CN102157790A

CN102157790A - 一种用于动中通的天线跟踪系统

Info

Publication number: CN102157790A
Application number: CN2010101094614A
Authority: CN
Inventors: 徐诚; 宗鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-17

Abstract

一种用于动中通的天线跟踪系统，本发明是基于多传感器组合的姿态测量，对磁强信息、加速度信息和角速率信息组合进行融合估计。采用“三轴稳定+动态搜索”的方法，以组合测姿补偿的内环来实现三轴稳定，隔离载体姿态受环境影响；再把数字接收机输出的强度信号作为反馈信号引入到控制器中，构成电平信号跟踪的外环，形成双环嵌套动态搜索信号最大点的方式进行误差补偿。具体算法：利用三轴陀螺测得的载体转动角速度分量对测得的重力加速度分量和地磁感应强度分量进行卡尔曼滤波，去除因加速运动和外界磁场产生的干扰，从而得到其真值，最后利用此值进行姿态的解算。

Description

一种用于动中通的天线跟踪系统

技术领域：

“动中通”天线跟踪系统是一个复杂的多学科的技术密集综合体，它包含了惯性导航技术、微惯性传感器应用技术、数据采集及信号处理技术、精密机械设计技术、精密机构运动学和动力学建模与仿真技术、运动控制技术、闭环伺服控制技术、卫星通讯技术以及系统工程技术等多项技术。这类稳定跟踪系统是以机电一体化、自动控制技术为主体，是多个学科有机结合的产物，其技术适用于各种移动卫星通讯系统，如卫星电视接收、车船用移动卫星通讯、公安消防、抢险救灾、野外作业等多种军民用场合。尽管“动中通”在国内外已有很广泛的研究，但是如何利用较低成本的传感器设计出高性价比的系统仍是个棘手的问题，也正本发明的灵魂所在。

背景技术：

陀螺是最常用的姿态传感器。传统的三轴稳定平台通常采用高精度陀螺，进行角度补偿，以隔离对载体的扰动。此方案造价较高，且随着时间的增长，陀螺零点的漂移会使积分值与真值偏离越来越大。近年来，微机电陀螺获得了极大的发展。它具有体积小，成本低，易于批量生产等优点，因而极大扩展了陀螺的应用领域。但是，微机电陀螺有一个主要的问题是精度比较低，其漂移会引起很大的测量误差，它只能在短时间内提供可靠的测量信息。因此，微机电陀螺必须与其它传感器组合使用才能产生长期稳定可靠的姿态信息。为解决这个问题，我们设计了一种基于多传感器组合的姿态测量系统AHRS，对磁强信息、加速度信息和角速率信息组合进行融合估计，来获得较高精度和可靠性的姿态测量。

本系统的数据融合的思想是：利用三轴陀螺测得的载体转动角速度分量对测得的重力加速度分量和地磁感应强度分量进行卡尔曼滤波，去除因加速运动和外界磁场产生的干扰，从而得到重力加速度和地磁感应强度分量真值的估计值，最后利用此估计值进行载体姿态的解算。

卫星天线稳定跟踪系统是一个稳定控制和扫瞄跟踪的综合系统，其内容涉及坐标变换和跟踪、以及控制算法的应用。其工作原理是，在车体行驶过程中，天线跟踪系统通过接收GPS信号获得车体的地理位置信息，并结合上位机提供的目标卫星地理位置信息，经过微处理器计算出天线平台的即时俯仰角和方位角，伺服机构驱动天线到达相应的指令角位置，同时根据AHRS测得车体的航向角、俯仰角和横滚角进行补偿，隔离车体的扰动。当没有接收到卫星信号作参考时，在载体坐标系中可求出天线的近似对星角，控制天线使其指向进入卫星方向的大致范围；当天线可以收到卫星信号后，则进行圆锥扫描跟踪，精确对准卫星，保证信号质量和链路的畅通。

发明内容：

本发明主要包含两项工作：

一、自主开发低成本的多姿态组合航向测量系统，来提供天线座的航向角、俯仰角、横滚角信息，并通过数据融合算法有效的提高精度。它是以单片机为核心，采用微机电传感器和磁强传感器构成的组合航姿测量系统，其特点是规格小、功耗低、成本低、可靠性高、实时性强且精度较高。

二、“三轴稳定+动态搜索”的算法设计，通过组合测姿补偿的内环来实现三轴稳定，以隔离载体姿态受环境影响，进一步再把数字接收机输出的强度信号作为反馈信号引入到控制器中，构成一个电平信号跟踪外环，形成双环嵌套，采取动态搜索信号最大点的方式进行误差补偿，对天线的指向给予相应的调整，以达到高精度跟踪卫星的目的。

整个系统主要由以下四个部分构成：

1、机械结构单元：包括用于控制天线方位、俯仰动作的a-z二轴跟踪平台和用于隔离环境扰动的x y z三轴稳定平台。三轴平台的方位z轴和二轴平台的方位z轴是公用的，因此系统共有4个转轴，即x y z a轴，如图1所示。

2、传感信息单元：用于获取载体位置和组合姿态信息的传感器。

3、主控单元：包括获取组合姿态信息，数据运算，进行伺服控制等，如图2所示。

4、执行单元：驱动各转轴转动，包括步进电机和步进电机驱动器。

附图说明：

图1自动天线跟踪系统结构图，

图2多传感器组合姿态测量及控制系统框图，

图3“三轴平台稳定+二轴动态搜索”控制算法

具体实施方式：

传统的“静中通’多采用俯仰-方位两轴跟踪模式，根据卫星的轨道计算出观测角度，进行程序跟踪或粗跟踪，然后再根据信号质量再进行扫描或精跟踪。本“动中通”在控制逻辑上，采用隔离运动扰动，同时又跟踪卫星的方案，即“三轴稳定+动态搜索”的算法。由于两个控制环路不可能完全相互独立，为了减少冗余动作和误动作，需要将两个环路嵌套，进行优化控制，如图3所示，图中阴影部分用于平台隔离扰动。在系统的跟踪过程中，首先以组合测姿补偿的三轴稳定算法，隔离载体姿态的变化，使天线保持指向对准卫星的方向上，并不停地对信号进行监视，发现信号减弱，立即进行动态搜索，直到找回信号最强的位置。

实施步骤：当已知地理坐标下天线的方位和俯仰角时，先求得到天线中心轴在地理坐标系中的坐标投影，然后进行地理坐标系到载体坐标系的坐标变换，就得到天线中心轴在载体坐标系中的坐标投影，最后进行坐标投影到空间角度的简单变换，即可得到天线轴在载体坐标系中的方位角和俯仰角。对此其求解分为两步：

首先，根据天线的经纬度和目标卫星的经纬度，求得天线在地理坐标系下的方位、俯仰指令角；

其次，将地理坐标系变换到车体坐标系下，求得载体坐标系下的方位和俯仰指令角。根据此值，驱动步进电机，使天线指向卫星进入信号区。

接下来，采用姿态解算方法实现补偿。车体在运动过程中，由于其航向角、俯仰角、横滚角是实时变化的，本系统采用组合测姿补偿三轴稳定算法进行姿态补偿：在进行动态对准时，开启AHRS测得车体的俯仰角、滚动角和航向角，三轴稳定平台对这三个值按照控制算法做相应补偿，保证三轴稳定平台的俯仰角和横滚角为0，同时保证二轴俯仰-方位天线的航向角不受车体航向变化的干扰。

然后，卫星天线跟踪系统采用程序跟踪和圆锥扫描跟踪相结合的综合跟踪技术。天线到达初始对准位置以后，通过程序跟踪使天线波束对准所需跟踪的目标卫星，再通过圆锥扫描跟踪技术进行精对准，这两种跟踪技术的结合提高了跟踪的快速性和精确性。

最后对补偿和跟踪进行迭代优化，使之相互兼顾，实现“三轴稳定+动态搜索”的算法。

Claims

1.系统设计的核心内容

●多传感器组合姿态测量方法，即采用微机电陀螺与其它传感器，对磁场强、角速率和加速度的融合信息进行处理，来产生天线座的高精度的航向角、俯仰角、横滚角信息；

●采用测姿补偿的三轴稳定方案，来隔离载体姿态受环境的影响。利用三轴陀螺测得的载体转动角速度分量对测得的重力加速度分量和地磁感应强度分量进行卡尔曼滤波，去除因加速运动和外界磁场产生的干扰，从而得到重力加速度和地磁感应强度分量真值的估计值，最后利用此估计值进行载体姿态的解算；

●“三轴稳定+动态搜索”的算法设计，通过组合测姿补偿的内环来实现三轴稳定，以隔离载体姿态受环境影响，进一步再把数字接收机输出的强度信号作为反馈信号引入到控制器中，构成一个电平信号跟踪外环，形成双环嵌套，采取动态搜索信号最大点的方式进行误差补偿，对天线的指向给予相应的调整。