基于运动载体的卫星通信系统稳定与跟踪控制算法研究与实现

摘要

移动卫星通信是一门有着巨大发展空间和应用潜力的通信服务技术，实现移动卫星通信的重点在于保证载体的运动不对通信部件的工作产生负面影响。本文针对小口径抛物面天线卫星通信，进行稳定伺服系统的研究。研究目的是隔离载体的运动对卫星天线的指向干扰，保证天线稳定指向卫星方向，以实现畅通的通信效果。 本文首先讨论了控制系统的机械结构，选用三轴稳定控制方式，和较低成本的传感器、电机及控制器，提出了面向卫星通信的稳定控制指标。针对天线控制系统的初始对星和隔离扰动两大任务，得出天线初始指向角的计算公式和对星步骤与方法。讨论了常见的卫星跟踪方式，并分别比较各自的优缺点。最终系统实现了天线对星的粗调整，并采用了程序跟踪模式。 文中还对系统软件进行了分模块设计和介绍，分别设计了系统的三轴控制策略，对俯仰和横滚控制采用了基于扰动可测的前馈控制，方位控制则以陀螺数据积分实现位置反馈。并特别针对方位稳定控制设计专家PID算法，通过建立系统模型进行仿真，验证所设计算法的适用性。此外，对系统中存在陀螺信号的滤波和零漂抑制问题，运用卡尔曼滤波技术进行处理，并以动态逼近方式调整陀螺零点位置。 最后实现了天线稳定控制系统的实验室调试，给出了相应的调试结果，并进行误差分析，结合系统设计和调试过程提出了改进的方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状与发展

1.2.1 产品分类与应用

1.2.2国外研究开发现状

1.2.3国内研究开发现状

1.2.4行业发展趋势

1.3课题的研究对象

1.4本文的主要工作

2稳定伺服系统总体设计

2.1 系统组成与工作原理

2.2系统的三轴伺服结构

2.3传感器及电机的选取与安装

2.3.1角速度压电陀螺

2.3.2 HMR3000数字罗盘

2.3.3 光电传感器

2.3.4混合式四相步进电机

2.3.5传感器的安装

2.4伺服控制器硬件

2.5本章小结

3伺服控制系统的软件设计

3.1 软件开发环境简介

3.2软件模块化设计(初始化)

3.2.1单片机初始化设置

3.2.2天线指向角计算

3.2.3天线指向初始化技术

3.2.4天线支架姿态初始化

3.3卫星跟踪技术与系统控制策略

3.3.1稳定跟踪技术比较

3.3.2俯仰稳定控制策略

3.3.3横滚稳定控制策略

3.3.4方位稳定控制策略

3.4软件的模块化设计(稳定控制)

3.4.1俯仰和横滚控制模块

3.4.2方位控制模块

3.4.3电机驱动模块

3.4.4串口通信模块

3.4.5定时器中断模块

3.5系统软件设计要求

3.6本章小结

4控制算法设计与仿真

4.1 系统的坐标变换分析

4.2系统稳定控制的动态分析

4.3方位控制PID算法分析

4.3.1常规PID控制

4.3.2新型PID控制

4.4方位控制的仿真分析

4.4.1步进电机的数学模型

4.4.2传动机构的简易模型

4.4.3方位控制的MATLAB仿真

4.5陀螺信号滤波与零漂抑制

4.5.1 陀螺的时间序列建模

4.5.2卡尔曼滤波原理

4.5.3滤波结果分析

4.5.4陀螺零漂抑制

4.6本章小结

5系统调试与分析

5.1三维运动模拟器

5.2系统调试数据曲线

5.3调试结果分析

5.4本章小结

结 论

致 谢

参考文献

附 录