【正文】 Zhao, JianXun。在此，也對(duì)他們表示衷心感謝。求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂(lè)的。對(duì)于衛(wèi)星通信方面還有更多方面更多的未知需要我們?nèi)ヌ剿?希望在將來(lái)可以用我們的知識(shí)來(lái)對(duì)我們國(guó)家乃至全世界的衛(wèi)星通信事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。移動(dòng)衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)采用激光制導(dǎo)、遙測(cè)天線控制技術(shù)、衛(wèi)星定位等技術(shù)，能自動(dòng)捕獲目標(biāo)衛(wèi)星采用先進(jìn)的自跟蹤技術(shù)，能在載體運(yùn)動(dòng)的情況下，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行高精度的自動(dòng)跟蹤。所謂衛(wèi)星移動(dòng)通信是指借助于通信衛(wèi)星在固定地面站與移動(dòng)站如車載站、機(jī)載站或者移動(dòng)站與移動(dòng)站之間提供通信鏈路的通信系統(tǒng)。衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無(wú)關(guān)，以廣播方式工作，便于實(shí)現(xiàn)多址鏈接，通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類型多，性能穩(wěn)定可靠，靈活機(jī)動(dòng)，不受地理?xiàng)l件限制。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星在通信、廣播、導(dǎo)航定位、氣象服務(wù)遙感遙測(cè)、地球資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)、技術(shù)偵查等方面顯示出了非常重要的價(jià)值。與此同時(shí)，接收機(jī)能否及時(shí)的解算出信號(hào)電平也是提高掃描一個(gè)必須考慮的問(wèn)題，的選擇也受到信標(biāo)接收機(jī)反映速度的制約。圖55 誤差信號(hào)與波束偏角關(guān)系圖 圓錐掃描頻率為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的快速跟蹤，就必須提高誤差信號(hào)電平的采樣速率，這樣可以加快天線的調(diào)整速率，相應(yīng)就該提高。當(dāng)=0時(shí)，最小為0，顯然這是不可行的。在MATLAB 中仿真得到如圖55所示的一組性能曲線，它們是 取不同值時(shí)誤差信號(hào)隨變化的曲線。很顯然，越大，跟蹤的靈敏度就越高越小，信噪比越高，跟蹤的靈敏度也就越高。因?yàn)棣臎Q定了和。其包絡(luò)調(diào)制的幅度正比于天線偏離正確位置的角度大小，其相對(duì)于波束掃描的相位則表示偏離角的方向，調(diào)制頻率為天線的圓錐掃描頻率，調(diào)制波地起始相位則由衛(wèi)星偏離等天線對(duì)稱軸的方向決定。當(dāng)有誤差時(shí)，衛(wèi)星偏離軸線，衛(wèi)星位置與天線軸線距離會(huì)隨著波束的旋轉(zhuǎn)而有一個(gè)周期性的變化，使輸出信號(hào)強(qiáng)度受到近似正弦波調(diào)制。 （514） （515）誤差電壓和將控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，構(gòu)成位置閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天線姿態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。接收信號(hào)振幅的交流分量為 （59） 式中,U表示目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的大小。在跟蹤情況下，ε、δ、θ都很小，顯然OT≈ Rε、OB≈ Rδ、TB≈ Rθ，用余弦定理可得 （55）通常，且考慮 = 2πft （f為圓錐掃描頻率） ，則有 （56）設(shè)天線方向性圖為F () ，接收信號(hào)的電壓振幅為 （57）試中，K為比例系數(shù)。圖54 圓錐掃描幾何關(guān)系圖圖54是描述圓錐掃描的幾何關(guān)系圖。圖53 圓錐掃描跟蹤方式的波束旋轉(zhuǎn)圖圓錐掃描跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單，跟蹤精度較高；（2）跟蹤和通信通道分離，饋源效率較高；（3）對(duì)導(dǎo)航、擾動(dòng)設(shè)備要求較低。據(jù)公開發(fā)表的文章介紹該方式的跟蹤精度為0．1（rms），給出的約束條件為三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，但未注明轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速率。通常旋轉(zhuǎn)饋源大都會(huì)引起極化旋轉(zhuǎn)。當(dāng)天線軸對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，地球站接收到的信標(biāo)電平是一恒定值；當(dāng)天線軸偏離衛(wèi)星時(shí)，信標(biāo)電平將受到一個(gè)頻率極低的信號(hào)對(duì)其進(jìn)行幅度調(diào)制。得到一組大小與天線偏離目標(biāo)角度成正比的誤差電壓（偏離方向與有關(guān)），由 KAZ、KEL推動(dòng)天線跟蹤目標(biāo)?！繕?biāo)在天線軸向時(shí)接收電平。為了獲得較寬的波束覆線機(jī)械軸一定的角度（偏焦角），并以錐掃頻率Ω（例如 24Hz）繞天線軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)目標(biāo)不在天線軸向方向時(shí)，天線所接收的信標(biāo)信號(hào)（或已調(diào)信號(hào)的殘留載波）包絡(luò)將受到一個(gè)調(diào)制頻率為Ω的幅度調(diào)制。在一定數(shù)量的圓錐掃描后，在圓的相同位置處，計(jì)算出位置補(bǔ)償?shù)闹挡⒕C合所用的時(shí)間用于消除陀螺的漂移誤差。該種方式的動(dòng)態(tài)誤差顯然要差于零值跟蹤因?yàn)闄C(jī)械圓錐掃描的頻率不可能很高（一般小于1Hz）。本系統(tǒng)掃描角177。當(dāng)整個(gè)圓周的信號(hào)差小于容許值后便認(rèn)為達(dá)到了最大信號(hào)處。由于在256 個(gè)等分點(diǎn)的任意一點(diǎn)，夾角是已知的。天線的方位及仰角分別按照正弦及余弦關(guān)系運(yùn)動(dòng)構(gòu)成連續(xù)的圓軌跡，如圖52所示。圓錐掃描跟蹤實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但跟蹤精度和速度低，并且由于饋源永遠(yuǎn)偏離天線拋物面的焦點(diǎn)而使天線的增益下降。饋源喇叭繞對(duì)稱軸作圓周運(yùn)動(dòng)或副反射面傾斜旋轉(zhuǎn)，可以使天線波束圍繞旋轉(zhuǎn)軸以一定的頻率（該頻率就是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率）呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)當(dāng)衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸方向時(shí)，接收信號(hào)是被波束旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制了的信號(hào)，調(diào)制的幅度和相位分別取決于衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸的大小和方向。信道體制上采用單信道跟蹤接收機(jī)，單信道跟蹤接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)概括起來(lái)主要有：傳輸信道為一個(gè)設(shè)備可以大大簡(jiǎn)化，可靠性明顯得到提高，設(shè)備成本也相應(yīng)降低；方位、俯仰角誤差載波信號(hào)采用微帶合集成技術(shù)，設(shè)備穩(wěn)定性很高；角跟蹤誤信號(hào)在中頻或低頻相關(guān)提取，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。由于相位比較單脈沖存在相位測(cè)量模糊和角度測(cè)量多值性問(wèn)題，因此采用振幅比較角跟蹤體制。當(dāng)目標(biāo)偏離中心時(shí)利用波束的和、差關(guān)系可以獲得誤差信號(hào)帶動(dòng)伺服系統(tǒng)使天線轉(zhuǎn)動(dòng)并對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。這種體制的缺點(diǎn)是天線波束不能停留在對(duì)準(zhǔn)星體的方向上，而是在該方向的周圍不斷地?cái)[動(dòng)，因而跟蹤精度不高，這種體制適用于基本不動(dòng)的同步衛(wèi)星，對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星無(wú)法保證跟蹤精度。多用于初次捕獲時(shí)的引導(dǎo)。圓錐掃描跟蹤體制是把饋源嗽叭繞天線對(duì)稱軸作圓周運(yùn)動(dòng)，這樣天線波束呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)，目標(biāo)在中心時(shí)，回波信號(hào)不受調(diào)制，目標(biāo)偏離中心時(shí)，回波信號(hào)幅度受圓錐掃描調(diào)制，利用調(diào)制信號(hào)，分解出方位和仰角誤差，帶動(dòng)天線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)跟蹤。衛(wèi)星對(duì)于平臺(tái)的穩(wěn)定性要求很高，因此選擇的角跟蹤體制必須有利于衛(wèi)星姿態(tài)的保持。第五章 系統(tǒng)性能研究 三種衛(wèi)星通信跟蹤方式比較根據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理，中繼衛(wèi)星跟蹤的是用戶衛(wèi)星的寬帶數(shù)據(jù)信號(hào)，而用戶衛(wèi)星跟蹤的是中繼星的信標(biāo)信號(hào)。若u(k1)﹥，則只累加負(fù)偏差；若u(k1)﹤,則只累加正偏差。這種現(xiàn)象稱為飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)反響偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出，進(jìn)入飽和區(qū)逾深，則退出飽和區(qū)所需時(shí)間就逾長(zhǎng)。帶死去的控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，當(dāng)︱︱≤︱︱時(shí)，數(shù)字調(diào)器輸出為零；當(dāng)︱︱﹥?chǔ)颚驎r(shí)，數(shù)字輸出調(diào)節(jié)器有PID輸出。 帶死區(qū)的PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制作用過(guò)于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)的PID控制算法，控制算式為： （419）式（419）中，為位置跟蹤偏差，是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象由實(shí)驗(yàn)確定。值得注意的是，不完全微分PID控制使微分作用在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)起作用，不是說(shuō)這種緩慢變化使微分的迅速調(diào)整能力減弱很多，而是在一定的快速響應(yīng)基礎(chǔ)上的緩慢變化，否則微分作用將失去其快速響應(yīng)能力。在第一個(gè)采樣周期里，不完全微分控制比普通微分控制器的輸出幅度要小得多，第二個(gè)周期以后，微分作用在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)在起作用，從而改善PID控制系統(tǒng)性能。這種微分作用的突變應(yīng)該避免，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。它不僅在第一個(gè)采樣周期存在，由于，而，所以。下面分析一下PID控制器中微分環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)，討論不完全微分是如何抑制高頻擾動(dòng)，達(dá)到改善PID控制性能目的。低通濾波器的傳遞函數(shù)為 （45）式（45）中，低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。其中之一的方法就是在PID算法中加入一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器），可使系統(tǒng)性能得到改善。 （44） 不完全微分算法在PID控制中，微分環(huán)節(jié)的引入，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但也易引進(jìn)高頻干擾，在誤差擾動(dòng)突變時(shí)顯出微分項(xiàng)的不足。積分分離控制算法可表示為： （42）式（42）中，為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，且︱︱≤時(shí)，=1；︱︱＞時(shí)。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過(guò)程中是絕對(duì)不允許的。另一方面，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制是目前智能控制中最為活躍的領(lǐng)域，它與常規(guī)PID控制相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成所謂智能PID控制因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用一些改進(jìn)算法，如積分分離算法、不完全微分PID控制算法、帶死區(qū)地PID控制和抗積分飽和PID控制算法等。 改進(jìn)型PID算法人們?cè)趯?duì)PID應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)其進(jìn)行了各種改進(jìn)。位置式PID控制算法描述為： （41）式（41）中：k=0，1，2......為采樣序號(hào)；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e (k) 為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；置K=T/T為積分系數(shù)；=T/T為微分系數(shù)；為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；T為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期。因此運(yùn)用這一原理有必要獲得數(shù)字式PID算法表達(dá)式。微分控制器可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制器將能完全消除誤差。比例控制器能迅速反應(yīng)誤差，從而減少誤差；但比例控制器不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在過(guò)程控制中，按誤差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是目前應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。傳統(tǒng)的PID控制主要是控制具有確定模型的線性過(guò)程，而實(shí)際上無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)是多變量、非線性、強(qiáng)耦合的事變系統(tǒng)，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器在其高精度的伺服控制要求場(chǎng)合很難達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)。常規(guī)的PID控制原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。90度；輸出靈敏度4V/g或2V/g；模擬量輸出和11為數(shù)字量輸出；AD轉(zhuǎn)換時(shí)間150uS；內(nèi)置溫度傳感器和溫度補(bǔ)償；數(shù)字激活內(nèi)部故障自測(cè)試；長(zhǎng)期穩(wěn)定性高；噪聲低，工作溫度范圍寬（40℃～+125℃）可承受超過(guò)20000g的機(jī)械沖擊。主要性能如下：XY雙軸高分辨率雙向測(cè)量；單電源+5VDC供電，工作電流3mA；串行外部接口（SPI）兼容，輸出傾角和溫度信號(hào)；量程177。采用VTI公司的SCA100T系列芯片。 水平儀水平儀又稱傾角傳感器，一般可以感知器件平面相對(duì)于水平面的兩軸傾斜角度。由于我國(guó)地處赤道以北，因此，在公式(33)中還應(yīng)加180176。按照公式(31)計(jì)算的天線方位角來(lái)控制天線的轉(zhuǎn)動(dòng)，則必須將天線的指向與正北的夾角介入到計(jì)算過(guò)程中。對(duì)于車載天線通訊系統(tǒng)而言，當(dāng)天線開始對(duì)星時(shí)，天線是在360176。公式(31)中，天線方位角是以地平面的正北方向作為0176。的二進(jìn)制數(shù)。的二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)的高7位為0，低9位為數(shù)據(jù)，共占用2 字節(jié)；（2）方向角：共占用2 字節(jié)，第114位表示羅盤的工作狀態(tài)(定義為：01 查詢狀態(tài)，10 正常狀態(tài)，11 標(biāo)定狀態(tài)) ，第112位空閑未使用，第19位表示羅盤的方向(定義為： 000 北，001 東北，010 東，011 東南，100 南，101 西南，110 西，111 西北)，第8位至第0位表示羅盤的角度，為0176。的二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)的高7位為0，低9位為數(shù)據(jù)，共占用2字節(jié)；安裝角:磁偏角為0176。電子羅盤數(shù)據(jù)格式定義如下：（1）磁偏角：磁偏角為0176。該產(chǎn)品精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)平衡調(diào)整，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸抗干擾能力強(qiáng),并具有標(biāo)定及越限報(bào)警的功能，其輸出波頻率可調(diào)，可選擇連續(xù)輸出及詢問(wèn)輸出方式,同時(shí)具有安裝角和磁偏角補(bǔ)償功能。它是一款低成本兩軸數(shù)字羅盤，輸入電壓低、功耗小。1啟動(dòng)時(shí)間s功耗mA50輸出阻抗ohm100 電子羅盤