【文章內(nèi)容簡介】 型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它有8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換[20]。，陀螺、。 ADC0808 引腳圖 AT89C51 ADC0808與單片機連接圖陀螺儀 數(shù)字羅盤 在載體運動的過程中，外界會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，天線的平臺會有產(chǎn)生偏差，為了克服偏差需要引進數(shù)字羅盤，同時數(shù)字羅盤還能位系統(tǒng)提供水平基準，在天線伺服控制中數(shù)字羅盤能補償陀螺產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。數(shù)字羅盤，也叫電子羅盤,是利用地磁場來定北極的一種方法。傳感器技術(shù)的發(fā)展，促生了磁阻傳感器和磁通門技術(shù)，在數(shù)字羅盤保持水平方面，工程師在該裝置上加上了傾斜傳感器，通過數(shù)字補償量保持數(shù)字羅盤水平。典型的數(shù)字羅盤往往有以下特點: 三軸磁阻效應傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。在數(shù)字羅盤內(nèi)安裝有溫度補償裝置，這就有效保證了指向角和偏移角保持相對穩(wěn)定。內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角，輸出RS232格式數(shù)據(jù)幀?？蛇xRS485和RS422輸出。具有簡單有效的用戶標校指令。具有指向零點修正功能。外殼結(jié)構(gòu)防水，無磁[21]。 隨著微電子集成技術(shù)以及加工工藝、材料技術(shù)的不斷發(fā)展。數(shù)字羅盤的研究制造與運用也達到了一個前所未有的水平。目前數(shù)字羅盤按照有無傾角補償可以分為平面數(shù)字羅盤和三維數(shù)字羅盤,也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應傳感器、霍爾效應傳感器和磁通門傳感器。 系統(tǒng)采用HMR3000數(shù)字羅盤，HMR3000是Honeywell公司的產(chǎn)品。它采集了航向、俯仰、橫滾數(shù)據(jù)提供給導航定位系統(tǒng)。HMR3000包含三個磁阻傳感器和一個雙軸的液體橫滾傳感器，微處理器控制傳感器的測量順序，控制器操作的參數(shù)存儲在EEPROM中，采用RS232接口，與單片機進行實時通訊[12]。HMR3000與單片機相連接需要通過RS232進行串接，才能實現(xiàn)采集處理信息的功能。HMR3000的技術(shù)規(guī)格輸入電壓：+5~15VDC分辨率：177。176。主板尺寸：83mm*25mm*22mm波特率：響應時間：功率：25mA傾斜：177。45176。接口方式：RS232輸出格式：NMEA0183電流：30mA HMR3000主要性能參數(shù) AT89C51 TXDRXDT1INR1OUTT1OUT R1IN 數(shù) 字 羅 盤 HMR3000電路連接圖 光電傳感器及限位器為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的俯仰角限位，還采用了光電傳感器。光電傳感器的工作原理是借助被檢測物體對紅外線的反射或遮光，根據(jù)同步回路的選通、截斷檢測物體的有無。本系統(tǒng)將光電傳感器的遮光片安裝在俯仰軸上，其限位線安裝在與俯仰軸垂直的位置，在俯仰軸轉(zhuǎn)動的過程中，光電傳感器會與遮光片發(fā)生相對運動，以此檢測信號，實現(xiàn)對俯仰角的限位作用。在步進電機的控制中，選用電位器作為位置反饋信號。電位器的原理是通過齒輪代替帶動可調(diào)電阻，使輸出電壓改變，從而實現(xiàn)對角位置的檢測，電位器的輸出的電壓范圍是0~+5V[22]。光電傳感器采用比杜克的FM12T02NP31P2光電傳感器，限位器選擇上海久菱船舶有限公司的PH82007限位器。 限位器 光電傳感器 光電傳感器和限位器的連接圖光電傳感器AT89C51限位器 衛(wèi)星信號接收模塊 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分在于接收衛(wèi)星信號，對衛(wèi)星信號要進行精準的識別才能達到系統(tǒng)的功能，同時該衛(wèi)星信號還作為一個參考輸入信號，驅(qū)動步進電機實時補償系統(tǒng)誤差。衛(wèi)星信號為高頻信號，首先需要高頻頭對饋源接收到的衛(wèi)星信號進行降頻放大。高頻頭使用衛(wèi)星接收機的電源。接收到的電磁波有垂直和水平兩種極化方式。地面接收站天線的極化定義是與地平面為基礎(chǔ)的，天線饋源矩形波導口窄邊與地面平行，電場矢量與地平面平行，定義為水平極化；同理，饋源矩形波窄邊導口垂直于地面的稱之為垂直極化。 系統(tǒng)選用衛(wèi)星接收機輸出的AGC信號作為跟蹤參考信號。衛(wèi)星接收機提取電波信號的AGC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，[23]。LNA天線分路器LNB 電視接收機信號處理電路給通信 獲取AGC信號圖中的LNA為低噪聲放大器，LNB為電視下變頻放大器。電視接收機在波束中心附近輸出一個與天線方向成比例的AGC信號，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路，可以向控制器提供跟蹤信號。系統(tǒng)采用百盛PROSAT5600數(shù)字衛(wèi)星接收機。AT89C51 衛(wèi)星信號接收器與單片機連接圖接收器 電源模塊 系統(tǒng)由多個元件、模塊組成，需要3種不同電壓的直流電源供電。首先是步進電機驅(qū)動器，需要24V的電壓，其次測姿系統(tǒng)需要5V電源供電，、系統(tǒng)的主電源采用明緯公司生產(chǎn)的S15024開關(guān)電源，其直流輸出電壓為12V,采用集成穩(wěn)壓芯片7805將電壓從12V轉(zhuǎn)化為5V。 5V轉(zhuǎn)換電路在測姿系統(tǒng)中電源主要應用在三個部分：一部分是給傳感器供電，一部分是給放大濾波電路供電，最后一部分是給單片機系統(tǒng)供電。其中陀螺和信號調(diào)理電路都需要12V電壓供電。5V電源由7805轉(zhuǎn)換獲得。+。 + 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)硬件的選型和電路原理圖的設(shè)計，包括執(zhí)行器件，驅(qū)動器件，數(shù)字羅盤，傳感器，接收器，單片機及電源模塊的具體參數(shù)介紹和選型。4 系統(tǒng)穩(wěn)定與跟蹤算法 系統(tǒng)的坐標選擇與方位俯仰角的計算 系統(tǒng)參考坐標系的選取 天線的指向需要有特定的參考坐標，因此在算法的設(shè)計中，需要確定天線的地理坐標系。地理坐標系OXgYgZg的坐標原點O選在衛(wèi)星地面站的重心處，OZg軸與地球的中線重合，地理坐標定義為g系[24]。 地理坐標系OXgYgZg 天線方位角和俯仰角的計算 天線的視角包括天線指向相對地理坐標系的俯仰角和方位角。地理坐標系中的方位俯仰角計算，由于所需對準跟蹤的同步衛(wèi)星所在位置為赤道上空，緯度為零，因此，衛(wèi)星與地面接收站的距離為： （） 公式：。其中，地面距地心的距離為R（R=6378km），衛(wèi)星的高度為H。其中分別為當前所在地經(jīng)度、衛(wèi)星緯度和所在地緯度。天線在地理坐標系下的俯仰角為： （）將H=35786km，R=6378km代入式（），可簡化為 （） 接收點P和赤道上空衛(wèi)星的S間的連線與水平的夾角為方位角，接收點中看，指向位于赤道上空的衛(wèi)星和指向地面天線是一個方位角。有，換算之后為： （）系統(tǒng)控制天線的俯仰角和方位角的角度大小與衛(wèi)星相對于天線所在的地理坐標系的俯仰角和方位角相同時，可以視為天線跟蹤到了衛(wèi)星。因此載體天線跟蹤衛(wèi)星時的目標角度為俯仰角和方位角。從以上的分析可以得出，只要給出載體相對于地理坐標系的姿態(tài)角，就能求出天線指向的目標角度、并將它們提供給控制系統(tǒng)，對天線指向進行開環(huán)控制。天線的指向相對于載體坐標系的俯仰角和方位角是可以由角度傳感器檢測到并由控制系統(tǒng)控制的[25]。 自動尋星算法在移動衛(wèi)星的天線跟蹤中，系統(tǒng)完成的尋星、準確對星和快速的跟蹤，需要一個好的跟蹤算法。系統(tǒng)跟蹤算法的優(yōu)劣直接影響著整個系統(tǒng)的性能，所以對系統(tǒng)算法的研究也需要格外的重視。系統(tǒng)采用步進跟蹤和程序跟蹤相結(jié)合的方式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對衛(wèi)星實時快速準確的跟蹤。 程序跟蹤程序跟蹤的原理就是通過已測得或是已知的地理信息、目標衛(wèi)星信息和天線的姿態(tài)信息，經(jīng)過數(shù)學轉(zhuǎn)換得到俯仰電機和方位電機需要轉(zhuǎn)動的角度，從而控制步進電機處于一個預定的范圍。程序控制屬于開環(huán)控制，傳感器的精度和姿態(tài)等信息解算的精度直接影響這它的性能[26]。 步進搜索與跟蹤 步進跟蹤的天線運動方式有搜索步和調(diào)整步兩種形式。搜索步和調(diào)整步配合進行，搜索步確定方向，經(jīng)調(diào)整步向這個方向運動一步。在實際工作中需要多次的搜索步后，調(diào)整步的運動方向才能確定。方向確定之后，即搜索步結(jié)束，天線回到原位置，這時調(diào)整步工作，使天線往確定的方向轉(zhuǎn)動一步。調(diào)整步不會像搜索步那樣轉(zhuǎn)動后再回到原位置，而是轉(zhuǎn)動之后保持在動作之后的位置，天線的調(diào)整步轉(zhuǎn)動一步后，一個工作周期結(jié)束。系統(tǒng)采用雙向搜索等調(diào)整步式步進跟蹤體制以提高跟蹤的精度。雙向搜索等調(diào)整步式的步進跟蹤巧妙地分開了搜索步和調(diào)整步，并將兩者的步距比設(shè)成了8:1，這種形式的跟蹤精度和靈敏度都得到提高。在工作流程圖中，P是工作軸的標志位，P=0時轉(zhuǎn)動俯仰軸的步進電機，P=1時轉(zhuǎn)動方位軸的步進電機；m1和m2分別表示天線在第一和第二位置接收的AGC電平信號，比較值a=m1m2。衛(wèi)星信號搜索過程為：先啟用方位軸電機，使其在待命狀態(tài)，然后進行搜索步，方位軸步進電機順時針轉(zhuǎn)動4步，并且取此位置的AGC信號的電平數(shù)值存于m1，接著方位軸步進電機逆時針轉(zhuǎn)動8步，將此位置的AGC信號的電平值存于m2,計算出=m2m1,接著將的值與采樣電路的值進行比較，當時，說明天線接收到了衛(wèi)星信號，不需要再次進行調(diào)整；否則，說明天線還不能接收到信號，還要繼續(xù)進行調(diào)整。如果，在a0時，步進電機順時針走5步，否則順時針走3步。方位軸調(diào)整結(jié)束后，P值取反，對俯仰軸進行調(diào)整，調(diào)整方法同上。方位軸和俯仰軸依次調(diào)整結(jié)束后，再進一次進行對方位和俯仰軸的搜索和調(diào)整動作。采集的信號電平值大于AGC電平，說明天線已經(jīng)接收到了衛(wèi)星信號，搜索結(jié)束[27]。初始化數(shù)據(jù)P=1取AGC信號AGC大于門限閥值正向走4步取AGC信號存于m1反向走8步m1m2→a→ a0正向走3步 P取反正向走4步正向走5步取AGC信號存于m2進入步進跟蹤退出進入穩(wěn)定伺服 步進跟蹤流程圖NYNNYY 穩(wěn)定算法 橫滾軸的控制方法 橫滾系統(tǒng)是系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，橫滾系統(tǒng)保證了天線俯仰軸和俯仰陀螺與水平面平行。橫滾陀螺輸出的角速度和水平儀輸出的橫滾傾斜角為橫滾系統(tǒng)所需要的傳感器信號。橫滾步進電機的轉(zhuǎn)動軸與水平面平行。 在衛(wèi)星天線的安裝過程中，將天線俯仰軸與水平面平行安裝，橫滾的轉(zhuǎn)動軸與橫滾陀螺軸線安裝在同一軸上，橫滾軸檢測到的角速度就是橫滾系統(tǒng)的補償角到橫滾系統(tǒng)轉(zhuǎn)動軸上的補償量[28]。 橫滾指令 控制器驅(qū)動器 橫滾系統(tǒng) 1/S橫滾輸出 水平儀步進電機 橫滾陀螺 載體擾動 橫滾系統(tǒng)控制框圖 橫滾系統(tǒng)采用前饋補償?shù)目刂品绞?，以保證方位和俯仰陀螺不會受到橫滾步進電機的影響。根據(jù)陀螺檢測出的角速度和橫滾控制系統(tǒng)中每個周期的為,計算出每個周期的補償量為，步進電機步數(shù)為。步進電機是以數(shù)字信號來驅(qū)動的，簡化驅(qū)動器與步進電機的前向通道，簡化前饋補償。陀螺和水平儀的結(jié)合使用可以是系統(tǒng)能夠高精度且快速的穩(wěn)定。同時衛(wèi)星天線的橫滾系統(tǒng)的穩(wěn)定，使得俯仰軸和陀螺軸線平行地面，有效地保證俯仰系統(tǒng)的穩(wěn)定[28]。 俯仰軸的控制方法俯仰系統(tǒng)的穩(wěn)定直接關(guān)系到了俯仰指向不會發(fā)生變化。俯仰陀螺的角速度和水平儀俯仰傾斜角為俯仰系統(tǒng)接收到的傳感信號。通過俯仰陀螺檢測到的角速度作為俯仰系統(tǒng)的補償量，因此在一個周期內(nèi)俯仰角位置的補償量為：，驅(qū)動步進電機的步數(shù)為：。俯仰系統(tǒng)采用與橫滾系統(tǒng)相同控制方法，將的值反饋給系統(tǒng)，驅(qū)動步進電機完成前饋補償，與此同時利用水平儀對系統(tǒng)進行前饋補償[28]。 俯仰指令 控制器驅(qū)動器 俯仰系統(tǒng) 1/S俯仰輸出 水平儀步進電機 俯仰陀螺載體擾動圖4. 4 俯仰系統(tǒng)控制框圖 方位角的控制方法 方位系統(tǒng)控制框圖 方位指令 控制器驅(qū)動器 方位系統(tǒng) 1/S方位輸出方位陀螺步進電機載體擾動 方位系統(tǒng)的穩(wěn)定直接關(guān)系到了衛(wèi)星天線的空間方位指向不變。天線底座上的方位陀螺為方位系統(tǒng)提供傳感信號，陀螺的軸線平行于電機的轉(zhuǎn)動軸。從結(jié)構(gòu)上看，俯仰和橫滾電機的運行不會產(chǎn)生俯仰、橫滾陀螺的輸出，因此系統(tǒng)可以通過前饋補償抑制擾動干擾。但是，方位陀螺需要檢測出載體方位的加速度和自身轉(zhuǎn)動的加速度，所以方位系統(tǒng)的穩(wěn)定要采用方位陀螺輸出為反饋的閉環(huán)控制[21]。外部擾動和方位電機轉(zhuǎn)動引起的方位空間指向的變化為,方位陀螺的采樣周期為TA=5ms，方位系統(tǒng)穩(wěn)定要保證方位空間指向不會改變，要保證，方位系統(tǒng)具體的控制流程圖。采用方位陀螺速度輸出方位空間的指向變化量調(diào)用bangbang和智能分區(qū)PID相結(jié)合的思想得出步