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1、中南林学院硕士学位论文船载卫星天线自动跟踪系统测控技术研究姓名：叶自清申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：吴舒辞2003.6.1中南林学院研究生学位论文摘妥l l 当前，移动载体卫星通讯正日益受到人们的重视。民用上，随着卫星电视，卫星上网以及视频电话等民用系统的发展，对载体移动通讯的需求越来越大；军事上，对装备的快速反应年机动能力以及机动间稳瞄、跟踪和打击能力的高要求，也有赖于移动载体卫星通讯。移动载体卫星通讯系统的关键设备是卫星天线自动跟踪系统。目前发达国家已有类似产品出现，但价格昂贵。而我国目前尚无实用的用于移动式卫星通讯天线自动跟踪系统的产品。因此，研制性能价格比较为合理的卫
2、星天线自动跟踪系统，填补这一领域的国内空白，具有重要意义了本文以船载天线稳定跟踪系统的研制为背景，主要研究了基于数字罗盘和G P S 等姿态敏感器组合的天线稳定平台的姿态测控技术，从硬件和软件两个方面对整个系统的设计和研究进行了较为详细的描述。课题研究的主要内容包括：一硬件的设计和选型硬件是构成整个系统的物质基础，合理地设计各种硬件元件，使之协调有效地工作，是保证整个系统成败的关键之一。二数字罗盘的原理、工作性能和标定方法进行了研究，分析了影响其精度的因素，针对其使用的特殊要求，提出了其在天线稳定系统中的使用方法和减小误差的方案。三对捷联式惯导系统的数学稳定平台和姿态解算算法进行了研究，在此基
3、础上，针对船体运动的特点，采用L a b W i n d o w s C V l 和V i s u a lo H 融合开发平台，实现了一种使用数字罗盘的天线稳定方案。关键词：卫星通讯，稳定平台，数字罗盘，自动跟踪，姿态解算，模块化程序设计 Jt。2中南林学院研究生学位论文文献综述移动载体卫星通讯是卫星通讯的发展方向，它不但是曰益发展的比用卫星通讯所追求的目标，也是未来军事斗争中的主要通讯手段。卫星天线臼动跟踪系统主要_ I ! j 于中、船载移动卫星通讯中的天线跟踪定向，以保证天线能自动地对准指定的同步卫星，并在干( 船) 辆的各种运动状态一F ( 高、低速、紧急启动、停止、转弯等) 以及在各
4、种气象、环境条件下始终高精度的对准卫星，实现卫星天线的不间断发送和接收。我国目前尚无实用的用于移动式卫星通讯天线自动跟踪系统的产品。据初步了解，世界上只有美国和以色列有相关产品，如美国T R A C S T A R 系统公司的2 0 0 0 L 系列产品，但其价格非常昂贵”1 。本项目的目标是研制性能价格比较为合理的卫星天线自动跟踪系统。i 卫星通信简介卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信”1 。通信卫星按其结构可分为无源卫星和有源卫星按其运转轨道可分为运动卫星( 非同步卫星) 和静止卫星( 同步卫星) 。目前，在通信中应用最J “泛的是有
5、源静止卫星，国际卫星通信和绝大多数国家的国内卫星通信大都采用静止卫星通信系统”。与其他通信手段相比，卫星通信的主要优点是：”1( 1 ) 通信距离远，且费用和通信距离无关：( 2 ) 工作频段宽。通信容量大，适用于多种业务传输；( 3 ) 通信线路稳定可靠，通信质量高；( 4 ) 以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，可以实现多址通信和信道的按需分配，因而通信灵活机动；( 5 ) 可以自发自收进行监测。在整个卫星通信系统中，需要设立跟踪遥测及指令系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正。同时，为了保证通信卫星的正常运行和工作，还要有
6、监控管理系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制。因此，一个完整的卫星通信系统由空间分系统、地球站、跟踪遥测及指令系统和监控管理分系统四大部分构成”。通常卫星通信地球站是以天线口径尺寸来划分类型的。A 、B 、C 、三种称为标准站，用于国际通信：E 和F 又分成E l 、E 2 、E s 和F - 、R 、F s 等类型，主要用于国内各企业间的话音、传真、电子邮政、电视会议等通信业务。A 、B 、F 站工作于C 波段，c 、E 站工作于K 。波段。天线口径小于标准尺寸的地球站，称微型站。记作V S A T ”1 。V S T 的天线尺寸没有具体规定，在c
7、波段有1 3 米的旋转抛物面天线，也有用1 8 米1 2 米的椭嘲形反射面天线在K u 波段，天线直径有2 6 、2 4 、1 8 、1 2 米等系列的通信站，也有直径更小的1 ，0 9 、0 7 5 、0 6 5 米等系列的电视单收站，也有用平面型微带天线的”1 。抛物面天线的生产一定要有一整套模具，故价格昂贵，投资大”。当卫星通信更高频段发展后，就可用微带天线。这种天线体积小、重重轻、不仅家庭的楼顶可以安装，甚至大楼中南林学院研究生学位论文的墙壁也能安装，所以深受用户欢迎。特别是广播卫星的出现。大量单收站的建立，微带天线越来越受人们重视。微带天线是在介质基片的上、r 表面上各覆盖一层很薄的
8、铜筘，卜面一层称接地板，上面一层印制成各种形状的铜箔，称为贴片，其形状可以是矩形、蚓形、椭圆形或各种多边形，还可在贴片的背面放一谐振腔，称它为背腔式。此外，天线形式还有裂缝辐射的裂缝阵和许多弯曲线组成的行波型天线阵，由于微带线具有导体损耗和介质损耗，所以传输效率不高，这就限制了大尺寸微带天线阵的应用，故只有当K 。和K 。波段发展后，微带天线才能被卫星通信所采用。日本、法国、美国都在开展微带天线的研究，且日本已经达到商品化“”“，它采用了行波型的弯曲线结构因此降低了馈损耗。微带天线的效率虽然不及抛物面天线，但因为其馈电单元与辐射单元组合在一起，因此具有薄、轻、结构简单、安装方便，价格便宜等优点
9、，在广播卫星通信的接收系统中将会替代抛物面天线。2 导航与定位技术的发展导航( N a v i g a t i o n ) 就是指引一个运动物体( 人体载体) 从某个位置出发，安全且低费_ H j 地到达某个目标点。自古以来，人们一直利用天上的星星进行导航，特别是利用北极星来确定方向。这就是早期的天文导航方法 P H a r t l ，1 9 8 8 。”随着科学技术的发展，导航渐渐发展成为- f l 专门研究导航原理方法和导航技术装置的学科。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等航行体上，导航系统是必不可少的重要设备“”。随后便出现了各种类型的导航系统，例如无线电导航系统、卫星导航系统、惯性导航系
10、统等。全球定位系统( G P S ，G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m ) 是美雷国防部研制的第二代卫星导航系统o ”。全球定位系统( G P S ) 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验，具有全球性、全天候、高精度、三维定位等优点。利用其高精度( m m级) 载波相位观测量进行相对定位的精度可达0 5 p p m ，短基线上精度达到c m 级。而且，其用途广泛：导航、精密定位、铡速、授时等。全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接受机三大部分组成”。空间部分由2 1 + 3 颗( 备用3 颗) 卫星组成
11、，分布在六个轨道面上。监控部分包括一个主控站、3 个注入站和5 个监控站用户接收机由天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。全球定位系统采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量。通过对四颗卫星同时进行距离测量，即可解算出接收机的位置。惯性导航系统( I N S ，I n e r t i a lN a v i g a t i o nS y s t e m ) 是利用惯性元件来感测飞机或其它载体的运动加速度，经过积分运算，从而求出导航参数以确定蛾体位置的”“。目前应用中的惯性导航系统主要分为两类：机械平台式与捷联式( g i m b a l l e da n ds t r a p d o w
12、 ns y s t e m s ) 。机械平台式系统中，惯性元件( 陀螺和加速度计) 被安装在一物理平台上，利用陀螺通过伺服电机驱动稳定平台，使其始终仿真一个空间童角坐标系( 导航坐标系) 而敏感轴始终位于该系统三轴方向上的三个加速度计，就可以测得兰个方向上的运动加速度值1 。第二类惯性导航系统，即捷联式惯性导航系统( S I N S - - S t r a p d o w nI n e r t i a lN a v i g a t i o ns y s t e m ) 中，没有实体平台，陀螺和加速度计直接安装在载体上，惯性元件的敏感轴安置在4中南林学院研究生学位论文所谓的载体坐标系三轴方向上
13、”。运动过程中，陀螺测定载体相对于惯性参照系的运动角速度、并由此计算载体坐标系至导航( 计算) 坐标系的坐标变换矩阵。通过此矩阵，把加速度计测得的加速度信息变换至导航( 计算) 坐标系，然后进行导航计算，得到所需要的导航参数”“。捷联式惯导系统与平台式惯导系统的主要区别在于：前者不采用如平台式惯导系统那样由环架、台体和控制网路构成的实体平台，而采用由计算机实现的“数学平台”，通过姿态矩阵的计算将加速度计所处的载体坐标系变换到选定的导航坐标系，从而完成导航解算。另外，平台式惯导系统的姿态信息可以直接从环架角度传感器中获取，而捷联式惯导系统则只能根据姿态矩阵的元素进行反三角函数运算得到姿态信息。捷
14、联式惯导系统的陀螺和加速度计是直接固联于载体上的，它们必须能够经受载体大的动态环境的考验。以陀螺为例，它的角速率测量范围一般可以从0 0 1 0 h 到4 0 0 0 s ，动态量程达1 0 “。在实现捷联式惯导系统时，对陀螺和计算机有较高的要求。首先，陀螺必须具有低漂移率的良好特性，且不受载体的大角速率的限制。其次，计算机及有关软件必须能产生由载体坐标系至某一导航坐标系的实时坐标变换，并能进行实时误差补偿和导航计算。在平台式惯导系统中，惯性平台及其读出系统的体积和重量均占整个系统的一半，而陀螺和加速度计只有平台系统重量的1 7 ，平台系统的制造成本约占整个系统费用的2 5 。”。由此可见，去
15、掉了实体平台即可减小惯导系统体积、重量和降低制造成本。由于在捷联式系统中实体的惯性平台被计算机软件取代，使捷联式惯导系统还具有如下的特点：”m 1( 1 ) 因为取掉了实体平台，减少了机械零部件，加之捷联式惯导系统易于采用多个敏感元件，因此，捷联式惯导系统的可靠性比平台式高。( 2 ) 捷联式惯导系统的初始对准时间比较短，一般不超过l O m i n ；平台式惯导系统则需要2 0 m i n 左右。( 3 ) 与平台式惯导系统相比，捷联式惯导系统的维护比较简便，故障率较低，因而使用和维护费用较低。( 4 ) 由于动态环境恶劣，对惯性器件的要求比平台式惯导系统的高。此外，捷联式惯导系统也没有平台
16、式惯导系统自动标定惯性嚣件的方便条件。因此。要求在两次装卸期间惯性器件有良好的参数稳定性。从目前的技术水平看，捷联式惯导系统的误差比平台式惯导系统要大一些，所以，在要求精度较高的场合很多还是采用平台式惯导系统。捷联惯导系统目前已广泛应用于飞机导航，例如“空中客车”和“波音7 5 7 ，7 6 7 ”等等。其精度约为l 2 n m h ，属于1 4 A I N S ( M e d i u mA c c u r a c yI n e r t i a lN a v i g a t i o nS y s t e m ，中等精度惯导系统) s s o2 0 世纪8 0 年代末。美嗣L i t t o n 公司已研制出了高精度( O 2 n m h )捷联惯导系统( H A I N S ，H i g hA c c u r a c yI n e r t i a lN a v i g a t i o nS y s t e m ) 。6 0 年代初，美国
