外模拟器的搜索和捕获 一旦捕 获住目标和引导它进入红外模拟器视场之后 立即转入红外自动跟踪工作方式 目标图像 在红外c c d 阵列传感器上产生的视频信号经过红外c c d 信号处理器跟踪算法 如形心跟 踪 相关跟踪 边缘跟踪 处理之后给出方位和俯仰角误差信号 它们经过位置控制器校 正补偿 控制目标图像始终在红外c c d 阵列传感器的视轴附近的角跟踪精度范围内 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得到了广泛的 应用 如美国的m l 坦克 英国 挑战者 坦克 俄罗斯t 一8 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 英名叉陀螺 研制如v 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 公司研制了以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 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 公司研制的自行榴弹炮组件式方位位置系统 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 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 下面简单介绍两种 一 基于光纤陀螺和电平扫描混合跟踪理论的商用移动载体卫星通信系统 1 日 uh 口t 打 t 帅i i d 1 t c q 懈 n l l l l t 1 图1 8 系统信号处理拓扑图 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 该系统针对美军战术操作中心 t o c s 移动载体 0 t m 卫星通信的需要 采用 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 i m r u 一对增量式 光电角度编码器用于闲环角度测量 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卜8 所示 图1 9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l o o 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 大约为卜2 h z 二 基于a 卜7 2 0 0 i m u m k 2 惯性测量单元的天线稳定系统a 卜7 8 0 8 9 1 如图1 1 0 和1 1 l 该天线系统已经产品化和系列化 主要由以下几个部分组成 图1 1 0a l 7 1 0 8 9 型海上天线稳定系统外观图 两轴天线本体 伺服驱动单元 s d u 包括伺服控制卡和a d e 电源提供单元 用来根据本地控 制单元的控制信号驱动天线动作 惯性测量单元 i m u 包括一个俯伸 横滚传感器和短期航向传感器 用来提供初 一 一 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z 2 2 2 2 2 一 始对准和实时跟踪 本地控制单元 l c u 通过一个高速工业标准的光纤以太网连接到舱内的控制计 算机 用于接收控制计算机的交互指令 并根据i m u 的信号进行坐标换算和误差 补偿后给伺服驱动单元发控制信号 控制计算机 a l 一7 1 0 0 1 7 2 0 0 一c c u 用于在标准w i n d o w s 环境下运行非实时人机 交互程序 图1 11a l 7 1 0 8 9 型海上天线稳定系统细节图 此外 还有美国的s e a t e l 公司和k v h 公司专门从事海上卫星电视接收系统的开发并 已形成性能优良 标准化程度相当高的系列产品 这里就不再详加叙述 1 23 天线稳定系统中的伺服控制技术 目前 卫星天线稳定系统的天线伺服系统稳定控制方法主要采用船摇前馈控制 速率 陀螺反馈控制 陀螺反馈 电平跟踪复合控制技术 基本上这些控制方法都是建立在经典 p i d 控制的基础上 另外一些先进的控制方法 如模糊控制嘲 神经网络预测控制f 9 卡尔 曼滤波p i d 控制 神经网络p i d 控制 和自适应控制 技术也得到了比较深入的研究 12 4 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 确分析 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 以进一 步提高稳定系统的精度 常用的陀螺漂移信号预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 号中的常值漂移 然后 对去掉均值的陀螺漂移回归提取线性趋势项 最后 进行傅立叶 分解产生周期图 并经f i s h e r 检验 识别并提取隐含的周期趋势项a 副 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 一 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 一 2 2 5 2 2 2 2 2 i 口j 2 2 2 2 2 t 一 数据进行处理 以提高陀螺静态漂移误差系数的估计精度 并把锝到的陀螺漂移误差模型 实时补偿到稳定系统中 陀螺漂移误差的补偿 通常采用常规的反馈控制系统 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 i i 4 1 1 5 1 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 陀螺仪优试验 得到的测试数据是非平稳的 用小波分析漂移特性是一种很有效的方法 小波以其优良的 多分辨分析特一性特别使用于非平稳信号 而且随着其在信号处理中的广泛应用 小渡去噪 理论也日趋完善 小波对称性对陀螺信号去噪具有重要意义 m 1 2 5 国内外徽机电陀螺的发展情况 微机电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1 度 b 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 己成功应用于导弹自动驾驶仪和舰 载卫星天线稳定系统上f 1 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 1 8 1 和卫星天线稳定系统 2 l 上 1 3 论文研究的思路和主要内容 本课题2 0 0 1 年8 月份完成装车 至2 0 0 2 年6 月份进行了大量的车载试验 试验结果 不是很理想并暴露了大量的问题 问题集中于以下几个方面 夺系统原理误差 在小车实验阶段我们发现 如果方位陀螺和水平面不垂直 系统 跟踪误差就会显著增加 因此 是否存在系统原理上的理论误差 需要去做深入 的研究和论证 夺系统漂移性 尤其是陀螺漂移 系统的漂移包括电机的长期工作漂移 陀螺的自 身零点漂移 温度噪声等环境因素引起的陀螺漂移等 怎样建立合适的误差模型 并建立良好的误差补偿机制非常关键 夺系统稳定性 系统线路老化 元件稳定性和设计规范等方面的问题使系统工作不 够稳定 经常因此耽搁大量的时间 因而影响课题进程 针对这些问题 课题组决定对系统原理进行了更深入的分析 研究和验证 针对陀螺 漂移问题 确定了圆锥扫描方式的补偿方法 并对系统电路进行重新整定 以保证系统工 作f j 勺稳超性和可靠性 本课题的研究工作围绕这些问题展开 本论文的研究内容也围绕这 些问题展开 论文职究的主要内容为 一 天线稳定原理 论文根据天线稳定系统中使用速率陀螺稳定的基本原理 对两轴稳定天线进行了运动 一 一 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 学分昕 确定了正确的陀螺安装方式 对两轴稳定系统造成的波速滚动的原理性误差进行 了分折并提出了相应的解决方法 二 系统总体方案与系统结构 对于移动载体卫星通信系统来说 其核心便是解决如何在载体运动颠簸的情况下 保 持天线波束指向不变的问题 也就是如何实现波束的稳定问题 根据此核心问题 系统选 择了 陀螺闭环稳定 电平跟踪 的总体方案 论文并对系统的总体结构 组成和工作方 式进行了详细的介绍 三 系统建模与仿真 论文根据系统总体理论分析及控制方案拟定的需要 分别辨识出方位 俯仰电机和石 英音 叉陀螺各自的数学模型 通过m a t l a b 仿真研究了方位 俯仰伺服系统的动静态特性 并对陀螺稳定的控制系统进行了深入研究 对陀螺零点漂移及其它误差对系统产生的影响 进行了分析 依此提出了相应的误差补偿方法 四 电平跟踪圆锥扫描方式的误差补偿 对陀螺零点漂移及其它误差对系统产生的影响 我们通过电平跟踪圆锥扫描方式进行 补偿 论文推导了圆锥扫描算法的计算公式 并通过m a t l a b 仿真验证 进一步在实际系 统中驱动电机走出圆锥轨迹 论文对圆锥扫描的速度问题进行了探讨 并深入介绍和分析 了圆锥扫描在系统的初始对准和移动跟踪中的应用 对实际应用中问题进行了探索 介绍 了取得的良好效果 一 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 第二章天线稳定原理 本章介绍了天线稳定系统中使用速率陀螺稳定的基本原理 两轴稳定的运动学分析 两轴稳定系统的造成的波速滚动的原理性误差及相应的解决方法 还简单介绍了三轴天线 稳定系统的原理 2 1 陀螺稳定系统原理简介 2 1 1 陀螺稳定装置的概念和分类 陀螺稳定装置是用来使被稳定对象 如瞄准具镜头 火炮炮身 霄达或通信天线 相 对某方位保持稳定的陀螺装置 陀螺稳定装置有两种工作状态 几何稳定状态 又称稳定 作状态 和空间积分状态 又称指令角速度跟踪状态 几何稳定状态 指的是平台基 座角运动和干扰力矩作用下能相对惯性空间保持方位稳定的工作状态 空间积分状态 指 的是平台在指令角速度的控制下能相对惯性空间以指令角速度的规律转动的工作状态 从工作原理上来说陀螺稳定装置可以分为以下五种 t 直接式陀螺稳定装置 作用于被稳定对象上的干扰力矩完全依靠陀螺力矩来平衡 的一种陀螺稳定装置 在这类稳定装置中 陀螺既是装置的敏感元件 又是装置 的执行元件 2 间接式陀螺稳定装置 作用于被稳定对象上的干扰力矩完全依靠伺服回路输出的 电机力矩来平衡 陀螺力矩完全不起平衡作用的一种陀螺稳定装置 在这类稳定 装置中 陀螺装置仅起敏感元件的作用 3 动力式陀螺稳定装置 在对作用于被稳定对象上的干扰力矩平衡过程中 陀螺力 矩仅在系统的过渡过程中起作用 稳态时 干扰力矩完全由伺服回路稳定电机的 输出力矩平衡的一种陀螺稳定装置 在这类稳定装置中 陀螺仪除起敏感元件的 作用外 还起阻尼元件的作用 4 指示式陀螺稳定装置 在对作用于被稳定对象上的干扰力矩的平衡过程中 陀螺 力矩不起作用 外部干扰力矩全部由伺服回路的稳定电机输出力矩来平衡的陀螺 稳定装置 这类稳定装置中 陀螺仪仅起角位置敏感元件的作用 以二自由液浮 角位置陀螺 静电陀螺 挠性陀螺为敏感元件的惯性平台均属此类 指示式陀螺 稳定装置和间接式陀螺稳定装置间的区别在于前者的陀螺仪和被稳定对象安装在 同一平台台体上 陀螺仪和被稳定对象有直接的机械联系 后者的陀螺装置和被 稳定对象没有直接的机械联系 仅有电气方面的联系 陀螺装置和被稳定对象是 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一z 目 j 2 一 安装在载体上不同的地方 5 指示 动力式陀螺稳定装置 在平衡作用于被稳定对象上的干扰力矩的过渡过程 中 陀螺力矩虽起作用 但作用很小 稳态时 干扰力矩完全由伺服回路稳定电 机的输出力矩平衡的 种陀螺稳定装置 在这类稳定装置中 陀螺仪主要起角速 度敏感元件的作用 是稳定装置的角速度指示器 以单自由度液浮积分陀螺仪和 速率陀螺仪为敏感元件的稳定平台均属此类 本天线稳定系统中使用的美国s y s t r o nt o n n e r 公司的石英音叉陀螺h o r i z o n 是 种惯性角速度传感元件 其敏感元件是一个2 5 m m 到1 0 m m 的长的石英晶片 没有任何 输出力矩 该陀螺装在天线俯仰轴上 与天线有直接的机械联系 但是没有任何电气方面 的联系 所以 从分类上说 该天线稳定系统归为指示式陀螺稳定装置 2 1 2天线稳定系统中的坐标系 1 i 地心惯性坐标系 o x e z i 系 如图2 一i 所示 坐标系的原点设在太阳中心 z 轴沿 地球自转轴 而 轴 r 轴在地球赤道平面内和z 轴组 成右手坐标系 当运动体在地球附近运动时 多采用此坐 标系为惯性坐标系 2 地理坐标系 o x r z t 系 地理直角坐标系眠zz f 的原点0 选在载体 汽车 舰船 重心处 0 z 轴与通过0 点的重垂线相重合 即o z 轴垂直于该点的大地 k 平面 向上为正 置p r 平面与原 点的大地水平面相重合 o x 指向正东 o r 指向正北 通常称为东北天坐标系 见图2 2 3 载体坐标系 o k 五 b 系 移动载体在行驶过程中由于受各种因素的影响 经常 出现偏航或纵摇 横滚 为了确定载体相对于当地地理坐 标系的角位置 通常称为首向及水平姿态 需建立与载 体围连的坐标系 载体坐标系0 儿e z b 的原点是载体重心 0 纵轴o k 眼载体首尾向兵指向首部 横轴眠指向载体 幽2 1 地心惯性坐标系 n 一 l t 二i 摹 苹 一 一 p 竿r j l 递 一 图2 2 地理坐标系 右侧 o z b 垂直于载体平面 o x 圪z 坐标系构成右手直角坐标系a 当载体没有纵摇和横 滚运动时 x 0 虼平面即为水平面 o z o 轴沿铅垂线指向天顶 载体纵轴轴向在水平面内投影方向称为首向 用北向基准线和首向方向之问的夹角h 表示酋向角 通常以顺时针方向计量 载体纵轴于水平面之间的夹角吵称为纵摇角 载体 横轴于水平面之间的夹角0 称为横摇角 如图2 3 所示 当已知首向角h 纵摇角 和横 第1 4 页 一 一 一 一 一 一 l r 二一 一 一 一j卜葭一 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 2 j 2 2 2 2 一 滚角9 的大小时 载体相对于当地地理坐标系的角位置完全可以确定 l 卜此方向 二k 豫锐罔矗偶税圈岳侧视嘲 图2 3 载体坐标系首向角 纵摇角和横摇角定义 4 天线坐标系的规定 天线稳定系统采用方位 俯仰式天线座 根据惯例 我们规定天线方位角以正北基准 线为零点 顺时针为正 逆时针为负 天线仰角仪水平线为零点 向上为正 向下为负 但由于安装的原因 方位轴旋转变压器读数逆时针方向增加 俯仰轴旋转变压器向上 时读数增加 且方位旋变的零点不与载体首向一致 俯仰旋变的零点不与水平线一致 二 者均有 定的偏差 2 2 两轴天线稳定系统原理 设计移动载体卫星天线伺服系统时 必须考虑载体姿态变化的影响 以使天线在载体 纵摇 横摇和转向的影响下保持高精度的跟踪同步卫星 过去大莹的卫星天线以及雷达天 线稳定系统都是用于水上载体 如军舰 和空中载体 如空中侦察机 飞船和太空望远镜 等 根据资料分析 大量的舰载雷达天线均采用四轴稳定的天线座来实现天线的稳定 但这种方法设备造价高 维护困难且可靠性较差 后来研究人员开始尝试采用两轴的措施 来实现对舰摇扰动的隔离 两轴稳定系统包括陀螺稳定和前馈稳定两种方法 陀螺稳定的原理是在天线俯仰轴上 安装两个敏感轴相互垂直的陀螺 分别敏感天线在方位和俯仰方向上相对于惯性空间的运 动 并将此信号作为速度反馈 以此实现回路稳定 而前馈稳定则是利用舰上导航系统 方 位水平仪 提供的舰体姿态变化信息 进行实时变换求出补偿信号 以实现对伺服系统的 开环 p 偿控制 从而达到隔离舰摇扰动的目的 s 2 2 1两轴天线陀螺稳定系统伺服回路方块图 图2 4 给出了一个两轴天线稳定平台的结构原理示意图 a 为方位环 坐标系为 一 一 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 一 5 2 2 2 2 2 g 2 2 2 2 2 4 e i i 一 o x y o z a 系绕o z 6 轴正向相对o x 6 珞z 系的转角为p f 为天线安装座 俯仰环 坐 标系为o xr z f 系绕o x 轴正向相对a 系的转角为0 在台体上安装的两个单自由度 速率陀螺g z 和g x 的输入轴分别为肖f 和x f 当伊 0 时 x 同方位环安装轴平行 x 通俯仰环安装轴平行 在俯仰轴上安装的卫星天线是被稳定的对象 其极化轴和o y 轴平 行 显然 在载体处于某一确定的位置情况下 0 轴在o x 圪毛中的位置由0 和0 唯一 确定 0 称为天线的方位角 曰 称为天线的俯仰角 圈2 4 天线稳定平台的结构原理示慈图 设甜 珊 为俯仰环轴伺服回路和方位环轴伺服回路的指令角速度 在几何稳定状态 下 二者皆为o 毋 和吃为此两回路的输出角速度 k r s 0 口芹 厂 为陀螺信号处理电路 伺服驱动器和力矩电机的合成传函 和正分别为平台绕0 2 x 和d 乙轴的转动惯量 根据单轴平台理论 在不考虑两根轴交叉耦合的条件下得如下图2 5 和2 6 所示的俯 仰环轴和方位环轴的伺服回路方块圈 图中肘 和吖 分别为作用在俯仰环轴和方位环轴 的干扰力矩 龆2 5 俯伸环伺服回路方块幽 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 6 方位环伺服回路方块图 2 2 两轴天线稳定系统的运动分析 当基座 载体 有角速度 时 将通过天线平台安装轴的几何约束和摩察约束向台 体猫合 由于方位和俯仰伺服回路的存在 会将基座角速度的一部分隔离掉 现在寻求隔 离的表达式 设甜 h 甜却 o i b 为载体角速度沿三个坐标轴的分量 b 系 a 系和f 系 o x y z 三 甜帅 脚 n n 过 o z o 轴的摩擦约束和几何约束耦合给方位环 根据坐标系旋转 f三兰1 c 菱1 li cos等so口 csi n箩od 巨1 iro ib x csotsno 三kc o 如 砂scin sop cz一 一l 与上同理 6 0 i a 将通过倒 轴的摩擦约束和几何约束耦合给俯仰环坐标系 即天线坐 一 第1 7 页 一 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 j 一一 阱制稍卧悖 当方位 俯仰伺服回路工作时 方位伺服回路属于