船载卫星天线自动跟踪技术研究与实现

论文摘要

随着卫星通信技术以及自动控制技术的不断发展,在运动载体上实现卫星实时数据交换成为可能。实现运动中卫星通信的关键技术就是利用数字罗盘和陀螺等姿态测量控制元件隔离载体本身及其运动带来的对天线姿态的影响,使天线能够精确地对准卫星方向,实现与卫星连续的通信。本文论述了一种同步卫星电视接收伺服系统的设计思路和实现过程,在保证系统基本性能的基础上,尽可能地降低移动卫星电视接收系统的成本,为该类产品的推广和普及提供条件。以此为目的,文章以船载卫星天线自动跟踪系统为研究对象,在对各种设计方案进行了分析的基础之上,提出了一种以电子罗盘、GPS、陀螺平台为位置姿态敏感元件,以C8051F020为核心处理器的设计方案。这种设计减少了系统的硬件及外设,从而在一定程度降低了系统的成本。卫星跟踪原理是整个系统研制的基础。在论述系统设计之前,本文从球面几何的角度对卫星跟踪角度的计算公式进行了推导,推导方法更加直观,更便于理解。之后本文对推导的公式进行了仿真运算,验证了公式,并在此基础之上,针对公式的特点提出了一种改进的计算方法。这种方法基于查表法和线性插值模型,在三角函数及反三角函数的计算中以较小的精度和存储空间的损失换取了计算速度的大幅度提高。实践证明,这种方法是有效的,具有一定的工程应用价值。之后,文章给出了系统的具体设计,包括硬件实现及软件实现。硬件设计部分主要包括电子罗盘、GPS与主控芯片C8051F020的接口电路,以及单片机按键、显示、数据采集等外围电路。软件设计部分主要论述了基于中断技术的软件设计方案及软件安全结构设计。其中,系统前后台和模块化的设计方法提高了系统的运行效率和稳定性,程序口令结构和数据冗余技术,则提高了系统软件的安全性。最后,针对系统开发工作过程中出现的问题,论文提出了下一步工作方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及来源
• 1.2 课题研究现状及意义
• 1.3 研究思路及主要内容
• 2 移动卫星天线自动跟踪理论基础
• 2.1 参考坐标系的选取
• 2.2 地理坐标系中的对星角模型
• 2.2.1 方位角的计算
• 2.2.2 俯仰角的计算
• 2.3 载体坐标系中对星角模型
• 2.3.1 变换矩阵的计算
• 2.3.2 方位和俯仰角计算
• 2.3.3 天线指向模型仿真分析
• 3 系统总体设计
• 3.1 系统功能设计
• 3.2 系统方案分析
• 3.2.1 卫星跟踪的基本方法
• 3.2.2 系统传感器方案确定
• 3.2.3 跟踪控制方案的选择
• 3.3 系统的组成
• 3.3.1 系统总体结构
• 3.3.2 控制器功能设计
• 3.3.3 电子罗盘HMR3000
• 3.3.4 GPS模块Jupiter021
• 3.3.5 直流电机
• 4 系统控制器硬件设计
• 4.1 MCU模块设计
• 4.1.1 C8051F020混合信号系统级MCU芯片
• 4.1.2 看门狗模块设计
• 4.1.3 电源模块
• 4.2 按键及液晶显示模块
• 4.3 开关量输入输出模块
• 4.4 串行通讯模块
• 4.5 电机保护模块
• 4.5.1 电机电流A/D采样模块
• 4.5.2 多路A/D采样模块
• 4.6 硬件设计抗干扰注意事项
• 5 系统控制器软件设计
• 5.1 软件总体结构设计
• 5.2 主程序结构
• 5.2.1 主程序流程结构设计
• 5.2.2 主程序缓冲区数据结构
• 5.3 子程序结构
• 5.3.1 显示模块
• 5.3.2 按键模块
• 5.3.3 用户设置模块
• 5.3.4 方位角、俯仰角测量
• 5.3.5 模拟量校准
• 5.3.6 电子罗盘、GPS程序模块
• 5.4 对星角计算中的改进方法
• 5.4.1 线性插值模型
• 5.4.2 实验与分析
• 5.5 数字滤波
• 5.5.1 常用数字滤波方法分析
• 5.5.2 系统滤波方案分析及实现
• 5.6 数据冗余——软件安全保护
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 附图