【文章內(nèi)容簡介】 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(jìn)行精準(zhǔn)的識別才能達(dá)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(jìn)電機(jī)實時補(bǔ)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(jìn)行降頻放大。高頻頭使用衛(wèi)星接收機(jī)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)輸出的AGC信號作為跟蹤參考信號。衛(wèi)星接收機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)。AT89C51 衛(wèi)星信號接收器與單片機(jī)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(jìn)電機(jī)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(yīng)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(jī)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(jī)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(biāo)選擇與方位俯仰角的計算 系統(tǒng)參考坐標(biāo)系的選取 天線的指向需要有特定的參考坐標(biāo)，因此在算法的設(shè)計中，需要確定天線的地理坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系OXgYgZg的坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)定義為g系[24]。 地理坐標(biāo)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(biāo)系的俯仰角和方位角。地理坐標(biāo)系中的方位俯仰角計算，由于所需對準(zhǔn)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(dāng)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(biāo)系下的俯仰角為： （）將H=35786km，R=6378km代入式（），可簡化為 （） 接收點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)系的姿態(tài)角，就能求出天線指向的目標(biāo)角度、并將它們提供給控制系統(tǒng)，對天線指向進(jìn)行開環(huán)控制。天線的指向相對于載體坐標(biāo)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(biāo)衛(wèi)星信息和天線的姿態(tài)信息，經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到俯仰電機(jī)和方位電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度，從而控制步進(jìn)電機(jī)處于一個預(yù)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(jìn)搜索與跟蹤 步進(jìn)跟蹤的天線運(yùn)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(jìn)行，搜索步確定方向，經(jīng)調(diào)整步向這個方向運(yùn)動一步。在實際工作中需要多次的搜索步后，調(diào)整步的運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)志位，P=0時轉(zhuǎn)動俯仰軸的步進(jìn)電機(jī)，P=1時轉(zhuǎn)動方位軸的步進(jìn)電機(jī)；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(jī)，使其在待命狀態(tài)，然后進(jìn)行搜索步，方位軸步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)行比較，當(dāng)時，說明天線接收到了衛(wèi)星信號，不需要再次進(jìn)行調(diào)整；否則，說明天線還不能接收到信號，還要繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。如果，在a0時，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)一次進(jìn)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(jìn)入步進(jìn)跟蹤退出進(jìn)入穩(wěn)定伺服 步進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(bǔ)償角到橫滾系統(tǒng)轉(zhuǎn)動軸上的補(bǔ)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(jìn)電機(jī) 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(bǔ)償?shù)目刂品绞剑员ＷC方位和俯仰陀螺不會受到橫滾步進(jìn)電機(jī)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(bǔ)償量為，步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為。步進(jìn)電機(jī)是以數(shù)字信號來驅(qū)動的，簡化驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)的前向通道，簡化前饋補(bǔ)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(bǔ)償量，因此在一個周期內(nèi)俯仰角位置的補(bǔ)償量為：，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)完成前饋補(bǔ)償，與此同時利用水平儀對系統(tǒng)進(jìn)行前饋補(bǔ)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(jìn)電機(jī) 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(jìn)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動軸。從結(jié)構(gòu)上看，俯仰和橫滾電機(jī)的運(yùn)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(bǔ)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(jī)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)合的思想得出步進(jìn)電機(jī)速度目標(biāo)值V由V得出TimerB的定時周期t驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)走步設(shè)置TimerA，定時長度TA定時器TA到了嗎 ? 方位系統(tǒng)控制流程圖 NY 系統(tǒng)采用步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)方位系統(tǒng)進(jìn)行精確地調(diào)速，為了能夠較好的實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確，快速調(diào)速，系統(tǒng)采用智能分區(qū)PID控制。 PID及bangbang控制 PID控制 PID控制具有很強(qiáng)的實用性，這種控制不僅可以再各種條件下運(yùn)行，同時簡單易用。PID分為比例、微分、積分三部分。它的輸出與輸入的關(guān)系為： （）其中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。比例環(huán)節(jié)可以成比例的反映出系統(tǒng)的偏差信號，偏差產(chǎn)生的同時，控制器就發(fā)揮作用，消除偏差。積分環(huán)節(jié)主要是為了消除靜差，積分環(huán)節(jié)的控制強(qiáng)弱與時間常數(shù)Tl有關(guān)，Tl越小，積分作用越強(qiáng)，反之，越弱。微分環(huán)節(jié)主要是反映出系統(tǒng)偏差的變化程度，當(dāng)偏差過于大時，該控制器會提前引入一個修正信號，是系統(tǒng)快速動作，有效地減少了調(diào)節(jié)時間。 在現(xiàn)實應(yīng)用中的伺服控制系統(tǒng)中，在跟蹤高速運(yùn)動的信號時，使用經(jīng)典的PID控制器，就不能很好的解決這個問題了，跟蹤性和穩(wěn)定性不能同時實現(xiàn)。主要是因為跟蹤高速運(yùn)動的信號時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能不能滿足要求，因此像這樣的經(jīng)典PID控制不能跟蹤高速的或高加速的信號。正因為這種情況，本系統(tǒng)采用分區(qū)的PID控制，根據(jù)系統(tǒng)的不同情況智能選擇P、I、D的控制參數(shù)。系統(tǒng)提出兩套P、I、D參數(shù)，在不同的情況下系統(tǒng)自動選擇不同的參數(shù)[29]。 bangbang控制 在PID的調(diào)節(jié)控制中，控制系統(tǒng)只有在最短的時間內(nèi)將給定值的一個狀態(tài)遷移到另一個狀態(tài)，才能實現(xiàn)最好的控制。bangbang控制與PID相結(jié)合的方法可以有效地實現(xiàn)上述要求。Bangbang控制又可以稱為最大誤差控制。在系統(tǒng)的偏差超出標(biāo)準(zhǔn)值太多時，系統(tǒng)會調(diào)用最大的控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而減少調(diào)節(jié)的時間。Bangbang控制的算式： （）式中為系統(tǒng)最大可調(diào)的控制量，為誤差的判定參數(shù)，當(dāng)時，需要進(jìn)行PID控制，時，系統(tǒng)處于全部導(dǎo)通狀態(tài)，不需要PID控制。為設(shè)定值，該值的大小需要通過實驗來確定，過小，bangbang控制得不到應(yīng)用，過大會使系統(tǒng)的超調(diào)量增大[30]。 系統(tǒng)的算法系統(tǒng)采用的算法的工作原理是：在系統(tǒng)的實際的反饋值和定值有很大的偏差時，選擇bangbang控制器進(jìn)行控制，該控制器需要輸出最大量，是系統(tǒng)作出快速的反應(yīng)，很快的減小偏差。偏差值為時，采用智能分區(qū)的PID算法，采用不同的PID參數(shù)以適應(yīng)系統(tǒng)不同的階段，可以使系統(tǒng)實現(xiàn)快速的穩(wěn)定。這樣的控制算法可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)性能和精度。 本章小結(jié) 本章主要介紹了本系統(tǒng)的具體的自動尋星算法和伺服穩(wěn)定的算法，還對一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算，并確定了智能分區(qū)PID為基礎(chǔ)的控制，由于算法較復(fù)雜，以參考文獻(xiàn)為主。5 軟件的設(shè)計衛(wèi)星地面站天線跟蹤系統(tǒng)的軟件開發(fā)使用基于AT89C51的keil uvision4。這款軟件在不斷的發(fā)展中，2009年發(fā)布了Keil uVision4，它引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并提供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，提供一個整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。 系統(tǒng)軟件的組成一個系統(tǒng)的軟件部分時系統(tǒng)實現(xiàn)自身功能的靈魂。軟件的設(shè)計直接影響著系統(tǒng)能否穩(wěn)定的運(yùn)行，一個好的運(yùn)行系統(tǒng)需要一個好的軟件部分，軟件的編寫過程中需要考慮到環(huán)境的情況，要很好的克服外界的干擾本系統(tǒng)的軟件部分包括三個部分：系統(tǒng)