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1、南京邮电大学通达院 毕 业 设 计（论 文）题 目： 车载卫星通信伺服跟踪系统的研究 专 业： 通信工程 学生姓名： 笑嘻嘻笑嘻嘻小 班级学号： 指导教师： 指导单位： 通信与信息工程学院无线电工程系 日期： 摘 要当前移动通信市场，车载“动中通”卫星地球站系统以其独到的优势迅速得到了人们的亲睐。但是由于这种系统涉及到的技术领域较广，包括机械结构设计、天线面设计、通信系统设计、硬件电路设计、软件编程以及自动控制方面知识等，研发难度较大，在市场上也基本是国外产品占据统治地位，这对于我国的经济与国家安全都是非常不利的。因此，研发出这样一款移动通信系统便显得刻不容缓。本文结合对以往文献资料的参考，对
2、一款车载“动中通”卫星地球站系统从天线设计、硬件电路设计、软件算法实现及各种关键疑难技术分析与解决四个角度进行了细致全面的介绍。其中，天线设计包括机械结构和工作方式选择两部分，软硬件部分以功能进行模块化划分，关键疑难技术则包括圆锥扫描及 PID 控制两种。关键词：关键词：车载地球站，动中通，软硬件设计，搜索与跟踪，圆锥扫描AbstractIn present mobile communication markets, due to the specific advantage, the vehicle-borne “mobile communication“ earth station sys
3、tem is getting more and more attention. However, the system is involved with a lot of fields of technology, such as mechanical-structural designing, antenna designing, communication system designing, hardware circuit designing, software programming, automatic controlling and so on., so it is difficu
4、lt to carry out research on that system. The foreign product is dominant in markets, which is harmful to the economy and security of our country. Therefore, it is necessary to build a mobile communication system of that kind.Based on the authors experience in developing the system, the thesis thorou
5、ghly introduces the vehicle-borne “mobile communication“ earth station system. The realization of the system includes the antenna design which contains mechanical structure and working mode, the circuit design and algorithm selection which are modulated by the function, and the analysis and solution
6、 of the key technology which includes conical scanning and PID control.Keywords: Vehicle-borne Earth Station, mobile communication, Search and Track,Circular Cone Scans 目 录第一章 绪论.11.1 动中通简介11.2 船载动中通21.3 车载动中通2第二章 车载卫星通信伺服跟踪系统.42.1 天线机械结构设计42.1.1 天线机械结构总体介绍42.1.2 两轴天线结构形式.42.1.3 系统天线结构选择.52.2 系统组成62
7、.2.1 监控分系统72.2.2 伺服分系统82.2.3 天馈分系统92.2.4 收发分系统9第三章 车载动中通跟踪技术.113.1 天线.113.1.1 天线跟踪方式113.1.2 步进跟踪扫描，单脉冲跟踪扫描，圆锥跟踪扫描的比较153.2 伺服跟踪系统软件设计.153.2.1 软件开发要求及环境介绍153.2.2 软件模块分类介绍.173.2.3 天线初始化模块.173.2.4 天线搜索模块183.2.5 天线跟踪模块193.3 圆锥跟踪扫描系统.203.3.1 圆锥扫描性能研究203.3.2 圆锥扫描原理213.3.3 圆锥扫描算法具体实现.23第四章 伺服跟踪系统中的传感器的设计.27
8、4.1 陀螺仪.274.1.1 陀螺仪的原理274.1.2 陀螺仪的具体应用294.1.3 陀螺漂移314.2 倾角传感器.334.2.1 倾角传感器介绍334.2.2 倾角传感器的缺点344.3 码盘354.3.1 码盘的介绍354.3.2 码盘的缺点364.4 电子罗盘.364.4.1 电子罗盘的介绍364.4.2 电子罗盘的缺点374.5 限位器.374.6 极化角度传感器.38结束语.40致 谢.41参考文献.42第一章 绪论1.1 动中通简介随着人类对信息化和数字化需求增加,卫星通信技术的需求量也日益增加,尤其是对动中通卫星通信系统的需求更是在逐年增加。动中通是“移动中的卫星地面站通
9、信系统”的简称。通过动中通系统，车辆、轮船、飞机等移动的载体在运动过程中可实时跟踪卫星等平台，不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，可满足各种军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。 动中通系统很好地解决了各种车辆、轮船等移动载体在运动中通过地球同步卫星，实时不断地传递语音、数据、高清晰的动态视频图像、传真等多媒体信息的难关，是通信领域的一次重大的突破，是当前卫星通信领域需求旺盛、发展迅速的应用领域，在军民两个领域都有极为广泛的发展前景。动中通卫星通信技术在军用和民用两方面的用途都十分广泛。例如在战场军事通信、无人机、直升机、预警机远程通信、反恐应急通信、移动指挥;地质考察、火灾和水
10、灾灾害现场应急通信、实时新闻采集、比赛现场实况转播和天气气象的遥测遥感等。目前实现动中通的天线技术有多种,主要有采用抛物面天线和相控阵天线两种方式。抛物面天线动中通系统主要安装在车、船、飞机等移动载体上,天线口径有 0. 6 m、0. 8 m、0. 9 m、1. 2 m、1. 5 m 不等。工作的频段有 L 、C、X、Ku、Ka等。根据数据的流量、卫星的工作频点以及系统误码率要求可选择不同的天线口径和不同的频段。需要高速率数据传输的用户需采用大口径天线,反之采用较小口径天线。目前气象遥感卫星工作在 L 、X 频段,而电视和数传工作在 C、Ku、Ka 频段。动中通设备在使用时,主要面临的问题是极
11、化控制、电波稳定和可靠跟踪等问题。动中通系统与地面固定站的卫星通信系统的工作环境完全不同。由于承载通信系统的载体在行进中可能遇到各种状况,其中包括载体颠摇和振动冲击、隧道、桥洞、树林和山体遮挡造成电波的中断等。需要动中通系统具有如下功能：1. 载体在运动方向不断改变和路面坡度不断变化情况下能够正常工作;在海况比较恶劣和气流剧烈变化情况下能够正常工作。这就要求动中通设备天伺系统具有非常宽的跟踪范围。2. 系统对载体的摇摆有适应能力,要求伺服系统(车载设备) 对路面和车速共同造成的颠摇与冲击的隔离度要足够大,以保证天线主瓣指向卫星。3. 遮挡消失后伺服系统再捕能力。即设备穿过信号中断地带后,伺服系
12、统能快速控制天线,立即恢复通信。1.2 船载动中通常用的卫星通信地面接收站可分为固定式和移动式 ,对于诸如船载这种移动式的地面站 ,系统会受到载体运动过程中各种干扰的影响 ,造成地面接收站天线的指向偏离目标卫星 ,使卫星通信链路不能达到最佳状态 ,严重时会导致通信中断。为了能在运动载体上稳定地接收卫星信号,必须隔离载体的扰动 ,通过引入自动伺服系统 ,以克服载体在运动过程中对卫星天线的影响 ,使天线能准确地指向所需的通信卫星 ,保持卫星通信链路的畅通。船载卫星天线稳定跟踪系统是一个集稳定和伺服功能于一体 ,并能自动对星、稳定跟踪的双向卫星移动天线跟踪系统。船载动中通系统主要由处理器，稳定模块（
13、包括电子罗盘，GPS，倾斜仪和陀螺） ，跟踪模块，执行模块（包括驱动电路，执行电机等）和监控台组成。例如船载天线稳定控制系统是一个轴稳定系统，整个天线安装在一个固定的地盘上，地盘安装在甲板上，与船面甲板平行。为减轻载体震动对系统的影响，在安装时天线底盘与载体之间以减震圈相隔。天线的三个转动轴分别是方位轴、俯仰轴 (支架块转动与俯仰转动同轴 )、横摇轴。为保证天线方位、俯仰、横摇三轴最大程度的解耦 ,达到简化控制的目的 ,分别敏感方位俯仰、横摇转动轴的三个陀螺两两相互垂直 ,固定在支架块中。同时支架块中还装有感应俯仰和横摇双轴水平仪 ,它平行于俯仰横摇陀螺轴线所在的平面。横滚转动轴平行于天线底座
14、, 方位转动轴垂直于天线底座，俯仰转动轴的状态受横滚电机驱动的影响。横滚陀螺安装在天线转动架上 ,其角速度感应轴线平行于天线的横滚转动轴；俯仰陀螺安装在天线横梁上 ,其角速度感应轴线平行于天线的俯仰转动轴； 方位陀螺安装在天线转动架上 , 其角速度感应轴线在平行于方位电机转动轴。支架块安装在天线横梁上 , 可以绕天线俯仰轴自由转动 , 上面安装有水平仪、磁通门、光电传感器，水平仪的水平轴、交叉水平轴线分别平行于天线的俯仰轴和横滚轴。光电传感器的遮光片固定安装在俯仰转动轴上, 不能绕俯仰轴旋转 ,其临界限位线安装时保证与天线底座垂直 , 天线的俯仰转动将使光电传感器和遮光片之间的相对位置发生变化
15、。为了保证系统稳定的快速性和稳定精度 ,选用了空间角速度传感器与空间绝对位置传感器相结合的传感方式。依靠角速度陀螺的快速响应实时补偿扰动 ,利用水平仪和磁通门作为稳定基准克服系统偏差。1.3 车载动中通车载移动卫星通信也被称之为 “车载动中通 ”,顾名思义车载动中通技术是指：车辆在行驶过程中进行的连续不间断的卫星通信技术。目前车载动中通主要应用在军事通信、地质勘探、应急通信、新闻转播等领域。由于其工作的特殊性,需要车辆长期在山区、路面颠簸不平、高速变向通过隧道等情况下行使。因此在这些情况下怎样保证车载动中伺服系统快速完成对卫星的初始捕获、高质量的稳定跟踪卫星主波束以及在长时间通过遮挡物后迅速恢
16、复中断的通信链路,是车载动中通成功的关键 ,而这些都是需要有高质量的车体航向和姿态做保障的。随着计算机技术、惯性测量技术的飞速发展,为捷联惯导的应用创造了条件。捷联惯导由于能够提供高精度的车体航向和姿态信息、不受地磁环境的影响,相比采用电子罗盘作为引导的优势逐渐体现了出来。目前车载动中通主要采用 A - E 两轴座架型式 ,它的主要优点是结构简单、平衡比较容易、体积小,然而其缺点也很突出 ,那就是它的高仰角跟踪问题 ,对于那些地处赤道附近的国家和区域 A - E 两轴式座架则会造成一定范围的跟踪盲区。而对于三轴车载动中通而言 ,伺服控制组成三轴稳定两轴跟踪方式 ,在高仰角跟踪时不存在盲区,缺点是结构复杂 ,造价高。早期的车载动中通伺服系统多采用电子罗盘作为引导源。电子罗盘是根据磁场原理用磁阻传感器测量运动物体姿态的器件 ,主要由三维磁阻传感器、
