基-于三轴自主跟踪平台的研究与实现--本科毕业设计.doc

学 位 论 文基于三轴自主跟踪平台的研究与实现系统控制算法与软件设计申请学位级别 硕士 专业名称 控制理论与控制工程 学位授予单位和日期 南 京 理 工 大 学 答辩委员会主席 评阅人 声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 年 月 日硕士论文 基于三轴自主跟踪平台的研究与实现摘 要移动卫星通信系统(“动中通”系统)可以满足载体在任何时间、任何地点、任何情况下通信的需求，基于三轴自主跟踪平台的设计是“动中通”系统的核心技术，其可以隔离载体在运动过程中的扰动，保持天线稳定跟踪卫星信号。本论文针对应用于海上舰船的“动中通”系统，进行了以下研究工作：1. 提出三轴自主跟踪平台的总体设计方案，包括机械结构设计、系统组成、所用器件选型等；2. 针对陀螺的噪声信号，在频域上应用了椭圆滤波器的滤波处理方法，在时域上应用了递推最小二乘多项式拟合的处理方法，并对陀螺的静态与动态输出进行仿真计算，通过分析比较，将递推最小二乘多项式拟合的算法应用到实际系统中，并给出了实际系统的陀螺信号处理结果。3. 分析了本系统的三轴结构及三轴跟踪机理，提出了方位、俯仰闭环控制结构，横滚前馈补偿的控制策略；针对方位系统，分别设计了智能分区PID控制、滑模变结构控制方法，并进行了仿真验证；4. 采用模块化思想，完成了系统软件设计，主要包括初始对星模块、稳定跟踪模块、监控模块，给出了各个部分的软件实现方法、软件流程图；5. 对系统进行软硬件联调，通过三轴运动模拟器模拟船只在海上航行的扰动，对比研究不同控制策略下的控制效果，实际结果表明方位-俯仰闭环、横滚前馈补偿的控制策略，以及方位采用智能分区PID的控制方法效果较好，基本实现本系统提出的设计指标；最后总结了本文的研究成果和不足之处，并对三轴自主跟踪平台的研究工作进行了展望。关键词：三轴结构，初始对星，稳定跟踪，智能PID控制，滑模变结构控制 IAbstractMobile satellite communication system can meet the needs of carriers communication under any circumstances. The design of the platform based on three-axis self-determination tracking system is the core technology of mobile satellite communication. It could isolate the interrupts brought by the carriers, and keep the antenna in alignment with the satellite. This paper includes some research work as follows:1. The control design proposal is given aiming at the marine mobile satellite communication, including the mechanical structure design, and the choose of devices and system composition.2. By analyzing the feature of the gyroscopes signal, elliptic filtering method and recursive least squares polynomial fitting method are proposed and used to the system including the static and dynamic circumstances. The result of simulation confirm that the recursive least squares polynomial fitting method is more suitable to the platform.3. To solve the three-axis tracing control method problem in the platform, several control tactics are presented. Through analyzing the different tactics, the method of azimuth -elevation axis closed loop and cross level axis feedforward compensation is used to the system. Focusing on the azimuth system, the intelligent partition PID control method and the sliding mode control method is adopted to control it. Besides, the simulation result is given.4. The software of the whole system is designed, which includes systems initialization module, stabilization tracking module and the monitoring module. Also, the method of how to realize them is proposed.5. The platform works well under the disturbances, which is supplied by the three-axis motion simulator. The error curves conform the advantages and shortcomings of the different control strategies.Finally, the research results are summarized, and future research is given. Key words: three-axis structure，alignment with star，stabilizing tracking，intelligent PID control method，sliding mode control method硕士论文 基于三轴自主跟踪平台的研究与实现目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.1.1 国外研究现状11.1.2 国内研究现状31.1.3 移动卫星通信系统分类31.2 稳定平台技术的发展41.2.1 稳定平台的分类41.2.2 稳定平台伺服控制技术51.3 陀螺信号处理51.4 本论文研究内容与章节安排61.4.1 论文的主要研究内容61.4.2 论文的章节安排62 系统总体设计72.1 机械结构设计72.2 设计技术指标72.3 系统组成82.3.1 卫星通信分系统92.3.2 稳定伺服分系统112.3.3 监控模块142.4 本章总结153 陀螺信号滤波在系统中的应用163.1 引言163.2 陀螺输出的频谱特性163.3 IIR数字滤波器在系统中的应用173.3.1 椭圆滤波器的简介183.3.2 椭圆滤波器的设计步骤193.4 递推最小二乘多项式拟合213.4.1 递推最小二乘的基本原理213.4.2 多项式拟合213.4.3 基于递推最小二乘多项式拟合的陀螺信号处理233.5 陀螺滤波实验结果与分析243.6 本章小结294 控制结构及控制算法设计314.1 三轴系统结构314.2 三轴稳定跟踪机理314.3三轴控制结构分析334.3.1 前馈控制策略334.3.2 闭环反馈策略344.3.3 方位-俯仰闭环、横滚前馈补偿的控制策略354.4 控制算法设计与仿真364.4.1 方位系统数学模型364.4.2 智能分区PID控制374.4.3 滑模变结构控制仿真394.4.4 仿真实验及结果404.5 总结445 系统软件设计455.1 软件模块组成455.2 系统初始对星455.2.1 单片机初始化455.2.2 初始对星粗对准465.2.3 初始对星精对准495.3 系统稳定跟踪515.4 监控计算机软件设计565.5 本章小结596 系统调试与分析606.1 方位系统调试结果606.2 俯仰系统调试结果626.3 三轴联动时系统调试结果636.4 总结647 总结与展望657.1 工作总结657.2 进一步工作展望65致 谢67参考文献68附 录7151 绪论1.1 研究背景在任何时间、任何地点、任何情况下(包括战争影响、天气等影响)都能进行良好地通信，是长期以来人们的追求。当前，CDMA，GPRS等系统在现实生活中已经初步解决了人们的需求，但这些系统需要地面基站作为支撑，如果没有基站支持(如船只在海上航行)，或者基站在战争中或者自然灾害中受损，将无法保证通信的要求。故在这种背景下，卫星通信由于其特有的不需要基站，可以很好地解决宽带多媒体信息，特别是高质量的视频图像的实时传输等问题，受到了广泛的关注，得到许多应用和迅速的发展。卫星通信有着其特有的优势：如通信距离远，通信容量大，不受大气层扰动的影响，通信可靠，覆盖面积大，通信灵活机动等，在军用与民用都发挥着巨大的作用10。在现代作战中，固定的卫星信号接收天线已经不能满足作战要求，如何保证载体(作战车辆、军舰等)在运动过程中与卫星的畅通通信成为了热点。作战车辆在运动过程中不可避免的受到路面的颠簸、风力的影响而导致安装在车辆上的天线不能稳定跟踪卫星信号；在海上航行的舰船由于海浪冲击、船只转向等影响而导致安装在舰船上的卫星天线无法正常工作，这就需要为天线提供稳定跟踪系统，即为载体提供移动卫星通信系统(又称“动中通”)，该系统除了实现跟踪对星的伺服任务外，还能隔离载体受到的各种扰动，保证天线稳定跟踪卫星信号3。在民用领域，随着经济的发展以及人民生活水平的提高，长途汽车或者游轮上需求可以实时地观看电视转播，或视频电话。“动中通”系统可以保证长途汽车或者游轮在运动过程中，通过卫星信号来传输电视画面，亦可以通过卫星来实现网络传输。用于“动中通”的三轴自主跟踪平台的设计是实现“动中通”系统的核心技术之一，该技术集惯性导航技术、数据采集及信号处理技术、计算机控制技术、电机伺服控制技术、卫星通信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，是多个学科有机结合的产物3。1.1.1 国外研究现状对“动中通”系统的研究，国外发展较早，在理论和工程上都取得了重要的科研成果。移动卫星通信系统的研究工作开始于上世纪80年代的美国和日本，利用姿态测量和惯性导航技术建立一个稳定的天线平台，用来实时隔离运动载体的摇摆和方位角的变化，确保接收卫星信号天线的波束中心简便、快速、准确地对准卫星，从而实现移动卫星通信，这些先进的技术成果最早服务于军事。在军用领域，美国Datapath公司研制的名为Moblink的“动中通”终端，休斯网络系统公司研发的休斯9250移动卫星终端，以及洛克希德.马丁公司研发的指挥控制适应性模块化移动应用终端(C2AMMO)，这些产品都已经装备到美军车辆、船只、无人机中，能在载体高速运行下，完成高速的信息传输，且完成了网络联通，可同时与多个用户保持通信联系，为美军通信体制的转型和变革创造了有利条件2。在民用领域，美国Sea Tel公司是全球最大的船载天线稳定平台制造商(图1.1.为某产品)，其主要产品均通过了美国海军军用产品性能(MIL Spec)的测试，天线系统对船舶移动做出快速反应的速率是90度秒，船上用户可以观看到卫星电视娱乐节目，并可实现语音传输、传真、气象、高速数据传输、图像传输和宽带上网通信等应用。其基于三轴伺服稳定的VSAT天线系统，即使在最恶劣的暴风雨环境下都能在海上接收到稳定可靠的卫星传输信号，确保用户的通信不会受到任何影响7。图1.1 Sea Tel船载船载天线稳定平台美国Trac Star公司是专业设计制造“动中通”卫星通信系统的厂家，主要生产低成本、高精度的商用车载卫星双向通信天线。其最大特点是体积小，上行数据传输量大，稳定跟踪性能好，在车速大于160km/h时系统跟踪仍然良好，能满足卫星通信的要求，特别适合于车载卫星通信，满足了各级政府部门、安全、能源、交通、地质和气象环保等行业的应急通信，以及移动办公平台、新闻采集和高速互联网等的需求2。图1.2 RaySat SpeedRay 1000以色列RaySat公司生产的平板“动中通”天线在军用和民用都发挥了巨大的作用，其天线系统是一种低轮廓相控阵天线，它不仅由天线内一组阵列式的物理设备保障了在移动天线系统对卫星的跟踪，而且体积小，高度小于20厘米，便于安装，图1.2所示为该公司生产的RaySat SpeedRay 1000，用于Ku波段车载卫星电视的接收，跟踪速度在60/s。1.1.2 国内研究现状国内在移动卫星通信系统上起步较晚，但是发展速度较快，在军用与民用领域都有很大的进展。中国电子科技集团54所研发的动中通天线有多种口径，天线控制系统采用了陀螺负反馈稳定、单脉冲自动跟踪、惯导跟踪的三级稳定与自动跟踪措施，技术措施完备，性能可靠，系统工作稳定。单脉冲自动跟踪实现了闭环跟踪，跟踪速度快，精度高；同时对惯导输出数据进行适时修正，克服了惯导数据随时间漂移的固有缺陷，保证了“动中通”天线在各种路况、各种行车速度和任意长时间行驶中的稳定跟踪，保证了车辆行驶时图像和话音的传输质量。 北京航天仪器控制研究所生产的车载常规“动中通”系统与车载低轮廓“动中通”系统，采用了“神舟”系列载人飞船导航系统上的多项技术，是卫星通讯领域的一次重大技术突破，在军民两个领域已得到很好地应用。在四川汶川地震、青海玉树地震等自然灾害中，中电54所以及北京航天仪器控制研究所研发的“动中通”设备深入灾区，保证了抢险工作中通信的畅通。另外，西北工业大学，西安电子科技大学、国防科技大学，电子科技集团第39所等高校与研究所在“动中通”及相关领域进行着积极的研究。总的来说，国内在移动卫星通信的研究上起步晚，但发展迅速，在技术上已经有了长足的进步，在军用上已经投入了使用，但由于其成本较高，民用领域相对比较缺乏6。1.1.3 移动卫星通信系统分类1) 根据天线轮廓分类“动中通”按照天线轮廓分类可以分为高轮廓、中轮廓与低轮廓，天线轮廓的大小直接决定了天线信息速率的大小。高轮廓天线高度在45cm以上，其天线结构为椭圆切割抛物面，是一种传统机械跟踪结构，信息速率为：Tx/Rx:5Mbps/25Mbps；中轮廓天线的高度在30cm左右，天线结构为柱面反射器，信息速率为：Tx/Rx:2-3Mbps/15Mbps；低轮廓天线的高度在8-15cm，天线结构为混合相控阵天线，是一种电跟踪结构，信息速率为：Tx/Rx:2Mbps/10Mbps。随着工艺水平的提高和跟踪技术的发展，中轮廓天线逐渐被淘汰，而高轮廓天线由于结构较大，稳定性好，适合于船载移动通信；低轮廓天线由于体积小，天线效率高，且采用相控阵天线结构，跟踪速度快，故适合于车载移动通信3。2) 根据天线结构分类“动中通”按照天线结构分类主要分为方位-俯仰两轴结构与方位-横滚-俯仰三轴结构。一般车载天线采用两轴结构，船载天线采用三轴结构。由于汽车在运动过程中经常会转弯，路面的不平坦会有高低的起伏，而两轴结构体积小，且一般采用相控阵天线，即电跟踪的方式，跟踪速度快，适合于车载移动卫星通信；而船只在海上航行时经常会受到海浪的颠簸，即横摇和纵摇，所以加入横滚轴以后可以方便隔离横摇所带来的扰动，且三轴结构能方便克服两轴结构存在的由波束滚动造成的原理性误差，从而提高通信质量，适合于船载通信系统。3) 根据天线跟踪方式分类“动中通”按照天线跟踪方式分类主要分为步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。步进跟踪体制又称为极值跟踪，即一步一步地控制天线在方位、俯仰面上转动，使天线逐渐对准卫星；圆锥扫描跟踪是控制天线以某种指向作对称圆周运动，通过对电波信号进行幅度调制，使天线波束成圆锥状旋转；单脉冲跟踪是一种较为复杂的跟踪方式，其天线上需要安装四个馈源，通过四个馈源测得的波束值来判断方位与俯仰的旋转方向，该跟踪方式的成本较高11。1.2 稳定平台技术的发展稳定跟踪控制技术是“动中通”系统的核心之一，对于“动中通”稳定平台的研究具有非常重要的意义。1.2.1 稳定平台的分类应用于“动中通”系统的稳定方式可以分为无源机械稳定平台，有源机械稳定平台与捷联惯导平台。无源机械稳定平台是应用力学原理实现稳定，依靠高速旋转的大飞轮产生指向地心的向心力，使平台保持稳定，这种方法对于天线跟踪有着滞后性，且体积较大；有源机械稳定平台是在载体上安装一套可以隔离载体扰动的稳定平台，其将平台的稳定功能和伺服功能分开以实现天线波束对准卫星。有源机械稳定平台能隔离载体的角运动，因此惯性测量仪表工作条件较好，直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正测量仪表的输出，但是由于其结构复杂、尺寸大、造价高，已逐渐被淘汰12。随着计算机技术、微电子技术的发展，数字捷联稳定系统在军事、天文、航空航天、导航制导等领域发挥着巨大的作用。本文1.1节中提到的国内外的研究产品都采用了数字捷联稳定技术。该技术通过GPS测量载体的位置信息，通过电子罗盘、倾斜仪等惯导元件来敏感载体运动过程中的速度信号、位置信号，并通过计算机实时解算出天线的姿态信息，通过伺服系统来调整天线的指向。有些还通过测量卫星强度信号(AGC信号)来各处天线偏离卫星的电信号值，修正惯导元件的漂移。1.2.2 稳定平台伺服控制技术稳定平台目标跟踪控制系统是一种典型的伺服控制系统，其控制的目的是使系统的输出量与给定的指令信号之间的差值最小。但由于其应用场合的不同，决定了稳定平台伺服控制系统又具有不同于一般伺服系统的特点：高精度、宽调速。大部分的稳定平台系统都采用了经典的控制理论与控制方法，如PID控制，前馈补偿控制，复合控制，最优控制等。针对稳定平台伺服控制系统中存在的非线性问题，许多学者开始研究使用多种现代先进的控制理论方法，如自适应控制，鲁棒控制，神经网络控制、模糊控制等，然而这些算法较为复杂，实际应用中存在着实时性差，可靠性低等问题，这些先进控制方法都处在理论研究与仿真实验的阶段30。值得一提的是，滑模变结构控制在伺服控制领域中已有很多的研究与应用。变结构控制的突出优点就是对系统的摄动具有完全的鲁棒性。在利用滑模变结构控制的系统中，滑动模态的引入使得系统在滑动状态下不仅保持对系统部分结构的不确定性、参数变化以及外界干扰等不确定因素的鲁棒性，而且可以获得较为满意的动态性能，是一种适用于非线性控制系统的综合方法。对于“动中通”系统跟踪平台的研究，滑模变结构还有待进一步开发研究30。1.3 陀螺信号处理陀螺作为一种惯性敏感元件，主要提供稳定平台的角速度信号，其信号性能的好坏直接影响到稳定平台隔离载体扰动的精度。目前市面上主要有压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。由于受到自身结构和外界许多因素的影响，陀螺输出信号存在着漂移与噪声，因此对陀螺信号进行滤波处理是非常重要的。信号的滤波方法主要有模拟滤波和数字滤波两种，由于数字滤波器是将模拟滤波器的功能数字化，并引入各种数字处理方法，因此可以完成许多模拟滤波器所不能完成的功能。对于陀螺信号的滤波处理主要有两大类：1) 基于模型的滤波方法：主要包括Kalman滤波，维纳滤波，统计滤波等。Kalman滤波是实际应用中最为常见的一种方法，它是一种线性、无偏最小方差估计方法，能够通过算法估计提取所需信号，因而可以得到比较精确的状态估计。2) 直接滤波方法：主要包括IIR数字低通滤波，平滑滤波，自适应滤波和小波变换等。这类方法无需建立陀螺信号的误差模型，直接对陀螺输出信号进行滤波。对于“动中通”稳定平台这种处于强干扰的环境下的系统，各种对传感器的干扰所带来的量测噪声都会对滤波器的工作产生影响，Kalman滤波器的估计精度降低，因此在对“动中通”稳定平台速度输出信号进行滤波时应采用对信号的直接去噪来达到对陀螺漂移和噪声抑制，而不宜采用基于模型的滤波方法。1.4 本论文研究内容与章节安排1.4.1 论文的主要研究内容本课题针对船载“动中通”系统，设计并实现了三轴自主跟踪平台，主要研究内容如下：1) 研究应用于“动中通”系统的三轴自主跟踪平台结构，总体方案，以及各部分模块功能设计；2) 设计三轴自主跟踪平台中陀螺信号的滤波处理方案，并将其应用到实际系统中，对实际系统陀螺信号进行处理，保证了控制器输入信号的精确性；3) 研究分析三轴跟踪结构以及三轴跟踪机理，针对不同的分轴系统提出不同的控制策略，简化三轴解耦，并重点分析研究了智能PID控制，滑模变结构控制在方位、俯仰系统中的应用，并进行了仿真验证；4) 通过嵌入式开发技术，实现该稳定跟踪平台的自主对星与稳定跟踪的功能，并给出最终实际系统的调试结果。1.4.2 论文的章节安排第一章：介绍了课题研究的背景及国内外发展现状，并给出了适合于本论文的关键问题的研究现状。第二章：给出基于三轴自主跟踪平台的机械结构构成，传感器构成，部分硬件结构的构成，设计特点以及各组成部分的功能。第三章：对陀螺信号进行处理，包括对它的输出信号的频谱分析，滤波处理方法等，同时给出仿真曲线以及实际系统输出曲线。第四章：分析三轴结构及三轴跟踪机理，提出适用于不同轴系的不同控制策略，并对方位、俯仰的控制方法进行了仿真。第五章：在硬件基础上给出系统初始对星与稳定跟踪的软件设计方法，包括部分模块的设计思路。第六章：针对海上航行的实际情况，利用三轴运动模拟器，给出实际系统的输出结果，并给出不同控制策略下的结果分析。最后总结全文工作，并提出需要改进的问题以及进一步研究的问题。2 系统总体设计2.1 机械结构设计由于本系统主要针对于海事通信，即船载移动卫星通信，因此采用了高轮廓的天线，在机械结构上采用俯仰-横滚-方位三轴结构。整个系统安装在一个固定的底盘上，底盘安装在载体上。在设计初期，利用仿真软件adams进行了系统机械外观设计，如图2.1所示。机械结构高度大约为70cm，长度为40cm，宽度为60cm，整个系统由外到内分为方位系统、横滚系统和俯仰系统三个部分，三个子系统各有一个转动轴。用于收发卫星信号的天线部分安装在俯仰系统上。图2.1 adams仿真实物图系统式有四个自由度，分别是方位转动、横滚转动、俯仰转动以及支架块转动。其中方位转动轴垂直于天线底座，横滚转动轴平行于天线底座，俯仰转动轴的状态受横滚电机驱动的影响。方位系统绕方位转动轴转动时带动整个系统绕方位转动轴转动；横滚系统绕横滚转动轴转动时带动横滚系统和俯仰系统绕横滚转动轴转动，而此时方位系统不受影响；机械安装确保横滚系统横梁始终与俯仰轴平行；俯仰系统绕俯仰转动轴转动时带动与之固连的天线部分和同轴安装的支架块绕俯仰轴转动，此时方位系统和横滚系统不受影响。支架块安装在俯仰系统的一侧，其自身转动对俯仰系统不产生影响。2.2 设计技术指标由于本系统针对船载移动卫星通信，考虑到船只在海上行驶时的速度、转向、波浪等影响，出三轴自主跟踪平台的设计指标具体如下：1) 机械性能指标如表2.1所示：表2.1系统机械性能指标天线口径0.6 m座架形式俯仰横滚方位型运动范围方位： 俯仰：横滚：天线重量20 kg2) 稳定跟踪技术指标如表2.2所示：表2.2 系统稳定跟踪性能指标隔离载体扰动速度横滚：8周期俯仰：5周期方位： 跟踪方式程序跟踪三轴稳定精度再捕获最大时间系统设计原则如下：1) 结构上向小型化、通用化发展；2) 为保证控制精度，以闭环反馈为主，采用速度闭环与位置闭环的反馈控制策略，并保证系统能够隔离载体的一定扰动(扰动参数如表2.2)，3) 采用空间角速度陀螺、水平仪与AGC信标机等传感器件。4) 选用定位精确、驱动能力足够、体积重量较小的电机作为驱动元件。5) 选用可靠、方便的通信接口。2.3 系统组成系统结构如图2.2所示，主要由卫星通信分系统、稳定伺服分系统、监控系统组成。图2.2 系统组成框图卫星通信分系统主要负责接受卫星信号，并通过信标机输出AGC信号；稳定与伺服控制分系统主要是通过接收陀螺、水平仪、信标机等传感器输出的船只的姿态值、速度值，控制器计算各个轴系统的控制量，从而驱动电机隔离载体扰动，保证天线始终对准卫星；监控分系统主要显示系统运行情况，以及系统的姿态、速度值、AGC信标值等。2.3.1 卫星通信分系统卫星通信分系统主要包括抛物面天线，馈源，下变频器(LNB)，耦合器，卫星信号接收机，AGC信标接收机，其信号流程如图2.3所示30：图2.3 卫星信号接收模块卫星送出载波信号(又称下行信号)，该信号汇聚在天线反射面焦点上，被安装在此的天线馈源所接收。经极化选择后，载波信号进入高频头(LNB)，它把微弱的载波信号进行低噪声放大、变频，然后输出中频信号，中频范围在0.952.15GHZ。LNB输出的中频信号进入卫星信号接收机，经处理后最终输出高频信号(RF)，同时还输出AV和S端子视频信号。使用到的天线采用抛物面天线，口径为0.6m，针对Ku波段同步卫星设计，购买的下变频器与卫星信号接收机主要针对亚太六号卫星设计。在本系统中采用了南京肯立科技有限责任公司研发的标准型信标接收机，用来测量卫星强度信号，即AGC信标信号，是本系统稳定跟踪卫星过程中非常重要的感应装置，其外观如图2.4，其主要性能指标如表2.1。图2.4 南京肯立信标接收机表2.1信标机性能指标输入频率950 -1450MHz频率设置步长1KHz工作带宽25KHz输入功率电平-55dBm-100 dBm跟踪接收机的电平斜率5dB / V通讯协议接口RS-232，控制频率电源24V10% DC，电流:150mA工作环境温度-30C+70 C该信标接收机主要包括输入预选、一次混频及处理、二次混频及处理、中频检波以及频率控制电路，如图2.5所示，输入预选完成对带外输入射频干扰信号抑制，采用9501450的带通滤波器；第一本振采用12501750MHz的高本振进行混频，由调谐电路控制本振1将接收射频信号变频到300MHz 中频，之后进行滤波和放大处理；第二本振将1中频信号二次变频到第二中频70MHz，之后进行放大和滤波处理，最后对中频信号进行检波和对数放大，输出直流检测信号，供基带判断和处理电路使用。接收机调谐采用3线串行控制，利用DDS 的快速和精度优势实现宽带高调谐精度的接收系统。在通信上该信标机采用RS232通信，通信接口简单，通信方便。图2.5 信标机原理图2.3.2 稳定伺服分系统图2.6为稳定伺服控制分系统，主要包括了传感器、执行器、控制器、监控装置等，传感器包括了三路陀螺、水平仪，GPS等；执行器主要包括俯仰电机、横滚电机和方位电机，其中俯仰和横滚采用了步进电机，方位采用直流电机；控制器是以MSP430F149为主控芯片的控制电路板。 图2.6 稳定伺服分系统在控制电路中，GPS通过串口向控制板发送天线所在地的经纬度，水平仪感应整个系统的姿态值；三个陀螺输出的电压信号通过AD转换将天线的各个轴系统的速度值传送给控制器，AGC电压信号通过AD转换将感应到的卫星强度信号传送给控制器；最终控制器计算输出各个轴所需转动的速度，经驱动器驱动各个电机转动响应的角度。下面介绍该模块中所用到的主要器件。2.3.2.1 MSP430简介德州仪器(TI)公司的MSP430系列单片机(或称为微控制器)，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机，具有如下特点：(1)超低功耗，2.2V时钟频率1Mhz时，工作电流为200，关闭模式时电流仅为0.1，且具有5种节能模式；(2)高效16位RISC-CPU，只需简介的27条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现都种运算；(3)丰富的片上外围模块，本系统采用的是MSP430F149，其包含12为A/D，精密模拟比较器，硬件乘法器，2组频率可达8MHz的时钟模块，2个带有大量捕获、比较寄存器的16位定时器，看门狗，两个可实现异步、同步的串行通信接口，数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等；(4)方便高效的开发方式：MSP430F149具有FLASH存储器，开发工具相当简便；(5)适应工业级运行环境：其运行环境温度范围为-4085，所设计的产品适合运行于工业环境下4352。2.3.2.2 GPS接收机GPS是以接收导航卫星信号为基础的非自主式导航与定位系统，通过接收来自至少4颗卫星的信号即可提供接收地的经度、纬度、高度等信息，其精度有几厘米至几十米不等，由于本系统只是在初始对星时需要测量载体的所在位置，精度要求不高，故选用精度为几米的GPS即可满足要求。GPS接收机将导航信息组成标准格式的GPS定位语句输出给控制器，控制器将该数据做进一步的处理，并结合同步卫星的位置信息，利用公式即可求出天线对准卫星应保持的方位、俯仰角，具体实现将在5.1.2节中介绍。目前的GPS接收机有外接天线和内置天线两种，为便于安装，本系统选择带有内置天线的GPS接收机。选用了接口为RS-232口的GS-216m作为GPS信号接收设备(如图2.7所示)，该接口式的GS-216m除了一个DB9口外，还另外引出了2跟线，分别为电源和地线，方便与多种设备相连。其性能特点如下：1) 低功耗、性价比高、外观设计简洁紧凑；2) 具备快速定位、同时搜索32颗卫星的能力；3) 内置低噪声、高灵敏度天线；4) 跟踪能力：-159dBm；5) 捕捉能力：-148dBm；6) 差分精度可达5米；7) 标准NMEA-0183语句选择输出，传输速率：4800，9600可选；8) 使用者不需进行初始化设置，可以直接接收数据；9) 定位时间(平均时间)：热启动3秒，暖启动36秒，冷启动42秒；10) 每秒脉冲1PPS(可选)；11) LED显示使用状态；图2.7 GPS接收机2.3.2.3 水平仪选型本系统中使用的水平仪是由Honeywell公司生产的HMR3000(如图2.8)，通过RS232/485串口提供航向输出(横滚、俯仰、与偏航)，具有快速的响应时间至20Hz，航向精度为0.5，分辨率为0.1，允许用户对其输出进行组态，包括六种NMEA的标准组合。在本系统中使用的是RS232接口，硬件连线简单。值得注意的是，在使用中我们发现，如果周围有硬铁，或者别的带有磁场的元器件将会对水平仪的输出有影响，故需要谨慎安装水平仪，或者将屏蔽水平仪，以保证其正常工作43。图2.8 安装在支架块上的水平仪2.3.2.4 陀螺选型在本系统中，使用了3个陀螺，分别测量俯仰轴、横滚轴、方位轴的扰动，采用由BEI公司生产的微机械陀螺，如图2.9所示：陀螺感应轴线图2.9 陀螺外观图和各引脚功能图该陀螺机构紧凑，可靠性高，具有低功耗、快速启动、低漂移等特点，其应用旋转向心力效应，依靠振荡石英的压电变形原理敏感其轴线的旋转角速度。主要参数如下：感应速度范围是；电压输出范围是；短期陀螺零点漂移为；分辨率为；启动时间小于1；工作温度范围为。2.3.2.5 驱动元件的选择由于方位系统处于最外层，其电机的转动会驱动整个跟踪平台的转动，故方位电机的负载最大，而方位电机的调速性能又直接决定了整个系统的跟踪精度，考虑到无刷直流电机具有调速性能好，效率高，体积小，重量轻等优点，故确定方位系统的传动装置为无刷直流电机。俯仰、横滚系统负载较小，考虑到步进电机方便调速，控制简单，性价比高，具有自锁功能等特点，适合于本系统俯仰、横滚系统，故确定横滚、俯仰系统的传动装置为步进电机。方位电机(无刷直流电机)采用了瑞士Maxon公司的EC系列无刷直流电机EC-45，定子绕组为三相星型连接，输出轴接减速比为26:1的减速器。俯仰、横滚电机(步进电机)采用了美国Eastern Air Devices Dover N.H公司的混合式四相步进电机，型号为LA23ECK-12。2.3.3 监控模块系统的监控模块主要负责实时、动态显示系统的姿态值、AGC电平值、电机的转速等，传输距离较远，速率较高，故采用RS422通信(这一模块的硬件与上面提到的直流电机的驱动在另一块电路板中，并与以MSP430F149为主控芯片的电路板实时通信，本论文不重点介绍)。监控计算机采用了联想品牌机，奔腾4处理器，主频2.93GHz，1.21GB的内存，这些指标可以满足本系统对监控计算机的要求。另外还需要422串口卡，AGC信号采集卡等。2.4 本章总结本章主要介绍系统的总体设计及部分硬件选择，首先介绍了机械结构的设计，采用了俯仰-横滚-方位三轴跟踪结构，俯仰、横滚、方位、支架块四个自由度；然后介绍了针对海事卫星通信的设计指标；最后根据这