船载卫星天线伺服系统中姿态检测系统设计

摘要

本文以船载卫星天线伺服系统项目为研究背景，展开以微惯性姿态测量单元和编码器单元为姿态测量核心的船载卫星天线姿态检测系统的研制工作。为提高MEMS倾角仪和陀螺仪的精度，本文对MEMS倾角仪信号进行温度补偿和软件算法处理，对MEMS陀螺仪进行硬件差分处理和软件算法处理。提出MEMS倾角仪、陀螺仪的零位标定方法[42];研究了电磁罗盘查表标定方法;研制了船载卫星天线姿态检测系统，进行了相关验证、试验和测试。
　　本论文主要研究以下几方面:
　　(1)结合目前船载卫星天线伺服系统的发展情况，根据船载卫星天线伺服系统对姿态检测系统精度的要求，对比不同类型天线姿态检测系统的可靠性、体积、成本及复杂程度[42]，提出采用MEMS陀螺仪、MEMS加速度计与电子罗盘、编码器组合构成船载卫星天线姿态检测系统的总体方案。
　　(2)微惯性姿态检测单元对同一系列不同型号的倾角传感器设计出单轴硬件差分电路和双轴软件差分电路，并进行大量对比测试，最终选择载体姿态检测使用倾角仪双轴软件差分电路，天线姿态检测使用倾角仪单轴硬件差分电路。
　　(3)船体移动时产生线加速度，MEMS加速度计受到线加速度干扰，导致测试倾角与实际倾斜角度不相符，同时在静态时陀螺仪零点漂移和温度漂移极易对陀螺信号造成干扰，故采用卡尔曼滤波算法将倾角仪信号和陀螺仪信号进行信息融合，时时修正倾角信息。
　　(4)对MEMS陀螺信号进行了误差分析，提出IIR滤波和递推最小二乘拟合两种信号处理方法。并利用系统实测MEMS陀螺数据进行算法验证，最终选定递推最小二乘法拟合算法。
　　(5)对磁编码器进行测试并分析，采用高精度转台对磁编码器信号进行补偿，提高磁编码器精度。
　　(6)本文分析双轴磁强计结构的平面电子罗盘误差产生原因，并在实际使用中进行大量测试，为提高电磁罗盘测量准确度，提出罗差补偿算法，并借助高精度、高稳定性的磁编码器对电子罗盘进行标定。
　　最后对本系统进行全面测试，得出研究成果及系统精度，并对船载卫星天线伺服系统中姿态检测系统的不足之处进行总结，提出提高系统精度的一些观点。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 本论文研究内容与章节安排

1．4．1 论文的主要研究内容

1．4．2 论文章节安排

2 系统整体方案设计

2．1 系统构成与基本原理

2．1．1 天线系统组成

2．1．2 姿态检测系统性能指标

2．1．3 姿态检测系统方案选择

2．2 器件选择

2．2．1 倾角仪选型

2．2．2 陀螺仪选型

2．2．3 电磁罗盘选型

2．2．4 磁角位置编码器选型

2．2．5 处理器选型

2．4 本章小结

3 天线姿态检测系统构成与硬件设计

3．1 天线姿态检测系统组成

3．2 微惯性检测模块组成及硬件设计

3．2．1 微惯性检测模块组成

3．2．2 微惯性姿态检测模块供电电路

3．2．3 微惯性姿态检测处理器电路

3．2．4 微惯性姿态模块倾角电路

3．2．5 微惯性姿态模块陀螺电路

3．2．6 微惯性姿态模块电磁罗盘电路

3．3 编码器检测模块构成及硬件设计

3．3．1 编码器模块构成

3．3．2 编码器硬件电路设计

3．4 通信接口电路设计

3．4．1 CAN通信接口电路设计

3．4．2 RS422串行通信接口电路设计

3．5 本章小结

4 姿态信号误差分析与处理

4．1 倾角传感器信号分析与处理

4．1．1 MEMS倾角传感器误差模型分析

4．1．2 倾角传感器温度漂移

4．1．3 消除温度对倾角仪影响

4．1．4 线加速度对倾角仪的影响

4．1．5 用陀螺仪积分消除线加速度干扰

4．2 陀螺仪信号分析

4．2．1 MEMS陀螺仪误差分析

4．2．2 陀螺仪温度漂移测试

4．3 陀螺仪信号处理

4．3．1 硬件差分处理

4．3．2 陀螺信号IIR滤波处理

4．3．3 陀螺信号IIR滤波实验结果分析

4．4 电磁罗盘信号分析

4．4．1 电子罗盘误差分析

4．4．2 罗差补偿原理

4．5 电磁罗盘信号处理

4．6 本章小结

5 系统软件设计

5．1 功能需求

5．2 系统软件接口

5．3 系统软件设计

5．4 功能描述

5．4．1 惯性姿态检测模块

5．4．2 惯性姿态信号算法模块

5．4．3 编码器信号采集处理模块

5．4．4 通信模块

5．5 本章小结

6 天线姿态检测系统测试结果与分析

6．1 惯性姿态检测模块测试

6．1．1 测试目的

6．1．2 测试方法

6．1．3 测试结果

6．2 编码器测试

6．2．1 测试目的

6．2．2 测试方法

6．2．3 测试结果

6．3 系统联试

6．3．1 系统联试目的

6．3．2 系统联试方法

6．3．3 系统联试结果

6．4 本章小结

7 论文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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