移动卫星天线稳定跟踪系统的设计及工程实现
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摘要
本文以卫星通信稳定系统的研制为背景，设计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，并进行了工程实现。本系统主要实现两大功能：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。
本文进行了系统总体方案设计、控制器设计和调试、系统的软件设计和调试等工作。采用了程序跟踪和步进跟踪相结合的方法实现系统自动寻星；在系统的稳定伺服控制部分，研究了系统姿态坐标变换，对横滚系统和俯仰系统采用前馈补偿的控制策略，对方位系统设计了基于智能分区PID的闭环反馈控制策略。
最后进行了实际系统调试，完成了天线控制器测试和软件调试，并利用三维运动模拟器对系统性能进行检验，实验结果表明系统基本达到了预期的指标，验证了本文所提方案的可行性和有效性；针对系统调试和工作中存在的一些问题，给出了进一步改进的思路。
With the background of stabilized system design for satellite communication, the designand engineering development of the mobile satellite antenna stabilized tracking system isdiscussed in this paper. This system is based on 3-axis digital compass, gyro and steppingmotor and is designed to realize two functions. The first function is to search the targetsatellite automatically according to the received attitude angles and the satellite signals.The second function is to carry out stabilized servo control according to the gyro signalsfrom three axes so as to isolate disturbances from vehicles.
The main contents of this paper include the design of the scheme as a whole, the hardwaredesign and testing of the controller, the software design and debugging of the system. Bothprogram tracking and stepping tracking arithmetic were used in the satellite auto-searchingtask. The coordinate transforms, feed-forward compensation control in the roll and pitchaxis and closed-loop control in the heading axis were discussed in the stabilized servocontrol part.
At last, the controller of the antenna was tested to mn reliably. The system was tested bythe three-dimension motion simulator and the expectable performance was achieved on thewhole. And it's proved that the whole scheme of the system is available and valid. At last,some problems that occurred during the debugging and the working together with the nextstep of the work are pointed out.
本文进行了系统总体方案设计、控制器设计和调试、系统的软件设计和调试等工作。采用了程序跟踪和步进跟踪相结合的方法实现系统自动寻星；在系统的稳定伺服控制部分，研究了系统姿态坐标变换，对横滚系统和俯仰系统采用前馈补偿的控制策略，对方位系统设计了基于智能分区PID的闭环反馈控制策略。
最后进行了实际系统调试，完成了天线控制器测试和软件调试，并利用三维运动模拟器对系统性能进行检验，实验结果表明系统基本达到了预期的指标，验证了本文所提方案的可行性和有效性；针对系统调试和工作中存在的一些问题，给出了进一步改进的思路。
With the background of stabilized system design for satellite communication, the designand engineering development of the mobile satellite antenna stabilized tracking system isdiscussed in this paper. This system is based on 3-axis digital compass, gyro and steppingmotor and is designed to realize two functions. The first function is to search the targetsatellite automatically according to the received attitude angles and the satellite signals.The second function is to carry out stabilized servo control according to the gyro signalsfrom three axes so as to isolate disturbances from vehicles.
The main contents of this paper include the design of the scheme as a whole, the hardwaredesign and testing of the controller, the software design and debugging of the system. Bothprogram tracking and stepping tracking arithmetic were used in the satellite auto-searchingtask. The coordinate transforms, feed-forward compensation control in the roll and pitchaxis and closed-loop control in the heading axis were discussed in the stabilized servocontrol part.
At last, the controller of the antenna was tested to mn reliably. The system was tested bythe three-dimension motion simulator and the expectable performance was achieved on thewhole. And it's proved that the whole scheme of the system is available and valid. At last,some problems that occurred during the debugging and the working together with the nextstep of the work are pointed out.
引文
1 胡寿松．自动控制原理第4版[M]．北京：国防工业出版社，1994
2 胡大可．MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机[M]．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，2001
3 胡大可．MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M]．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，2003
4 藤本共荣，J．R．詹姆斯著，杨可忠，井淑华译．移动天线系统手册[M]．第1版．北京：人民邮电出版社，1997
5 黄贤武，郑筱霞．传感器原理与应用[M]．第1版．西安：电子科技大学出版社，1999
6 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真[M]．第一版．北京：电子工业出版社，2003
7 Mark I．Montrose著，刘元安等译．电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M]．第一版．北京：人民邮电出版社，2002
8 魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
9 陈隆昌，阎治安，刘新正．控制电机[M]．第一版．西安：西安电子科技大学出版社，2000
10 于航．基于计算机控制的直流伺服系统算法研究及仿真[D]．大连交通大学，2005
11 季鸿宇．船载卫星通信地球站的圆锥扫描技术[D]．南京邮电大学，2006
12 周华良．车载卫星天线稳定跟踪系统的设计与工程实现[D]．南京理工大学，2005
13 杨泽．车载天线稳定系统的设计及工程实现[D]．南京理工大学，2004
14 袁磊峰．舰载天线稳定系统的设计及工程实现[D]．南京理工大学，2003
15 杨俊永．船载移动卫星电视系统控制技术及其实现研究[D]．重庆大学，2003
16 张智永．移动载体稳定跟踪平台测控技术研究[D]．国防科学技术大学，2002
17 贾可亮．车载式卫星天线控制器跟踪控制方法的研究[D]．山东师范大学，2001
18 申宇．移动卫星电视接收伺服系统的研究与实现[D]．西安电子科技大学，2006
19 胡涛．车载卫星天线随动系统设计与研究[D]，南京工业大学，2003
20 叶自清．船载卫星天线自动跟踪系统测控技术研究[D]．中南林学院，2003
21 江涛，董海瑞．车载卫星通信站天线自动控制系统设计[J]．电视广播与传输．2001(4)：34-35
22 王学金．船载卫视接收机自稳定伺服系统设计[J]．电光系统．1994(4)：8-18
23 彭树生，王洋．车载快速搜索／跟踪卫星的控制系统设计[J]．计算机测量与控制．2005，13(9)：392-394
24 汤铭．动中通伺服系统的设计[J]．现代雷达．2003，25(4)：51-54
25 田斌，陈文汉，周云．车载Ku频段多媒体宽带卫星移动通信系统[J]．通信与信息技术．2004(6)：43-46
26 生力松，余达太，李果，姬献征．车载天线跟踪系统的智能控制[J]．计算机测量与控制．2006(14)：212-216
27 解思梅，郝春江，邹斌．新型船载气象卫星接收系统[J]．海洋学报．2000，21(4)：31-40
28 董挪军．对车载“动中通”伺服控制系统的研究[J]．无线电通信技术．2002，28(3)：15-20
29 严武升，刘宏，过润秋．基于前馈补偿的舰载雷达三轴稳定跟踪的研究[J]．西安电子大学学报．1998，25(5)：650-654
30 王小军，李殿璞，赵阳，余宏明，郑锦勇．舰载三轴雷达波束稳定跟踪的研究[J]．哈尔滨工程大学学报．2002，23(1)：58-63
31 牛小骥，高钟毓，张嵘，陈志勇．基于微机械惯性传感器的卫星电视天线稳定系统[J]．中国惯性技术学报．2002，10(5)：11-15
32 腾云鹤，毛献辉，章燕申，李俊峰，刘进江．移动卫星通信捷联式天线稳定系统．宇航学报[J]．2002(5)：72-75
33 何荣贤，蒋军．大型船载卫通伺服随动系统船摇隔离度[J]．陕西工学院学报．2005，21(2)：8-10
34 韩文泽，董旭峰．卫星地面站天线的最优跟踪技术[J]．天线技术．2005，35(5)：41-42，52
35 杨培，刘彬，刘景林．基于单片机控制的天线伺服系统[J]．微特电机．2005(1)：27-28
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38 Rainer Kronberger, Axel Stephan, Michael Daginnus. 3D Antenna Measurement And Electromagnetic Simulation For Advanced Vehicle Antenna Development[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium. 2001: 342-345
39 Miroslav Djordjevic, Yahya Rahmat-Samii. Characterization of Vehicle Mounted Cavity-Backed Annular Patch Antenna[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium. 2000: 2258-2261
40 B. A. Austin, W. C. Liu. Assessment of vehicle-mounted antennas for NVIS applications[J]. IEE Proc.-Microw Antennas Propag. 2002, 149 (3): 147-152
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47 G. Lu, G. Lachapelle, M. E. Cannon, Performance Analusis of A Shipborne Gyrocompass With A Multi-Antenna GPS System[J]. IEEE PLANS. 1994(4): 1-7