基于三轴自主跟踪平台的研究与实现 ——系统控制算法与软件设计

论文摘要

移动卫星通信系统（“动中通”系统）可以满足载体在任何时间、任何地点、任何情况下通信的需求,基于三轴自主跟踪平台的设计是“动中通”系统的核心技术,其可以隔离载体在运动过程中的扰动,保持天线稳定跟踪卫星信号。本论文针对应用于海上舰船的“动中通”系统,进行了以下研究工作：1.提出三轴自主跟踪平台的总体设计方案,包括机械结构设计、系统组成、所用器件选型等；2.针对陀螺的噪声信号,在频域上应用了椭圆滤波器的滤波处理方法,在时域上应用了递推最小二乘多项式拟合的处理方法,并对陀螺的静态与动态输出进行仿真计算,通过分析比较,将递推最小二乘多项式拟合的算法应用到实际系统中,并给出了实际系统的陀螺信号处理结果。3.分析了本系统的三轴结构及三轴跟踪机理,提出了方位、俯仰闭环控制结构,横滚前馈补偿的控制策略；针对方位系统,分别设计了智能分区PID控制、滑模变结构控制方法,并进行了仿真验证；4.采用模块化思想,完成了系统软件设计,主要包括初始对星模块、稳定跟踪模块、监控模块,给出了各个部分的软件实现方法、软件流程图；5.对系统进行软硬件联调,通过三轴运动模拟器模拟船只在海上航行的扰动,对比研究不同控制策略下的控制效果,实际结果表明方位-俯仰闭环、横滚前馈补偿的控制策略,以及方位采用智能分区PID的控制方法效果较好,基本实现本系统提出的设计指标；最后总结了本文的研究成果和不足之处,并对三轴自主跟踪平台的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 国外研究现状
• 1.1.2 国内研究现状
• 1.1.3 移动卫星通信系统分类
• 1.2 稳定平台技术的发展
• 1.2.1 稳定平台的分类
• 1.2.2 稳定平台伺服控制技术
• 1.3 陀螺信号处理
• 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 论文的章节安排
• 2 系统总体设计
• 2.1 机械结构设计
• 2.2 设计技术指标
• 2.3 系统组成
• 2.3.1 卫星通信分系统
• 2.3.2 稳定伺服分系统
• 2.3.3 监控模块
• 2.4 本章总结
• 3 陀螺信号滤波在系统中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 陀螺输出的频谱特性
• 3.3 IIR数字滤波器在系统中的应用
• 3.3.1 椭圆滤波器的简介
• 3.3.2 椭圆滤波器的设计步骤
• 3.4 递推最小二乘多项式拟合
• 3.4.1 递推最小二乘的基本原理
• 3.4.2 多项式拟合
• 3.4.3 基于递推最小二乘多项式拟合的陀螺信号处理
• 3.5 陀螺滤波实验结果与分析
• 3.6 本章小结
• 4 控制结构及控制算法设计
• 4.1 三轴系统结构
• 4.2 三轴稳定跟踪机理
• 4.3 三轴控制结构分析
• 4.3.1 前馈控制策略
• 4.3.2 闭环反馈策略
• 4.3.3 方位-俯仰闭环、横滚前馈补偿的控制策略
• 4.4 控制算法设计与仿真
• 4.4.1 方位系统数学模型
• 4.4.2 智能分区PID控制
• 4.4.3 滑模变结构控制仿真
• 4.4.4 仿真实验及结果
• 4.5 总结
• 5 系统软件设计
• 5.1 软件模块组成
• 5.2 系统初始对星
• 5.2.1 单片机初始化
• 5.2.2 初始对星粗对准
• 5.2.3 初始对星精对准
• 5.3 系统稳定跟踪
• 5.4 监控计算机软件设计
• 5.5 本章小结
• 6 系统调试与分析
• 6.1 方位系统调试结果
• 6.2 俯仰系统调试结果
• 6.3 三轴联动时系统调试结果
• 6.4 总结
• 7 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录