车载移动卫星天线稳定跟踪系统设计及实现

论文摘要

随着卫星通信技术的发展,移动卫星通信系统已成为一种机动通信的良好手段,可用于汽车、火车、舰船、飞机等各种移动载体上,有着广泛的市场和应用前景。移动卫星通信系统的关键设备是天线稳定跟踪系统。目前,国内车载移动卫星天线稳定跟踪系统大都使用方位和俯仰二轴机械结构,只能实现天线波束轴线的稳定,不能隔离波束滚动;同时,多数设计方案采用高精度的陀螺作为测姿传感器,成本昂贵。本课题正是根据这种情况,对现有天线稳定跟踪系统提出两点重要改进:一、使用三轴稳定策略,避免天线波束滚动,提高通信质量;二、使用微机电MEMS（Micro Electron Mechanical System）传感器组合搭建出具有较高精度的测姿系统,降低成本。论文从工程应用出发,首先介绍了天线稳定跟踪系统的总体方案,包括天线座的机械结构、隔离车体扰动的稳定控制方案、寻星对星的扫描跟踪方案;其次根据系统的要求对元件、模块选型,设计了相关电路,为下一步开发打下基础;然后介绍了系统的软件设计,包括μc/OS-II实时操作系统在MSP430F149单片机上的移植,系统任务的规划,并结合具体源码介绍了测姿系统的主要功能函数;接着着重讨论了天线稳定跟踪系统的初始对准算法、动态跟踪算法和三轴稳定算法,介绍了测姿部分传感器的数据融合算法以及姿态解算算法。最后,针对系统调试和工作中存在的一些问题,给出了下一步的工作思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 研究现状及意义
• 1.3 本文内容安排
• 第二章 车载移动卫星天线稳定跟踪系统总体设计
• 2.1 天线座机械结构选择
• 2.2 系统稳定跟踪方案分类与选择
• 2.2.1 三轴稳定平台方案选择
• 2.2.2 天线跟踪方案分类与选择
• 2.3 系统工作原理及构成
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 系统硬件总体设计
• 3.2 天线控制器硬件设计
• 3.2.1 电源模块
• 3.2.2 微处理器模块
• 3.2.3 GPS 模块
• 3.2.4 电机驱动模块
• 3.2.5 光电限位模块
• 3.3 测姿系统硬件设计
• 3.3.1 电源模块
• 3.3.2 传感器模块
• 3.3.3 数据采集模块
• 3.3.4 串行通信接口
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 MSP430 集成开发环境
• 4.2 实时操作系统的必要性
• 4.3 μc/OS-II 操作系统在系统中的应用
• 4.3.1 μc/OS-II 操作系统
• 4.3.2 μc/OS-II 操作系统在MSP430F149 上的移植
• 4.4 系统工作流程与任务调度
• 4.5 测姿系统主要函数的实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统算法设计及实现
• 5.1 天线系统涉及到的坐标
• 5.1.1 天线参考坐标系的选择
• 5.1.2 坐标系变换矩阵的计算
• 5.2 天线初始对准
• 5.2.1 粗对准方法
• 5.2.2 精对准方法
• 5.2.3 圆锥扫描控制算法及其仿真
• 5.3 跟踪过程中的动态搜索研究
• 5.3.1 跟踪中进行动态搜索的必要性
• 5.3.2 动态搜索控制算法
• 5.4 系统三轴稳定控制算法的设计
• 5.4.1 天线系统稳定的控制策略
• 5.4.2 数字PID 控制算法的应用
• 5.5 测姿系统相关算法
• 5.5.1 卡尔曼滤波算法的基本原理
• 5.5.2 数据融合算法
• 5.5.3 姿态角求解算法
• 5.5.4 测姿系统实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文