專利名稱：用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信天線控制技術(shù)，特別是一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定 跟蹤控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我國多媒體寬帶衛(wèi)星通信(含衛(wèi)星電視)產(chǎn)業(yè)生機(jī) 勃勃。在軍事行動(dòng)、公共安全、應(yīng)急通訊、搶險(xiǎn)救災(zāi)、電視轉(zhuǎn)播、長途客運(yùn)等領(lǐng)域，用 于運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行衛(wèi)星通信的市場需求日益擴(kuò)大。運(yùn)動(dòng)載體通信系統(tǒng)是一種通過在運(yùn)動(dòng)載 體平臺(tái)上安裝衛(wèi)星通信天線，利用地球同步軌道衛(wèi)星的相關(guān)頻段轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與 固定終端、移動(dòng)終端之間的無線通信業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)。這種衛(wèi)星通信系統(tǒng)不同于固定的 衛(wèi)星天線通信系統(tǒng)，它需要在運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，完成對衛(wèi)星的 精確對準(zhǔn)以保證通信暢通。因而，如何克服運(yùn)動(dòng)載體對衛(wèi)星通信天線的擾動(dòng)，保證天線 高精度指向衛(wèi)星的穩(wěn)定控制技術(shù)成為運(yùn)動(dòng)載體上衛(wèi)星通信暢通的關(guān)鍵技術(shù)。
近年來國外相關(guān)民用設(shè)備發(fā)展迅速，如海事衛(wèi)星車載站、船載站、機(jī)載站、移動(dòng)通 信車載站等已形成產(chǎn)品并推向市場。國外主要從事此類產(chǎn)品的公司有美國格魯曼公司、
KVH公司、海洋通信(SEATEL)公司、日本NKH公司等，專門生產(chǎn)車用、船用衛(wèi)星通 訊及電視接收的系列產(chǎn)品。但上述產(chǎn)品普遍存在如下問題1)驅(qū)動(dòng)控制大多采用步進(jìn) 電機(jī)，利用誤差補(bǔ)償控制，但步進(jìn)電機(jī)存在調(diào)速性能差、丟步等缺點(diǎn)，難以滿足高精度 和快速性要求；2)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)大多采用上下位機(jī)模式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以維護(hù)；3)通 信接口單一， 一般只提供RS422接口。
國內(nèi)四川壓電與聲光技術(shù)研究所研制的天線穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)由三部分組成戶外 設(shè)備、戶內(nèi)設(shè)備和主控計(jì)算機(jī)，但體積較大?？偟膩碚f，國內(nèi)此類產(chǎn)品主要存在如下明 顯不足工作頻段低、天線運(yùn)動(dòng)速度慢、運(yùn)動(dòng)范圍有限、跟蹤速度慢，天線結(jié)構(gòu)多為兩 軸穩(wěn)定體系、初始捕獲和重新捕獲時(shí)間長、通信業(yè)務(wù)量少等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，該控 制系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)過程中對平臺(tái)上的天線姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，始終保持天線對衛(wèi)星禾急^足艮0。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)解決方案為 一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制 系統(tǒng)，將嵌入式天線控制器通過現(xiàn)場總線與用戶操作終端連接，該用戶操作終端將衛(wèi)星 三維位置信息發(fā)送給嵌入式天線控制器，所述的嵌入式天線控制器根據(jù)用戶操作終端發(fā) 送的衛(wèi)星三維位置信息、GPS接收機(jī)輸出的天線三維位置信息、姿態(tài)傳感器輸出的天線
三軸姿態(tài)信息及高頻信號處理器輸出的AGC電平進(jìn)行信息處理，得到方位、俯仰和橫 滾三軸運(yùn)動(dòng)控制指令，然后通過現(xiàn)場總線分別發(fā)送給方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)、俯仰 -體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)，所述的方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電 機(jī)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)的輸出軸分別與機(jī)械傳動(dòng) 裝置連接，該機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)衛(wèi)星通信天線運(yùn)動(dòng)，安裝在衛(wèi)星通信天線上的姿態(tài)傳感 器和高頻信號處理器將天線的姿態(tài)信息和AGC電平信息傳輸給嵌入式天線控制器，從 而構(gòu)成完整的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為1)設(shè)計(jì)了調(diào)速性能好的一體化驅(qū)動(dòng)與控 制電機(jī)，取代步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器，使系統(tǒng)適用于 強(qiáng)沖擊、強(qiáng)振動(dòng)場合；2)構(gòu)造了高性能嵌入式天線控制器，在運(yùn)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)過程中對 平臺(tái)上的天線姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)天線對衛(wèi)星的全自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤，克服了傳統(tǒng)天線 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大的缺點(diǎn)，更利于系統(tǒng)的小型化；3)將組成系統(tǒng)的各主要部件及 用戶操作終端之間通過現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行連接，簡化了系統(tǒng)連接的復(fù)雜度，同時(shí)也有 利于多個(gè)天線系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)工作；4)天線運(yùn)行范圍大、姿態(tài)調(diào)整速度快、跟蹤精度高， 天線結(jié)構(gòu)采用三軸穩(wěn)定體系、初始捕獲和重新捕獲時(shí)間短。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的工作原理圖。 圖3是本發(fā)明的方位、俯仰和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)圖。 圖4是本發(fā)明的方位、俯仰和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)的工作原理圖。 圖5是本發(fā)明中的三軸穩(wěn)定角速度補(bǔ)償坐標(biāo)變換示意圖。 圖6是本發(fā)明方位控制器工作原理圖。圖7是本發(fā)明俯仰控制器工作原理圖。 圖8是本發(fā)明橫滾控制器工作原理圖。 圖9是本發(fā)明切換控制算法流程圖。 圖10是本發(fā)明中姿態(tài)傳感器組成結(jié)構(gòu)圖。 圖11是本發(fā)明用戶操作終端的示意圖。
圖12是本發(fā)明的一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) 示意圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合圖l，本發(fā)明用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，將嵌入式天線 控制器1通過現(xiàn)場總線與用戶操作終端IO連接，該用戶操作終端IO將衛(wèi)星三維位置信 息發(fā)送給嵌入式天線控制器l，所述的嵌入式天線控制器1根據(jù)用戶操作終端IO發(fā)送的
衛(wèi)星三維位置信息、GPS接收機(jī)9輸出的天線三維位置信息、姿態(tài)傳感器7輸出的天線 三軸姿態(tài)信息及高頻信號處理器8輸出的AGC電平進(jìn)行信息處理，得到方位、俯仰和 橫滾三軸運(yùn)動(dòng)控制指令，然后通過現(xiàn)場總線分別發(fā)送給方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)2、 俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4，所述的方位一體化驅(qū)動(dòng) 與控制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4的輸出軸 分別與機(jī)械傳動(dòng)裝置5連接，該機(jī)械傳動(dòng)裝置5帶動(dòng)衛(wèi)星通信天線6運(yùn)動(dòng)，安裝在衛(wèi)星 通信天線6上的姿態(tài)傳感器7和高頻信號處理器8將天線的姿態(tài)信息和AGC電平信息 傳輸給嵌入式天線控制器1，從而構(gòu)成完整的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)。
結(jié)合圖2，本發(fā)明用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的嵌入式天線控 制器1由一片高性能數(shù)字信號處理器作為核心單元構(gòu)成，包括方位控制器11、俯仰控制 器12、橫滾控制器13和信息處理模塊14;用戶操作終端10通過現(xiàn)場總線將衛(wèi)星經(jīng)度、 緯度及高度三維位置信息;t,、 A、 /^發(fā)送給嵌入式天線控制器1;該嵌入式天線控制器 1通過姿態(tài)傳感器7采樣衛(wèi)星通信天線6的三軸角速度信息《az 、 A, 、 wd和角度信息6az 、
《,、&，通過GPs接收機(jī)9獲取天線經(jīng)度、緯度及高度三維位置信息;t、 p、 嵌入
式天線控制器l中的信息處理模塊14根據(jù)所述的衛(wèi)星三維位置信息4、 A、 /z,和天線 三維位置信息;i、 p、 / ，通過地理坐標(biāo)系與天線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出天線方位與俯仰兩軸跟蹤指令信號《M、《,，并對天線角速度信息《。7、 A/和角度信息^^、《,、
《,進(jìn)行平滑濾波處理，然后分三路輸出，其中第一路輸出信號C^、 <z、 ^:輸送給方 位控制器ll，第二路輸出信號《,、《、《輸送給俯仰控制器12、第三路輸出信號《,、 <z、《,輸送給橫滾控制器13;所述的方位控制器ll、橫滾控制器12與俯仰控制器13 根據(jù)上述信號分別進(jìn)行處理，從而得到天線三軸運(yùn)動(dòng)控制指令^2、化,、并將上述 控制量通過現(xiàn)場總線分別輸送給方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制
電機(jī)3、橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4來帶動(dòng)衛(wèi)星接收天線6運(yùn)動(dòng)，從而獲得性能優(yōu)良 的天線穩(wěn)定跟蹤控制效果。
結(jié)合圖3，本發(fā)明用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)中的方位一體化 驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4均采 用一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)結(jié)構(gòu)，即在該一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)中，減速器21與伺服電 機(jī)22的輸出軸同軸相連，電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器23與伺服電機(jī)22的輸入軸同軸相 連，設(shè)置有通信接口 25、調(diào)試接口 26及電源接口 27的驅(qū)動(dòng)與控制器24通過線纜通道 分別與電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器23和伺服電機(jī)22相連接。所述的驅(qū)動(dòng)與控制器24通 過通信接口25接收外部的指令信號w (w根據(jù)方位、俯仰和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電 機(jī)分別為《az 、化,、wd )，內(nèi)部的速度計(jì)算器245對電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器23提供的 轉(zhuǎn)軸角度信息進(jìn)行差分計(jì)算得到速度反饋信號^，速度控制器241首先對w與^做求 差處理得誤差信號A ，然后根據(jù)Aw調(diào)用切換控制算法計(jì)算出控制量/,送給電流控制 器242，該電流控制器242通過電流檢測電路244得到電機(jī)電樞回路電流/。，然后對/, 與/￡做求差處理得誤差信號A/ ，再根據(jù)A7調(diào)用切換控制算法計(jì)算出控制量[/￡傳送給功 率驅(qū)動(dòng)電路243產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓f^帶動(dòng)伺服電機(jī)22運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖4。其中，減速器21采用
高精度行星齒輪減速器，其具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、抗沖擊、壽命長等 優(yōu)點(diǎn)；伺服電機(jī)22選用高性能交流或直流伺服電機(jī)；電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器23采用 精度高、體積小的旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于強(qiáng)沖擊、震動(dòng)場合；通信接口25采用現(xiàn)場總線 接口，調(diào)試接口26采用串行接口接收一些調(diào)試信息。
結(jié)合圖5，本發(fā)明用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)中的三軸穩(wěn)定角 速度補(bǔ)償坐標(biāo)變換示意圖。其中<9-&凡^為天線轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，Oc。為天線俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸，
80凡為天線橫滾轉(zhuǎn)動(dòng)軸，Oz。為天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸。天線橫滾轉(zhuǎn)動(dòng)軸O凡和天線方位轉(zhuǎn)動(dòng) 軸C、相互正交，橫滾轉(zhuǎn)動(dòng)軸Qy。平行于天線底座平面，方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸(9z。垂直于天線底
座平面，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸Oc。的狀態(tài)受天線橫滾轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。陀螺軸線橫滾陀螺軸線與橫
滾轉(zhuǎn)動(dòng)軸相同，垂直于方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸，天線橫滾電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不產(chǎn)生橫滾陀螺
的角速度輸出；俯仰陀螺軸線與俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸相同，垂直于方位陀螺軸線和橫滾陀螺軸線， 天線俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不產(chǎn)生俯仰陀螺的角速度輸出；方位陀螺軸線的狀態(tài)將由天線初始 化過程加以調(diào)整。初始化結(jié)束時(shí)，若坐標(biāo)關(guān)系如圖5所示，天線底座傾斜造成橫滾陀螺 軸線與水平面的夾角為-a (水平面以下為正)，軸Oj/是橫滾陀螺軸線在水平面投影； 軸線Ox'在天線底座平面內(nèi)，垂直于橫滾陀螺軸線，天線底座傾斜使得它與水平面的夾 角為-/ (水平面以下為正)，軸線<^'在水平面內(nèi)的投影為天線俯仰陀螺軸線6^; Oz。為
天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸，Cfe。為天線方位陀螺軸線。上述軸線組成兩個(gè)直角坐標(biāo)系0-Xay'z。與 0-x'yaza，兩個(gè)直角坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換關(guān)系為
X,
凡=[;〗
z0
其中[^J為變換矩陣。
cos sin y5
sina cosa cos 〃
若天線的方位陀螺測得的角速度為『。z。 = /7,，俯仰陀螺測得的角速度為『 =/7￡， 橫滾陀螺測得的角速度為『^ =/7K，則天線空間運(yùn)動(dòng)在水平坐標(biāo)系0-;c。j/z。中繞軸 (9x。和Cfe。的旋轉(zhuǎn)角速度分別為/7￡和^ 。
結(jié)合圖6，本發(fā)明嵌入式天線控制器1的方位控制器11根據(jù)信息處理模塊14輸出 的姿態(tài)信息^^、 <z、《z，首先判斷e:值是否更新，若eL更新，則計(jì)算出誤差信號
A《=《z -《，然后調(diào)用切換控制算法計(jì)算出方位電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令6^ ，若^L/沒 有更新，則輸出方位電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令^"Z《T，其中T為方位一體化驅(qū)動(dòng) 與控制電機(jī)速度環(huán)控制周期，k為比例系數(shù)，取值范圍為120~150。
cos / — sin " sin々
0 cos" —sin々 —cos々sin"結(jié)合圖7，本發(fā)明嵌入式天線控制器1的俯仰控制器12根據(jù)信息處理模塊14輸出 的姿態(tài)信息《,、",、《，首先判斷《,值是否更新，若《,更新，則計(jì)算出誤差信號 △《=《/_《，然后調(diào)用切換控制算法計(jì)算出俯仰電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令％/;若《,沒 有更新，則輸出俯仰電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令化,=-&。
結(jié)合圖8，本發(fā)明嵌入式天線控制器1的橫滾控制器13根據(jù)信息處理模塊14輸出 的姿態(tài)信息cC、 ^C、《，首先判斷《值是否為零，若《=0，則輸出橫滾電機(jī)速度運(yùn)
動(dòng)控制指令<,=0;若《*0，則輸出橫滾電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令^,-^sin"-^。
結(jié)合圖9，上述切換控制算法首先判斷角度或速度誤差所處誤差范圍，若誤差位于 預(yù)設(shè)的大于大誤差區(qū)(速度誤差大于50轉(zhuǎn)/分鐘為大誤差區(qū)，角度誤差大于0.3度為大 誤差區(qū))則計(jì)算當(dāng)前速度、加速度和按照當(dāng)前速度減速到O時(shí)的角度S，然后判斷角度 ^是否大于當(dāng)前誤差e(k)，如果大于e(k)，則計(jì)算出按照最大加速度減速運(yùn)行所需的控 制量u(k)，否則調(diào)用柔化Bang-Bang控制計(jì)算控制量；若誤差不在大誤差區(qū)，則進(jìn)一步 判斷其位于哪個(gè)已經(jīng)劃分的小誤差帶，據(jù)此設(shè)定PID參數(shù)，然后調(diào)用數(shù)字PID控制算法 計(jì)算控制量。
結(jié)合圖10，姿態(tài)傳感器7包括由三個(gè)單軸陀螺(分別為方位陀螺、俯仰陀螺和橫滾 陀螺)構(gòu)成的三軸陀螺儀71，用于獲取天線方位、俯仰及橫滾三軸角速率信息，并將上 述角速率信息轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出傳給AD采樣模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。電子羅盤72獲取 天線方位、俯仰及橫滾三軸角度信息。限位光電開關(guān)73用于輸出天線俯仰臨界限位信 號。
結(jié)合圖ll，用戶操作終端10由一片高性能微控制器MSP430F149為核心構(gòu)成，其 實(shí)現(xiàn)的主要功能包括1)信息輸入終端，采用4x4矩陣鍵盤構(gòu)成，用戶通過該鍵盤可 以輸入衛(wèi)星天線的經(jīng)度、緯度及高度等信息；2)信息顯示終端，采用具有128x64象素 且自帶漢字庫的字符型LCD實(shí)現(xiàn),用戶通過LCD配合鍵盤操作可以實(shí)時(shí)觀察所需信息； 3)通過內(nèi)置的CAN通信接口經(jīng)光電隔離后與嵌入式天線控制1進(jìn)行通信。
結(jié)合圖12給出了一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) 示意圖。其中嵌入式天線控制器l中的高性能數(shù)字信號處理器選用具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的 32位高速DSP，其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括a)將方位控制器ll、俯仰控制器12、橫滾控制器13及信息處理模塊14用程序具體實(shí)現(xiàn)；b)通過內(nèi)置的AD模塊將三軸陀螺信號
分別轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；c)通過內(nèi)置的CAN通信接口經(jīng)光電隔離后與方位一體化驅(qū)動(dòng)與控 制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3、橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4及用戶操作終 端10進(jìn)行通信；d)通過內(nèi)置的UART1接口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器與電子羅盤 HMR3300進(jìn)行通信；e)通過內(nèi)置的UART2接口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器與GPS進(jìn) 行通信，獲取天線三維位置信息；f)通過高頻信號處理器8接收衛(wèi)星信號，從中提取AGC 電平作為跟蹤信號。
以下以一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)為例，說明本發(fā)明的具 體實(shí)施。具體實(shí)施分以下5步
1、 將方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3及橫滾一體化驅(qū) 動(dòng)與控制電機(jī)4輸出軸分別連接至天線平臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)裝置的相應(yīng)部位;將姿態(tài)傳感器7、 高頻信號處理器8、 GPS接收機(jī)9分別安裝于天線平臺(tái)的各個(gè)相應(yīng)部位，并將它們的輸 出線分別連接至嵌入式天線控制器1相應(yīng)接口；嵌入式天線控制器1通過現(xiàn)場總線接口 與用戶操作終端IO、方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3及橫 滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4相連接，從而構(gòu)成完整的天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)(如圖l所 示)。
2、 構(gòu)造嵌入式天線控制器中的方位控制器ll，如圖6和圖8所示。其中切換控制 算法的柔化Bang-Bang控制算法表達(dá)式為
其中w("為控制量，《p為比例系數(shù)，e。為大小誤差區(qū)的分界點(diǎn)，""為誤差。
其中Ay:^("-^"l)為采樣周期內(nèi)輸入信號增量，即指令速度，w為系統(tǒng)最大
轉(zhuǎn)速，r為采樣周期，r為對應(yīng)D/A輸出最大值。^(/ = 1,2)為相應(yīng)于輸入指令角速度
的控制量，式中a為一常數(shù)(相對主控制信號較小的值， 一般取為0.5)。 數(shù)字PID算法表達(dá)式為其中i^， A^和i"分別為當(dāng)誤差位于誤差帶n時(shí)的比例、積分及微分系數(shù)
3、 構(gòu)造嵌入式天線控制器中的俯仰控制器12，如圖7所示。
4、 構(gòu)造嵌入式天線控制器中的橫滾控制器13，如圖8所示。
5、 圖12給出了一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)示 意圖，其中現(xiàn)場總線采用CAN總線。高性能數(shù)字信號處理器選用具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的 32位高速DSP，型號為TMS320F28335。姿態(tài)傳感器中的固態(tài)陀螺a,b,c (分別為方位 陀螺、俯仰陀螺和橫滾陀螺)將測量到的角速率信息經(jīng)過信號調(diào)理電路后，通過 TMS320F28335內(nèi)置的A/D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；電子羅盤HMR3300獲取的天線姿態(tài)信 息(方位角、俯仰角、橫滾角)、GPS接收機(jī)9獲取的天線三維位置信息經(jīng)MAX232電 平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器及光電隔離后分別送至TMS320F28335的UART1和UART2端口；俯仰 限位開關(guān)信號送至TMS320F28335的I/O端口 ； TMS320F28335通過內(nèi)置的CAN通信 接口經(jīng)光電隔離后與方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)2、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)3、橫 滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)4及用戶操作終端10進(jìn)行通信。上述用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通 信天線進(jìn)行穩(wěn)定控制的實(shí)施流程如下
(1) 利用姿態(tài)傳感器信息完成天線系統(tǒng)初始化。
(2) 利用DSP的CAN通信接口獲取用戶操作終端發(fā)出的衛(wèi)星三維位置信息。
(3) 通過陀螺傳感器檢測天線三軸姿態(tài)變化信息，其以電壓信號形式輸出。
(4) 利用DSP的A/D 口讀取所述電壓信號。
(5) 通過DSP的UART1通信接口獲取HMR3300提供的天線三軸角度信息。
(6) 通過DSP的UART2通信接口獲取GPS接收機(jī)提供的天線三維位置信息。
(7) 嵌入式控制器根據(jù)獲取的衛(wèi)星三維位置信息、天線三維位置信息、天線姿態(tài) 變化信息和角度信息解算得到天線三軸速度運(yùn)動(dòng)控制指令，通過CAN總線分別輸送給 方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)、橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)， 從而帶動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)，以獲得性能優(yōu)良的天線穩(wěn)定跟蹤控制效果。
(8) 相關(guān)參數(shù)及狀態(tài)由DSP的I/O驅(qū)動(dòng)LED顯示。
權(quán)利要求
1、一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于將嵌入式天線控制器(1)通過現(xiàn)場總線與用戶操作終端(10)連接，該用戶操作終端(10)將衛(wèi)星三維位置信息發(fā)送給嵌入式天線控制器(1)，所述的嵌入式天線控制器(1)根據(jù)用戶操作終端(10)發(fā)送的衛(wèi)星三維位置信息、GPS接收機(jī)(9)輸出的天線三維位置信息、姿態(tài)傳感器(7)輸出的天線三軸姿態(tài)信息及高頻信號處理器(8)輸出的AGC電平進(jìn)行信息處理，得到方位、俯仰和橫滾三軸運(yùn)動(dòng)控制指令，然后通過現(xiàn)場總線分別發(fā)送給方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(2)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(3)和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(4)，所述的方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(2)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(3)和橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(4)的輸出軸分別與機(jī)械傳動(dòng)裝置(5)連接，該機(jī)械傳動(dòng)裝置(5)帶動(dòng)衛(wèi)星通信天線(6)運(yùn)動(dòng)，安裝在衛(wèi)星通信天線(6)上的姿態(tài)傳感器(7)和高頻信號處理器(8)將天線的姿態(tài)信息和AGC電平信息傳輸給嵌入式天線控制器(1)，從而構(gòu)成完整的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，其特 征在于嵌入式天線控制器(1)由一片高性能數(shù)字信號處理器作為核心單元構(gòu)成，包 括方位控制器(11)、俯仰控制器(12)、橫滾控制器(13)和信息處理模塊(14);用 戶操作終端(10)通過現(xiàn)場總線將衛(wèi)星經(jīng)度、緯度及高度三維位置信息^、 a、 /z,發(fā)送 給嵌入式天線控制器(1);該嵌入式天線控制器(1)通過姿態(tài)傳感器(7)采樣衛(wèi)星通 信天線(6)的三軸角速度信息fi^、 &、化,和角度信息&、《,、《,，通過gps接收機(jī)(9)獲取天線經(jīng)度、緯度及高度三維位置信息;u p、 嵌入式天線控制器(1) 中的信息處理模塊(14)根據(jù)所述的衛(wèi)星三維位置信息;i,、 a、 /^和天線三維位置信息義、p、 /2計(jì)算出天線方位與俯仰兩軸跟蹤指令信號《M、《,，并對天線角速度信息^^、 a,、 a,和角度信息^^、 &、《,進(jìn)行平滑濾波處理，然后分三路輸出，其中第一路輸出 信號《m、 <z、《輸送給方位控制器(11)，第二路輸出信號《,、w:,、《輸送給俯仰 控制器(12)、第三路輸出信號fi^、 cC、《輸送給橫滾控制器(13);所述的方位控制 器(11)、橫滾控制器(12)與俯仰控制器(13)根據(jù)上述信號分別進(jìn)行處理，從而得到天線三軸運(yùn)動(dòng)控制指令0^、 ％,、 A,，并將上述控制量通過現(xiàn)場總線分別輸送給方位 一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(2)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(3)、橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制 電機(jī)(4)來帶動(dòng)衛(wèi)星接收天線(6)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)天線穩(wěn)定與跟蹤控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)， 其特征在于方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(2)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(3)和橫 滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)(4)均釆用一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)結(jié)構(gòu)，即在該一體化驅(qū)動(dòng) 與控制電機(jī)中，減速器(21)與伺服電機(jī)(22)的輸出軸同軸相連，電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測 傳感器(23)與伺服電機(jī)(22)的輸入軸同軸相連，設(shè)置有通信接口 (25)、調(diào)試接口(26)及電源接口 (27)的驅(qū)動(dòng)與控制器(24)通過線纜通道分別與電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測 傳感器(23)和伺服電機(jī)(22)相連接；所述的驅(qū)動(dòng)與控制器(24)通過通信接口 (25) 接收外部的指令信號w ，內(nèi)部的速度計(jì)算器(245)對電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器(23) 提供的轉(zhuǎn)軸角度信息進(jìn)行差分計(jì)算得到速度反饋信號^，速度控制器(241)首先對w 與q做求差處理得誤差信號Aw ，然后根據(jù)Aw調(diào)用切換控制算法計(jì)算出控制量/,送給 電流控制器(242)，該電流控制器(242)通過電流檢測電路(244)得到電機(jī)電樞回路 電流/￡，然后對；與/J故求差處理得誤差信號A/，再根據(jù)A/調(diào)用切換控制算法計(jì)算出控制量R傳送給功率驅(qū)動(dòng)電路(243)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓f^帶動(dòng)伺服電機(jī)(22)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，其特 征在于減速器(21)采用行星齒輪減速器，伺服電機(jī)(22)采用交流或直流伺服電機(jī)； 電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測傳感器(23)采用旋轉(zhuǎn)變壓器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，其特 征在于方位控制器(11)根據(jù)信息處理模塊(14)輸出的姿態(tài)信息^1、 gC、《z，首 先判斷^^值是否更新，若《^更新，則計(jì)算出誤差信號厶《2=^^—《z，然后調(diào)用切換 控制算法計(jì)算出方位電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令w^若^L沒有更新，則輸出方位電機(jī)速度 運(yùn)動(dòng)控制指令ft^ = ytZ<z .r ，其中T為方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)速度環(huán)控制周期， k為比例系數(shù)，取值范圍為120~150。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，其特 征在于俯仰控制器(12)根據(jù)信息處理模塊(14)輸出的姿態(tài)信息(、《、6C,，首先判斷《:,值是否更新，若6C,更新，則計(jì)算出誤差信號A《-《,-《，然后調(diào)用切換控 制算法計(jì)算出俯仰電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令化,；若《,沒有更新，則輸出俯仰電機(jī)速度運(yùn) 動(dòng)控制指令 =- 。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，其特 征在于橫滾控制器(13)根據(jù)信息處理模塊(14)輸出的姿態(tài)信息6^、 <z、《，首先判斷《值是否為零，若《=0，則輸出橫滾電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令^,=0;若《*0， 則輸出橫滾電機(jī)速度運(yùn)動(dòng)控制指令化,=^sina-77fl 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)，由嵌入式天線控制器、姿態(tài)傳感器、高頻信號處理器、GPS接收機(jī)、方位一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)、俯仰一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)、橫滾一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置及衛(wèi)星通信天線組成。本發(fā)明采用設(shè)計(jì)的一體化驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)，輸出軸可直接驅(qū)動(dòng)天線，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便安裝與維護(hù)。系統(tǒng)各主要部件及用戶操作終端之間通過現(xiàn)場總線方式進(jìn)行連接，簡化了連接的復(fù)雜度，也有利于多個(gè)天線系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)工作。設(shè)計(jì)了基于切換控制理論的新型切換控制算法，提高系統(tǒng)控制性能。采用本發(fā)明可有效保證運(yùn)動(dòng)載體上衛(wèi)星通信天線的指向穩(wěn)定和跟蹤性能。
文檔編號H01Q3/02GK101577367SQ20081002557
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者吳曉蓓, 吳益飛, 君 姜, 樊衛(wèi)華, 胡維禮, 健 郭, 陳慶偉 申請人:南京理工大學(xué)