船载“动中通”伺服控制系统的设计与开发

1万 · 2019-9-26 15:48

船载“动中通”伺服控制系统的设计与开发

1万 · 2019-9-26 15:48

1.首先分析了船舶运动情况给出了系统技术指标，进行了系统总体方案设计，
分析比较各种稳定跟踪方法的特点确定了惯导指向与单脉冲跟踪相结合工作方式，
并介绍了系统组成。介绍了伺服系统硬件电路设计方案，然后完成了主控部分、传
感器模块、电源模块和电机驱动模块的电路设计。
2.详细论述步进电机控制方法、前馈控制和单脉冲跟踪方法几个关键技术。然
后按照模块化思想将系统软件设计为初始化模块、天线初始对准模块和稳定跟踪模
块，重点分析了初始对准模块和稳定跟踪模块的原理与实现，并给出系统流程图。
3.完成了系统的软硬件联调，测试了系统的跟踪性能，然后通过摇摆台模拟船
舶运动对系统进行了稳定性能测试，并对结果进行了分析。

1万 · 2019-9-26 15:49

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“动中通”技术在车辆、飞机、船舶等运动载体中的应用最为常见，目的为了
实现运动载体与卫星或地面固定点之间稳定的通信。“动中通”技术的大力发展促
进了其衍生产业的发展，己经从高成本的军工产品向价格较低的民用产品发展。由
于受价格限制和国外技术封锁等原因，国内越来越需要发展价格低、通信质量好的
卫星天线系统，这也使得“动中通”技术具有的不可估量的发展前景。
随着近年来海洋经济的蓬勃发展，各国对海洋事业的投入越来越大，越来越多
的突发事件以及船员与外界的通信等问题使得船舶上能够保持与卫星或者陆地固定
站的通信尤其重要，这就使得船载“动中通”技术能够得到广泛的应用。船舶在运
动过程中存在船舶地理位置变化、姿态信息改变以及其他各种不可预知的干扰，这
些因素会影响天线对卫星或者地面站的指向精度，导致通信不稳定甚至中断，这就
要求船载“动中通”系统中的伺服控制部分能够控制天线的精确指向。

1万 · 2019-9-26 15:50

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三轴转台机械结构安装在天线底座，底座固定于船舶甲板上。天线方位轴垂直
底座向上，方位轴转动时带动整个机械结构转动;俯仰轴平行于天线底座，垂直于
方位轴，指向船舶右侧，俯仰轴转动时带动横滚轴与天线转动;横滚轴平行于天线
底座，同时垂直于方位轴和俯仰轴，指向船头，横滚轴只控制天线转动。同时惯导
系统安装在底座上，敏感船舶姿态变化。

1万 · 2019-9-26 15:51

平台式惯性导航稳定是指在载体上安装一套能够消除因载体纵摇、横摇和航向
变化引起的干扰的稳定平台，并且将稳定平台和天线伺服控制系统部分分开工作实
现天线对准卫星的功能。因此平台式惯性导航稳定需要增加一个实体的导航平台用
来模拟导航坐标系，通过控制稳定平台的姿态来消除载体运动带来的干扰。平台式
惯性导航稳定系统直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正姿态传感器的
输出，但是由于尺寸较大、结构复杂、造价和维修成本高、稳定性差，在实际应用
中逐渐被淘汰。

1万 · 2019-9-26 15:52

捷联式惯性导航稳定利用天线稳定系统中的各种稳定技术，通过补偿算法修正
天线姿态，实现天线精确对准卫星的目的，因此不需要增加实体稳定平台。捷联式
惯性导航稳定将平台的稳定功能与天线的伺服功能有效的结合起来，可以实现利用
低精度的姿态测量元件实现较高精度的伺服稳定功能，并且具有结构简单、成本低、
便于安装和维修等优点，在实际应用中具有广泛前景。目前，捷联式惯性导航稳定
方案具有以下几种:
1.IMU+GPS控制方案
这是一种惯性导航系统与GPS系统相组合的方案。该方案中GPS测量船舶的
经纬度信息，并依据这个信息驱动天线初始对准，再根据安装在载体上的速率陀螺
计算载体姿态信息，驱动天线补偿载体姿态变化引起的指向误差。该方案中陀螺的
动静态性能、安装误差以及误差的补偿方式都会影响天线的指向精度，适用于精度
适中的场合。
2.全自主捷联惯导控制方案
该方案中，采用高精度陀螺和加速度计作为姿态敏感单元，通过在计算机内建
立数字稳定平台而取代通常的机械稳定平台，根据测量的姿态信息解算天线的指向
信息，实现完全自主。全自主捷联惯导控制方案成本高，技术实现难度大，并不适
合广泛应用。
3.陀螺直接稳定方案
该方案中，将陀螺安装到天线上从而构成两轴稳定系统，陀螺直接敏感天线的
方位角和俯仰角，并将该信息发送给伺服控制系统中构成稳定环控制系统。陀螺直
接稳定方案在实际研发中需要建立模型以及大量的数学计算，软件硬件设计都比较
复杂。

1万 · 2019-9-26 15:52

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1万 · 2019-9-26 15:53

电波闭环跟踪根据天线馈源形式不同分为:步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲
跟踪。步进跟踪又叫极值跟踪，是最常见的自动跟踪方式。这种跟踪方式就是采用
搜索、判断、调整的方式寻找信标强度最大值位置驱动天线对准卫星。步进跟踪设
备简单、成本低，但是跟踪精度不高、跟踪速度慢。
圆锥扫描跟踪就是天线波束绕中心轴按固定频率旋转做圆周运动。当天线完全
对准卫星时，接收到的信标信号是一个恒值;当天线偏离卫星一定角度时，接收到
的信标信号将是一个被天线波束旋转频率调制了的信号。调制深度和相位分别与波
束偏离卫星的距离和方向相关，这样通过信号调制的深度与相位就可以知道天线的
指向误差。圆锥扫描的优点是设备简单，跟踪精度高，但是由于馈源一直偏离天线
抛物面中心，天线增益会有一定的下降，所以只能满足低速运动且精度要求不高的
场合。
单脉冲跟踪是指在单个脉冲上通过和差信号(图2.3所示)就可以得到天线偏
离卫星的方向和角度信息。单脉冲跟踪也叫零值跟踪，当天线对准卫星时，和信号
信标强度最大，差信号信标强度为零，此处斜率也最大，所以灵敏度很高。当天线
跟踪时，信标接收机接收“和差信号”，根据“差信号”可以判断偏差方向，驱动
电机往减小偏差的方向转动，直到差信号为零。单脉冲跟踪方式对导航设备要求低，
只要天线指向进入主瓣，伺服控制单元通过得到的和差信号解算天线指向的偏差，
控制天线对卫星跟踪。单脉冲跟踪比较前两种跟踪方式在跟踪精度上有很大的提高，
但是设备比较复杂，成本较高.

1万 · 2019-9-26 15:58

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天线的初始指向角通过对GPS和惯导系统测量的载体信息进行解算得到，用于
完成天线粗对准，使天线指向在波束范围以内。单脉冲跟踪为卫星信号闭环跟踪，
对单脉冲“和差信号”的进行数据处理后，得到指向偏差角完成天线的精对准。船
舶运动时，船舶的姿态变化会影响天线对卫星的指向，从而影响船舶与卫星之间的
通信质量，所以同时采用前馈补偿算法隔离船舶扰动。由于光电编码器信息是参考
载体坐标系，惯导系统测量信息参考地理坐标系，而系统的控制需要在同一个坐标
系下进行，因此将惯导测量数据转换到载体坐标系后再发送给控制器。有关坐标系
的定义和坐标系转换矩阵的求解在第五章中会有详细介绍，此处不作具体分析。

1万 · 2019-9-26 15:59

1万 · 2019-9-26 15:59

主控系统是整个伺服系统的核心，主要功能是采集其它各个子部分信息，经过
数据处理后，发送执行指令到各子系统部分;驱动部分主要功能是接收主控系统指
令，控制天线转台单元的转动。传姿态测量模块的作用是惯性导航系统和GPS等装
置完成对船舶位置和姿态信息的测量，并传递给主控系统。反馈元件测量天线位置
信息发送到主控系统，主控系统根据天线位置与指令位置的误差信号驱动电机工作。
卫星信号接收机接收卫星信号，用来检测天线是否对准卫星，如果没有则进行精确
对准。