【正文】 道跟蹤。在實際的工作過程中將以上兩種方式相結合，使天線能夠跟穩(wěn)定可靠地對移動衛(wèi)星進行跟蹤 [3]。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)衛(wèi)星與地面接收站之間 的數(shù)據(jù)傳遞。衛(wèi)星主要應用于通信服務，以增強通信的范圍和靈活性，目前已成為了現(xiàn)代電子領域最具有發(fā)展前途的領域之一 [4]。這種自跟蹤系統(tǒng)以自動控制技術、機電一體化為主題，是多個學科結合的產物，此技術不僅 服務于大型的衛(wèi)星地面站，各類的移動通訊載體上也得到了廣泛的應用，同時也適用于現(xiàn)代化的作戰(zhàn)武器 [5]。九十年代以后衛(wèi)星通信開始趨于商業(yè)化，人們主要用于電視的轉播和衛(wèi)星與地面的通信。動中通在軍事和民用上都得到了廣范的應用。其中 RAYSAT(TM), 線，TELERAY(TM)。此外如美國的 KVH 公司、 SEATEL 公司，日本 NKH 公司在衛(wèi)星通信的產品方面也有很突出的表現(xiàn) [6]。其中的衛(wèi)星天線產品先后通過了各大衛(wèi)星組織的入網(wǎng)許可證，是我國少數(shù)能夠達到 CCIR580 國際標準的企業(yè)之一，產品銷往很多國家和地區(qū)。 總體分析，國外的產品質量高但是價格比較昂貴，國內的產品具有一定的價格優(yōu)勢，但是從實用角度看，實用性不是太高。所以對衛(wèi)星地面站的研究 不僅在技術推廣，同時在國內的現(xiàn)代化建設也有很大的需求。 未來的展望 衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)發(fā)展迅猛，天線從結構上不斷簡化，占地面積更小，功能更齊全。系統(tǒng)的算法更加適用極端環(huán)境，傳感器的精度也隨著科技發(fā)展不斷加強，總體上說，衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)未來會更加適用、價格更低、功能更全、跟蹤精度更高 [9]。本次系統(tǒng)的設計主要是實現(xiàn)自動尋星和穩(wěn)定伺服跟蹤兩個功能，同時對系統(tǒng)的跟 蹤算法也進行了研究，在尋星的設計中加入了鍵盤模塊，以至于更加迅速的完成尋星過程。 第二章 為系統(tǒng)的總體方案，包括系統(tǒng)的方框圖、系統(tǒng)的整體結構和系統(tǒng)的工作原理。 第四章 為系統(tǒng)算法的介紹，采用智能分區(qū) PID 算法對系統(tǒng)進行伺服穩(wěn)定控制。 第六章 為系統(tǒng)的仿真部分，一個簡單的局部仿真 。 2 系統(tǒng)的總體方案 作為移動式的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，主要由衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星自跟蹤系統(tǒng)兩部分組成，采用了自動跟蹤和信號閉環(huán)等手段，很完美的解決了衛(wèi)星地面站對移動的衛(wèi)星進行不間斷的傳遞語音、圖像、高頻的數(shù)據(jù)等各種多媒體信息。因此波束要求很窄，大概為 2176。 （ 2）衛(wèi)星信號中斷的預防措施：在衛(wèi)星天線的跟蹤系統(tǒng)中只要 天線能夠接收到信號，天線能很精準的指向衛(wèi)星。 （ 3）衛(wèi)星天線的底座設計：要根據(jù)不同的載體有不同的方案，既要保持結構的緊湊，質量輕，同時要保證質量的可靠 [10]。 (2) 開環(huán)跟蹤：依靠傳感器對天線的位置和姿態(tài)實時檢測，然后計算出天線的坐標系和姿態(tài)，從而實現(xiàn)控制波束指向這個方向。開環(huán)跟蹤，需要高精度的傳感器來進行信息測量，這種方式價格昂貴。 系統(tǒng)采用了開環(huán)跟蹤與閉環(huán)跟蹤相結合的方式對衛(wèi)星信號進行跟蹤 ，橫滾軸和俯仰軸采用閉環(huán)跟蹤方式，方位軸采用了開環(huán)跟蹤方式。 穩(wěn)定平臺的設計有機械穩(wěn)定和數(shù)字穩(wěn)定兩種，其中機械平臺的穩(wěn)定性不高，而且價格昂貴。穩(wěn)定天線平臺的數(shù)字穩(wěn)定形式有自身穩(wěn)定和外部引導兩種方案 [12]。本套方案不會因一些障礙物的遮擋而導致系統(tǒng)長時間不能正常工作，衛(wèi)星信號恢復正常接收，系統(tǒng)通訊就能恢復。系統(tǒng)選用三軸天線座結構的形式：俯仰軸、橫滾軸和方位軸依次排開，并且保證三軸兩兩垂直。系統(tǒng)將俯仰、方位軸跟蹤與三軸穩(wěn)定結合起來，并使用高精度的傳感器，保證了系統(tǒng)準確跟蹤和實時的穩(wěn)定 [13]。為了更好的實現(xiàn)對三軸的解耦和排除外界的干擾還需要三個陀螺是兩兩相互垂 直的。這樣的設計可以是系統(tǒng)系統(tǒng)很好的對天線的進行實時控制。伺服控制的誤差精度 要求：177。要求系統(tǒng)滿足戶外工作 40℃ ~+60℃的環(huán)境條件要求，具有防風防水等功能，能 夠克服擾動和位移影響，實現(xiàn) 對通信衛(wèi)星的準確跟蹤。自動跟蹤是衛(wèi)星天線根據(jù)接收到的衛(wèi)星發(fā)出的信標信號來自動對準衛(wèi)星；程序跟蹤是根據(jù)已知和預測的天線軌道信息，來驅動系統(tǒng)跟蹤衛(wèi)星。自動跟蹤分為步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤以及單脈沖跟蹤三種形式。 系統(tǒng)采用步進跟蹤和程序跟蹤相結合的方式。步進跟蹤采用雙向搜索調整步式搜索方法，這種方式將調整步和搜索步分開，要求搜索步距大，這樣步進電機驅動器的信號電平差值大，可以判斷出天線波束是否正在接收衛(wèi)星信號；由于調整步小，可以避免波束越過衛(wèi)星，可以提高衛(wèi)星的精度。 系統(tǒng)的總體方案設計 衛(wèi)星地面站天線跟 蹤系統(tǒng)是一個能實現(xiàn)自動跟蹤、穩(wěn)定跟蹤的通訊系統(tǒng)，能夠在各種惡劣的環(huán)境下，克服干擾，實現(xiàn)不間斷的衛(wèi)星通訊。系統(tǒng)的總體框圖如圖 。 本章小結 本章主要介紹了系統(tǒng)的總體方案，包括穩(wěn)定平臺方案的概述，自動尋星方案的概述，硬件總體框圖的介紹，軟件總體流程圖的介紹?？刂破脚_直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇性能好的微處理器可以很好地提高系統(tǒng)的性能。 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié) FLASH 存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高 效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51的特性：與 MCS51 兼容、 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器、壽命： 1000寫 /擦循環(huán)、數(shù)據(jù)保留時間： 10年、全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz、三級程序存儲器鎖定、 128 8位內部 RAM、 32可編程 I/O 線、兩個 16位定時器 /計數(shù)器、 5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內振蕩器和時鐘電路。 圖 AT89C51 電路圖 各引腳功能的介紹： I/O 口包括 4個口， 32根線。雙向口，單片機的 I/O端口是 CPU 與片外設備進行信息交換的通道。當驅動器場效應管的漏極具有開路狀態(tài)時，該口就具有高電平、低電平和高阻抗 3種狀態(tài)，稱為雙向口。 P0為 8位雙向口， P0可作為低 8位地址的復用線，也可以作為 I/O口使用。如表 。當振蕩器穩(wěn)定時，在 RST 引腳上施加 24個晶振周期以上的高電平，將單片機復位。從片外程序存儲器中讀取指令代碼或常數(shù)時， PSEN 呈現(xiàn)低電平外程序存儲器的代碼或常數(shù)便送至 P0口。 EA/Vpp 為復用輸入線， EA的狀態(tài)決定了單片機起始執(zhí)行片外程序存儲器程序還是起始執(zhí)行內程序存儲器程序。 ALE 引腳輸出的脈沖信號可作為地址鎖存信號。 RDWD/ 為重要的控制信號輸入輸出口。 GND 為電源地。當使用片內振蕩器時，連接外部石英晶體和微調電容。 XTAL2為片內振蕩器反相放大輸出端。當使用外部振蕩器時，引腳 XTAL2懸空。 按結構和工作原理可劃分：可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。按用途可劃分：驅動用電動機和控制用電動機 [17]。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 步進電機是一個電脈 沖信號可以被轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一個單或多相同步電動機。多相步進電機驅動與方波脈沖，非常靈活。步進電動機的輸入為數(shù)字量，特別適合于微機控制 [18]。它的具體 參數(shù)如表 所示。 本系統(tǒng)的設計目的為了高效控制步進電機的轉動，因此需要將單片機發(fā)出的脈沖轉化為步進角度，才能控制步進電機轉動，系統(tǒng)采用 ULN2021 為步進電機提供脈沖信號。 ULN2021 工作電壓高，工作電流大，通電電流可達 500mA，并且能夠在關態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產品中。它的引腳連接圖如圖 ，步進電機與驅動器的連接圖如 。C 步距角： 176。 陀螺儀是一種利用高速回轉體的動量矩敏 感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。傳感陀螺儀用于飛行體運動的 自動控制系統(tǒng) 中，作為 水平 、 垂直 、 俯仰 、航向和角速度傳感器 。 陀螺儀分為，圖 ULN2021 的管腳連接圖 圖 步進電機與驅動器連接圖 俯仰軸 步進電機 橫滾軸 步進電機 方位軸 步進電機 壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且它們可以和加速度計，磁阻芯片， GPS，做成慣性導航控制系統(tǒng)。 陀螺在工作中給它 轉速 ，讓 它旋轉得快，通?？梢赃_到每分鐘轉速幾十萬， 它 可以長時間工作。 系統(tǒng)采用的是美國公司的 HORIZON系列的微機械角速度壓電陀螺。它的測量元件為單片震蕩石英，它的輸出值是一個 0~5V的電壓，同時還需要一個 的參考電壓。 三軸陀螺的具體參數(shù)如表 。本次設計中采用 ADC0808 模數(shù)轉換器進行信號轉換。 ADC0808 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 /數(shù)轉換的器件。ADC0808 是 ADC0809 的簡化版本，功能基本相同。 ADC0808 的引腳圖如圖 所示，陀螺、 ADC0808 轉換器和單片機的電路圖如圖 所示。 90176。/s/g 長期傾斜穩(wěn)定性（ 1 年）： ≤176。）： :18HZ 偏差標準溫度斜線刻度： 176。/s 輸入電流： 20MA 偏移量標準溫度比例因子刻度： ≤%/176。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。典型的數(shù)字羅盤往往有以下特點 : 三軸磁阻效 圖 ADC0808 引腳圖 AT89C51 圖 ADC0808 與單片機連接圖 陀 螺 儀 應傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。在數(shù)字羅盤內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?？蛇x RS485 和 RS422 輸出。具有指向零點修正功能。 隨著微電子集成技術以及加工工藝、材料技術的不斷發(fā)展。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。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 的主要參數(shù)如 表 所示。 HMR3000的技術規(guī)格 輸入電壓： +5~15VDC 分辨率：177。 主板尺寸： 83mm*25mm*22mm 波特率： 響應時間： 功率： 25mA 傾斜：177。 接口方式： RS232 輸出格式： NMEA0183 電流： 30mA 表 HMR3000 主要性能參數(shù) AT89C51 TXD RXD T1IN R1OUT T1OUT R1IN 數(shù) 字 羅 盤 圖 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。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。電位器的原理是通過齒輪代替帶動可調電阻，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]。光電傳感器和限位器的連接圖如圖 所示。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。接收到的電磁波有垂直和水平兩種極化方式。 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。 LNA 天線 分路器 LNB 電視接收機 信號處理電路 給通信 圖 獲取 AGC 信號 圖 光電傳感器和限位器的連接圖 光電傳感器 AT89C51 限位器 圖中的 LNA 為低噪聲放大器， LNB 為電視下變頻放大器。系統(tǒng)采用百盛 PROSAT5600 數(shù)字衛(wèi)星接收機。 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。 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。 5V 電源由7805 轉換獲得，使用 AMS11173 芯片將 5V 轉換為 電壓，電路圖如圖 所示。 本章小結 本章主要介紹了系統(tǒng)硬件的選型和電路原理圖的設計，包括執(zhí)行器件，驅動器件，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。地理坐