【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(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(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(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)合的思想得出步進電機速度目標值V由V得出TimerB的定時周期t驅(qū)動步進電機走步設(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)采用步進電動機進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)方位系統(tǒng)進行精確地調(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控制具有很強的實用性，這種控制不僅可以再各種條件下運行，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)的控制強弱與時間常數(shù)Tl有關(guān)，Tl越小，積分作用越強，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)的偏差超出標準值太多時，系統(tǒng)會調(diào)用最大的控制量進行調(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)，當時，需要進行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)定的運行，一個好的運行系統(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)