【正文】 之間AGC電平有稍許增勢，而粗對準后天線指向精度不會超過3176。同樣將系統(tǒng)天線調(diào)整到AGC電平信號最強的點，隨后穩(wěn)定俯仰軸，得到方位偏轉(zhuǎn)對AGC點評的影響曲線，(b)。本系統(tǒng)選用的GS216m輸出包含了上述6種格式的語句，因為每種格式的語句都包含有重復的數(shù)據(jù)信息，故只選擇了其中的“$GPRMC”格式的語句存儲并解析，這種語句的格式為：$GPRMC，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，*hhCRLF。 系統(tǒng)的粗對準保證了俯仰陀螺的軸線平行于水平面，方位陀螺的軸線垂直于水平面，支架塊平行于水平面即水平儀測得的俯仰、橫滾值理論上為0176。；緊接著支架塊向相反方向轉(zhuǎn)動7176。由于本系統(tǒng)主要跟蹤亞太六號，那么可以知道，可以通過GPS測得，從而可以計算得到，即系統(tǒng)初始運動所要到達的位置。4) 定時器timer_A、timer_B的初始化函數(shù)，timer_A在系統(tǒng)初始化過程中主要用來定時俯仰、支架塊電機的運動，在系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星過程中主要負責方位系統(tǒng)的變周期定時中斷；timer_B主要負責系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星過程中俯仰系統(tǒng)的變周期中斷；5) 看門狗定時器的函數(shù)watchdog_timer()，其主要負責定時橫滾系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)；6) 輸入輸出口的初始化函數(shù)P_Initialization()，單片機的外圍引腳根據(jù)要求選擇為單片機模塊功能和基本I/O功能。初始對星模塊主要完成單片機初始化，調(diào)平橫滾軸，通過AGC信號尋找目標星等；系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星模塊主要用于隔離載體擾動，通過各種傳感器信號測量，以及一定的控制策略，保證系統(tǒng)方位、俯仰指向的正確；監(jiān)控模塊主要指上位機對系統(tǒng)狀態(tài)、參數(shù)的實時監(jiān)控。 總結(jié) 本章首先介紹了三軸系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)及跟蹤機理，通過分析傳感器、電機在不同安裝條件下有著不同的控制策略，并增加了支架塊這一自由度，從而最大程度的減少了三軸系統(tǒng)的解耦，最終確定了俯仰方位閉環(huán)控制，橫滾前饋補償?shù)目刂撇呗?。通過以上的仿真結(jié)果，我們分析出：1) 采用飽和函數(shù)的滑?？刂拼蟠鬁p少了系統(tǒng)輸出的抖振，飽和函數(shù)中的需要實驗試湊得到，一般為一個較小的正常數(shù)。2) 采用滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真，： (a)滑模運動相軌跡 (b)滑?？刂破鬏敵? (c)滑模位置跟蹤曲線 (d)滑模速度跟蹤曲線 (e)位置誤差曲線 (f)速度誤差曲線 滑模運動仿真曲線()，控制器的輸出開始頻繁切換,這樣勢必會帶來方位系統(tǒng)的抖振，176。 我們分別采用了分區(qū)PID控制與滑模變控制進行仿真。在邊界層內(nèi)，采用飽和函數(shù)不要求滿足滑動模態(tài)的存在條件，因此采用飽和函數(shù)的滑?？刂撇灰笤谇袚Q面上進行控制結(jié)構(gòu)的變換，其本質(zhì)是：在邊界層外，采用切換控制；在邊界層內(nèi)，采用線性化反饋控制。由于滑模變結(jié)構(gòu)控制在某種程度上會引起系統(tǒng)的抖振，根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)原理，要求系統(tǒng)運動必須趨向于切換面s=0，這一條件僅保證由狀態(tài)空間任意位置運動點在有限時間內(nèi)到達切換面的要求，而對于趨近運動的具體軌跡未做任何限制，故我們采用一定的趨近律來保證趨近運動的動態(tài)品質(zhì)，在方位系統(tǒng)仿真中我們采用了指數(shù)趨近律： () 對于單純的指數(shù)趨近，運動點逼近切換面是一個漸近的過程，不能保證有限時間內(nèi)到達，切換面上也就不存在滑動模態(tài)了，故要增加一個等速趨近項，使當s接近于0時，趨近速度是而不是0，可以保證有限時間到達切換面。 一組方位系統(tǒng)的分區(qū)PID仿真系數(shù)表誤差(角度)比例系數(shù)積分系數(shù)微分系數(shù)200～201～0～100~0，： ()其中Kp是比例系數(shù)，Un為智能積分系數(shù)，隨著誤差e的變化而不斷調(diào)整。由以上分析可知，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)和e的變化趨勢，對PID三個參數(shù)做實時調(diào)整，能夠取到較好的控制效果。故應適當引入積分作用和微分作用。(2) BC階段在這一段中，e0，0，即誤差向增大的方向變化，說明此時的系統(tǒng)輸出正背離希望值，此時的控制量應致力于壓低超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小。方位系統(tǒng)本身存在各種摩擦、質(zhì)量偏心、機械諧振、軸系耦合等干擾因素，系統(tǒng)設計的目標就是要在消除這些不確定干擾的情況下(保證系統(tǒng)擁有一定的魯棒性)，隔離載體的擾動，保證整個天線穩(wěn)定指向衛(wèi)星。而由于本系統(tǒng)主要針對海上艦船的需要，故仿真中輸入信號一般取正弦信號[26]。由于前饋的控制策略較為簡單，實際系統(tǒng)也容易實現(xiàn)，故這里不做具體分析，下面具體分析適用于閉環(huán)反饋的控制算法。而對于俯仰和方位系統(tǒng)來言，其采用閉環(huán)反饋。這種陀螺安裝方式以最終控制目標為測量對象，即測量收發(fā)衛(wèi)星信號的天線部分在大地坐標系中三個軸方向上的實際角速度，是載體擾動角速度與系統(tǒng)自身補償角速度的合速度。，對于每個軸來說，來多大擾動，則相應的驅(qū)動電機向相反的方向轉(zhuǎn)多少角度，其相應的角速度滿足式()。橫滾陀螺安裝在系統(tǒng)方位轉(zhuǎn)動架上，其角速度感應軸線平行于天線的橫滾轉(zhuǎn)動軸。 本系統(tǒng)中陀螺儀作為速度反饋，其安裝位置直接決定了各個軸的控制策略，下面具體分析前饋控制策略與反饋控制策略。 穩(wěn)定跟蹤過程中系統(tǒng)姿態(tài)與大地坐標系的關(guān)系當載體受到擾動時，設載體擾動角速度為，則擾動角速度換算到方位坐標系的角速度為： ()其中為大地坐標系到方位系統(tǒng)坐標系的變換矩陣。設大地坐標系為。本文根據(jù)本系統(tǒng)的特點，提出了一種根據(jù)逆向思維分析天線三軸穩(wěn)定機理的方法。三軸穩(wěn)定指通過方位、橫滾和俯仰三個子系統(tǒng)分別繞自身轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動來調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，隔離載體擾動，保持穩(wěn)定姿態(tài)。最后將最小二乘多項式擬合的方法應用于實際的系統(tǒng)中，并給出了輸出曲線及特性，從而為系統(tǒng)高精度的跟蹤提供了有力保證。 本章小結(jié) 陀螺輸出信號的高精度是本系統(tǒng)正常工作的重要保障。比較我們發(fā)現(xiàn)，依次通過這三種方法的處理，誤差均值的絕對值不斷減小，且標準方差分別降至原來信號標準方差的85%，%，%。過這三種不同的濾波方法后，最大誤差(絕對值)都有了明顯的減小，且標準方差分別降至原來信號標準方差的97%，%，63%。 實驗二：(動態(tài)勻速濾波實驗)當系統(tǒng)繞俯仰軸以勻速轉(zhuǎn)動時，此時理論上算出陀螺的輸出經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的值為2372，隨機采集一組俯仰軸陀螺經(jīng)濾波處理后的反饋信號，采樣頻率是100HZ，樣本數(shù)量為2300個數(shù)據(jù)點，對其分別采用上述不同的濾波方法處理，下面是仿真結(jié)果及分析。 as=20。迭代的公式如下： () () ()即為多項式的系數(shù)，那么t時刻的輸出值就可以求得，：初始 ,t,根據(jù)多項式擬合計算出此刻的輸出將=,=陀螺此時輸入 最小二乘多項式計算方法 陀螺濾波實驗結(jié)果與分析在本系統(tǒng)中，以安裝在俯仰軸上的俯仰陀螺為例，進行了濾波實驗，分別為靜態(tài)濾波實驗、動態(tài)勻速濾波實驗、隨機濾波實驗、實際系統(tǒng)輸出結(jié)果。 基于遞推最小二乘多項式擬合的陀螺信號處理，而多項式擬合需要整個輸入與輸出之間的關(guān)系，由于本系統(tǒng)中陀螺是需要實時地輸出其感知到的擾動值，因此如何保證陀螺輸出的實時性成為了一個難點。由多元函數(shù)求極值的必要條件，得 ()即 ()()是關(guān)于的線性方程組，用矩陣表示為 ()式()或式()稱為正規(guī)方程組或法方程組。遞推估計算法無需存儲全部數(shù)據(jù)，取得一組觀測數(shù)據(jù)，便可估計一次參數(shù)，因此所需的計算量和占用的存儲空間都很小，而且能實現(xiàn)在線實時辨識： （）為了進行遞推計算，需要給出和的初值。 遞推最小二乘的基本原理最小二乘大約是1795年高斯在他那星體運動軌道預報工作中提出的，與其他方法相比，最小二乘法原理簡單，易于理解和掌握，且最小二乘估計在一定條件下具有良好的統(tǒng)計性，因而最小二乘法得到了廣泛應用。目前，很多研究采用建立陀螺誤差模型，然后依據(jù)模型對其進行誤差補償，通常有解析法與實驗法兩種。)。z39。設計時一般會知道以下四個量： 確定N的公式為：；2) 在matlab中用ellip函數(shù)求出濾波器的傳遞函數(shù)。L越大，也變大。 橢圓濾波器的簡介橢圓濾波器幅值響應在通帶和阻帶內(nèi)都是等波紋的，對于給定的階數(shù)和給定的波紋要求，橢圓濾波器能獲得較其它濾波器更窄的過渡帶寬，就這點而言，橢圓濾波器是最優(yōu)的。本系統(tǒng)采用控制芯片在線執(zhí)行數(shù)字濾波處理程序。 俯仰系統(tǒng)勻速運動陀螺輸出的頻譜圖，原始信號是俯仰陀螺在俯仰軸以18176。在實際應用中通常采用快速傅里葉變換計算DFT[19]。由于本系統(tǒng)中陀螺信號的采樣值是一個離散值，故對陀螺的輸出進行頻譜分析時需要采用離散傅里葉變換。要減小陀螺信號噪聲對系統(tǒng)跟蹤精度的影響，目前主要有兩種途徑：一是選用抗干擾較強，精度較高的激光陀螺、光纖陀螺等；二是對陀螺進行濾波以達到提高信號精度的目的。 本章總結(jié)本章主要介紹系統(tǒng)的總體設計及部分硬件選擇，首先介紹了機械結(jié)構(gòu)的設計，采用了俯仰橫滾方位三軸跟蹤結(jié)構(gòu)，俯仰、橫滾、方位、支架塊四個自由度；然后介紹了針對海事衛(wèi)星通信的設計指標；最后根據(jù)這一指標將本系統(tǒng)模塊化，分別為衛(wèi)星通信模塊，穩(wěn)定與跟蹤控制模塊，監(jiān)控模塊三部分，重點介紹了前兩個模塊，并給出了所需硬件的選型。俯仰、橫滾電機(步進電機)采用了美國Eastern Air Devices Dover ，型號為LA23ECK12。主要參數(shù)如下：感應速度范圍是；電壓輸出范圍是；短期陀螺零點漂移為；分辨率為；啟動時間小于1；工作溫度范圍為。允許用戶對其輸出進行組態(tài)，包括六種NMEA的標準組合。目前的GPS接收機有外接天線和內(nèi)置天線兩種，為便于安裝，本系統(tǒng)選擇帶有內(nèi)置天線的GPS接收機。下面介紹該模塊中所用到的主要器件。接收機調(diào)諧采用3線串行控制，利用DDS 的快速和精度優(yōu)勢實現(xiàn)寬帶高調(diào)諧精度的接收系統(tǒng)。25KHz輸入功率電平55dBm~100 dBm跟蹤接收機的電平斜率5dB / V通訊協(xié)議接口RS232，控制頻率電源24V177。LNB輸出的中頻信號進入衛(wèi)星信號接收機，經(jīng)處理后最終輸出高頻信號(RF)，同時還輸出AV和S端子視頻信號。 系統(tǒng)組成，主要由衛(wèi)星通信分系統(tǒng)、穩(wěn)定伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。支架塊安裝在俯仰系統(tǒng)的一側(cè)，其自身轉(zhuǎn)動對俯仰系統(tǒng)不產(chǎn)生影響。用于收發(fā)衛(wèi)星信號的天線部分安裝在俯仰系統(tǒng)上。2 系統(tǒng)總體設計 機械結(jié)構(gòu)設計由于本系統(tǒng)主要針對于海事通信，即船載移動衛(wèi)星通信，因此采用了高輪廓的天線，在機械結(jié)構(gòu)上采用俯仰橫滾方位三軸結(jié)構(gòu)。 第四章：分析三軸結(jié)構(gòu)及三軸跟蹤機理，提出適用于不同軸系的不同控制策略，并對方位、俯仰的控制方法進行了仿真。 本論文研究內(nèi)容與章節(jié)安排 論文的主要研究內(nèi)容 本課題針對船載“動中通”系統(tǒng)，設計并實現(xiàn)了三軸自主跟蹤平臺，主要研究內(nèi)容如下：1) 研究應用于“動中通”系統(tǒng)的三軸自主跟蹤平臺結(jié)構(gòu)，總體方案，以及各部分模塊功能設計； 2) 設計三軸自主跟蹤平臺中陀螺信號的濾波處理方案，并將其應用到實際系統(tǒng)中，對實際系統(tǒng)陀螺信號進行處理，保證了控制器輸入信號的精確性； 3) 研究分析三軸跟蹤結(jié)構(gòu)以及三軸跟蹤機理，針對不同的分軸系統(tǒng)提出不同的控制策略，簡化三軸解耦，并重點分析研究了智能PID控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制在方位、俯仰系統(tǒng)中的應用，并進行了仿真驗證； 4) 通過嵌入式開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)該穩(wěn)定跟蹤平臺的自主對星與穩(wěn)定跟蹤的功能，并給出最終實際系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果。Kalman濾波是實際應用中最為常見的一種方法，它是一種線性、無偏最小方差估計方法，能夠通過算法估計提取所需信號，因而可以得到比較精確的狀態(tài)估計。目前市面上主要有壓電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等。變結(jié)構(gòu)控制的突出優(yōu)點就是對系統(tǒng)的攝動具有完全的魯棒性。但由于其應用場合的不同，決定了穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)又具有不同于一般伺服系統(tǒng)的特點：高精度、寬調(diào)速。 隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字捷聯(lián)穩(wěn)定系統(tǒng)在軍事、天文、航空航天、導航制導等領域發(fā)揮著巨大的作用。 穩(wěn)定平臺技術(shù)的發(fā)展 穩(wěn)定跟蹤控制技術(shù)是“動中通”系統(tǒng)的核心之一，對于“動中通”穩(wěn)定平臺的研究具有非常重要的意義。一般車載天線采用兩軸結(jié)構(gòu)，船載天線采用三軸結(jié)構(gòu)。 移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)分類 1) 根據(jù)天線輪廓分類 “動中通”按照天線輪廓分類可以分為高輪廓、中輪廓與低輪廓，天線輪廓的大小直接決定了天線信息速率的大小。 北京航天儀器控制研究所生產(chǎn)的車載常規(guī)“動中通”系統(tǒng)與車載低輪廓“動中通”系統(tǒng)，采用了“神舟”系列載人飛船導航系統(tǒng)上的多項技術(shù)，是衛(wèi)星通訊領域的一次重大技術(shù)突破，在軍民兩個領域已得到很好地應用。/s。其基于三軸伺服穩(wěn)定的VSAT天線系統(tǒng)，即使在最惡劣的暴風雨環(huán)境下．都能在海上接收到穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星傳輸信號，確保用戶的通信不會受到任何影響[7]。 國外研究現(xiàn)狀對“動中通”系統(tǒng)的研究，國外發(fā)展較早，在理論和工程上都取得了重要的科研成果。作戰(zhàn)車輛在運動過程中不可避免的受到路面的顛簸、風力的影響而導致安裝在車輛上的天線不能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號；在海上航行的艦船由于海浪沖擊、船只轉(zhuǎn)向等影響而導致安裝在艦船上的衛(wèi)星天線無法正常工作，這就需要為天線提供穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，即為載體提供移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)(又稱“動中通”)，該系統(tǒng)除了實現(xiàn)跟蹤對星的伺服任務外，還能隔離載體受到的各種擾動，保證天線穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號[3]。當前，CDMA，GPRS等系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中已經(jīng)初步解決了人們的需求，但這些系統(tǒng)需要地面基站作為支撐，如果沒有基站支持(如船只在海上航行)，或者基站在戰(zhàn)爭中或者自然災害中受損，將無法保證通信的要求。關(guān)鍵詞：三軸結(jié)構(gòu)，初始對星，穩(wěn)定跟蹤，智能PID控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制 IAbstractMobile satellite munication system can meet the needs of carriers39。對于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。學 位 論 文基于三軸自主跟蹤平臺的研究與實現(xiàn)——系統(tǒng)控