（控制科学与工程专业论文）机载天线稳定跟踪系统的设计与实现.pdf

硕士论文 y 6 2 1 1 0 3 帆载天线稳定跟踪系统的数计与实现 摘要 稳定跟踪系统以其广泛的应用前景成为目前研究的一大热点 本文以机载天线 稳定跟踪系统的研制为背景 围绕机载天线姿态测控问题 探讨了天线跟踪系统的 设计方案 提出了基于g p s 电子罗盘和水平仪传感器的稳定跟踪系统实施方案 并自行研制出基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 双微处理器的天线跟踪系统控制器 该控制器具有 体积小 重量轻 集成度高 宽温工作等特点 本文研究的主要内容包括 天线稳 定方案研究 器件选型 姿态传感器性能测试 控制器硬件设计 嵌入式软件设计 系统调试及车载模拟实验等 系统通过了低温和冲击振动环境实验以及功能测试 达到了性能指标要求 关键字 机载天线 稳定跟踪系统 g p s 电子罗盘 水平仪 双微处理器 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 a b s t r a c t s t a b i l i z a t i o na n d t r a c k i n gs y s t e m h a sb e c o m ea h o t s p o t b e c a u s eo fi t sb r o a d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d w i t ht h ea i mo fd e v e l o p i n ga n t e n n as t a b i l i z a t i o na n dt r a c k i n g s y s t e m w h i c hc a r r i e s b yp l a n e t h i s a r t i c l e sr e s e a r c h m a j o r i nt h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ea i r b o r n ea n t e n n as t a b i l i z a t i o na n d t r a c k i n gs y s t e m w h i c hb a s e so n t h eg l o b a lp o s i t i o n s y s t e m e l e c t r o n i cc o m p a s s a n dt i l ts e n s o r c o m p o n e n t t h e i m p l e m e n t a t i o no f t h ec o n t r o l l e rb a s e so nt im s p 4 3 0 f 1 4 9 d u a lm i c r o p r o c e s s o r s a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o l l e rh a ss m a l lc u b a g e l i g h tw e i g h t h i g hi n t e g r a t i o na n db r o a d o p e r a t i o nt e m p e r a t u r e k e y w o r d s a i r b o r n ea n t e n n a s t a b i l i z a t i o na n dt r a c k i n gs y s t e m a i r b o r n ea n t e n n a g p s e l e c t r o n i cc o m p a s s t i l ts e n s or d u a lm i c r o p r o c e s s o r 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 1 引言 1 1 问题提出 现代战争要求部队能在广阔的作战区域内快速机动 迅速投入战斗 给敌人以 致命的打击 坦克 装甲战车等地面作战平台不仅应具有高度的机动能力 还应具 备运动间稳定 瞄准 跟踪 射击能力和对我军 友军 敌军位置的即时感知能力 这些现代的作战样式要求作战平台具有稳定跟踪和导航能力 即能不断测量载体姿 态和位置的变化 准确确定当前的位置 精确保持动态姿态基准 稳定跟踪系统由 于能隔离载体 战车 导弹 飞机 舰船 的运动 对目标进行自动跟踪 所以在 现代武器系统中得到了广泛的应用 如在地面战车上稳定跟踪系统可用子安装昼视 夜视 测距功能三合一的观瞄设备 获取稳定的视场使观察者能清楚地观察战场情 况 在巡航导弹上 稳定跟踪系统可用于安装目标图像探测装置以获取稳定的目标 图像 为大视场目标捕获和小视场目标识别与跟踪提供测量和计算基准 在机载目 标指示器和海底声纳探测等深海作业场合稳定跟踪系也得到了广泛的应用 民用方面 随着现代电视转播 卫星电视接收 车船用移动卫星通讯以及公安 消防 抢险救灾 石油 地质 野外作业等多种行业的发展 迫切需要一种性价比 高的移动卫星通讯系统 这种移动卫星通讯系统的关键技术同样在于天线平台的稳 定和跟踪能力 能否很好地隔离载体 汽车 火车 轮船 的运动 高低速 紧急 启动 停止 转弯等 对天线平台的姿态影响 并在各种气象 环境条件下保证天 线始终高精度的对准卫星 实现连续卫星通讯 是此系统成败的关键 目前通讯技 术发展迅猛 市场增长速度惊人 随着应用卫星技术和卫星应用技术的飞速发展 越来越多的信息都通过卫星来进行传输 如广播电视 气象云图 通讯等 作为移 动通讯与广播领域的一个重要组成部分 民用地面移动卫星接收站 卫星天线稳 定跟踪系统具有巨大的市场前景 1 2 研究现状及研究意义 对于稳定跟踪系统的研究 国外不仅在理论上己取得了丰硕的研究成果 在工 程应用上 也取得了许多成果 在美 英等国的先进武器系统中 基于微惯性传感 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 器的稳定与跟踪系统得到了 泛的应用 如美国的m 1 坦克 英国 挑战者 坦克 法国 勒克莱尔 坦克 德国 豹i i 坦克 俄罗斯t 8 2 坦克 英国 标枪 导弹 海上发射平台和 海枭 船用红外跟踪稳定平台等 都采用了不同类型的稳定与跟 踪系统 美国海军采用b e i 电子公司生产的q r s 1 0 型石英音叉陀螺 研制出w s c 一6 型卫星通讯系统的舰载天线稳定系统 工作1 2 万小时尚未出现故障 h o n e y w e l l 公 司以红外传感器平台稳定为应用背景 研制了以g g l 3 2 0 环形激光陀螺为基础的惯 性姿态控制装置 由惯性传感器组件 惯性传感器电子系统 处理机 处理机接口 组成 很好的满足了稳定跟踪系统的要求 美军配装的h o n e y w e l l 公司研制的自行 榴弹炮组件式方位位置系统 m a p s 6 0 0 0 由h 一7 2 6 动态基准装置 控制 显示装 置 车辆运动传感器组成 是一种采用激光陀螺技术的捷联式惯性系统 在工作时 可连续提供高精度的方位基准 高程 纵摇 横摇 角速率 经度和纬度输出 性 能大大高于美军m a p s 系统规范的要求 国内在稳定跟踪平台技术的研究方面与国外相比有较大差距 由于姿态敏感元 件的技术难度大 成本较高 涉及的技术领域众多 技术实现难度很大 致使该项 技术的研究比国外落后很多 国内对高性价比的稳定跟踪系统有很广阔的应用领域 因此对这方面的研究将是一个热点之一 稳定跟踪系统技术集惯性导航技术 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和仿真技术 开放式 运动控制技术 大扭矩电机闭环伺服控制技术 卫星通讯技术和系统工程技术等多 项技术于一身 是以机电一体化 自动控制技术为主体 多个学科有机结合的产物 具有很大的应用前景和实践意义 1 3 工程背景 电子战是现代战争的必然阶段 而机载电子战设备的运用是现代电子战的特点 之一 电子干扰是有意识地发射 转发或反射特定性能的电磁波 以扰乱 欺骗和 压制敌方军事电子信息系统和武器制导控制系统 使其不能正常工作 二战末期 已有机载电子干扰机的出现和使用 可见 机载电子干扰具有极其重要的军事意义 本课题来源于南京理工大学与某研究所合作开发的 机载雷达干扰器 中的 机 载天线稳定跟踪系统 为了达到预期的模拟效果 机载雷达干扰器要产生大功率的 射频 为了满足设计要求 将微波分成不同的定向频段 同时增加天线的跟踪定位 要求 在飞行体运动期间必须保证微波天线始终对准目标 并且具有较高的跟踪精 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 度 需要通过各种传感器的信息融合和对相关算法的深入研究 即时感知载体的姿 态 位置和速度信息 完成载体姿态 方位的确定及坐标变换 为后续的运动控制 模块提供有关伺服控制的指令 通过本课题的研究 将能够较全面掌握机载天线稳定跟踪系统的实际设计方 法 为未来研究开发满足不同移动载体下的稳定跟踪系统打下扎实的基础 1 4 本文安排 本文以机载天线稳定跟踪系统的研制为背景 主要研究基于g p s 电子罗盘和 水平仪传感器的机载天线稳定跟踪系统的设计 课题研究的主要内容包括 天线稳 定方案研究 器件选型 控制器硬件设计 控制软件设计 系统调试及车载模拟试 验等 本论文各章节说明如下 第一章介绍本操题研究的意义 发展现状和发展前景 并介绍了课题的工程背 景 概括了本文研究的主要内容 第二章讨论天线稳定方案的选择 天线稳定方案是接个系统研制的基础 而且 从根本上决定了整个系统的性能 本文综合现有的各种天线稳定方案及本系统的设 计要求 提出了一种高性价比的基于g p s 电子罗盘和水平仪传感器的天线稳定方 案 并介绍了在该方案下的系统结构和具体的设计性能要求 本章还讨论了天线角 度坐标变换 这是天线稳定系统的数学理论基础 第三章介绍了天线稳定跟踪系统的硬件设计 包括系统的设计难点 器件选型 传感器选型 驱动模块 电源模块及电路板的设计 并对几个主要的模块进行了详 细的说明 第四章讨论天线稳定跟踪系统的软件设计 讨论了嵌入式系统软件编程的几个 问题及解决方案 然后讨论了系统的软件总体结构和i a r 软件设计步骤 并对几个 主要的数据结构进行了说明 系统的控制算法采用了数字p i d 控制算法 第五章介绍了天线跟踪系统的调试情况和实验结果 主要包括低温环境实验和 冲击振动实验 车载模拟功能实验及科技查新结果 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 2 天线稳定方案及系统结构 对于机载天线稳定跟踪系统来说 其核心是解决如何在载体运动颠簸的情况 下 保持天线指向不变的问题 也就是如何实现波束的稳定问题 因此 天线稳定 方案的研究是本论文研究的首要内容 2 1 天线座的结构选择呻 天线座的结构是多种多样的 按转轴的数目可分为单轴 两轴 三轴 四轴和 固定不动的 单轴天线座主要用于搜索 引导雷达 两轴天线座主要用于波束窄的 圆抛物面天线 如跟踪雷达 卫星通讯地面站和射电望远镜 这些天线必须要有两 轴才能覆盖整个空域 地面天线座一般都是单轴和两轴的 舰载或机载天线为补偿 舰艇纵 横摇摆或飞机升降 翻滚的影响 有的采用三轴或四轴的天线座 微波接 力通讯天线用于定向传输采用固定不动的天线座 在各种天线座中 应用最广的是两轴天线座 两轴天线座按座架的结构形式又 可分为方位一俯仰型 x y 型 极轴型等多种形式 1 方位一俯仰型天线座 该型天线座以地平面为基准 也称地平式或经纬仪式天线座 下轴与地面垂直 称为方位轴 上轴与方位轴垂直 称为俯仰轴 这种形式的天线座结构紧凑 承载 能力大 调整测量方便 是两轴天线座中应用最广的座架形式 雷达及与其配合的 指挥仪 高炮 火箭炮 导弹发射架等都采用方位一俯仰型天线座 该型天线座又 可细分为立轴式 转台式和轮轨式 2 x y 型天线座 为了跟踪过项目标 可以采用x y 型天线座 x 轴水平配置 y 轴与x 轴垂直 随x 轴转动 电轴与y 轴垂直相当于把方位一俯仰型天线座的方位轴转到水平位置 3 极轴型天线座 极轴型天线座以赤道面为基准 也称赤道式座架 下轴与地球自转轴线平行 称为极轴或赤经轴 上轴与极轴垂直 称为赤纬轴 这种座架在天文望远镜中使用 较广 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设讨与实现 图2 1 机载天线和天线座实物图 本系统的天线座采用转台式方位一俯仰型结构 用方位轴支撑天线的方位转动 部分 用俯仰轴支撑天线的俯仰转动部分 中小型天线也多采用这种形式 该种座 架形式结构简单 设计 制造和维修都比较方便 径向尺寸比较紧凑 缺点是方位 轴轴向尺寸比较大 重心较高 同轴安装角位置传感器 如旋转变压器 比较困难 图2 1 是本系统所使用的天线座实物图 2 2 天线稳定方案选择 2 2 1 稳定平台的分类 9 天线稳定平台从工作原理 t 大致可分为两大类 无源平台和有源平台 无源平 台是利用熏力摆原理直接隔离载体的运动 稳定天线 无源平台结构简单 价格较 低廉 但是响应速度慢 存在明显的滞后 跟踪效果差 而有源平台是利用惯性器 件敏感载体的运动 通过伺服控制 隔离载体的运动 稳定天线 有源平台稳定精 硕士论文 机载灭线稳定跟踪系统的设计与实现 度高 响应速度快 能较好的跟踪快速运动的载体 天线稳定平台从工作方式上分为机械稳定和数学稳定两种 机械稳定是在机械 上增加一套能够补偿载体纵摇 横摇和航向变化的稳定平台 实现天线波束的稳定 数学稳定不需要稳定平台 而是在天线控制系统中采用各种稳定技术 修正或补偿 载体姿态变化的影响 从而实现天线波束或瞄准线的稳定 数学稳定平台又称电气 稳定平台 机械稳定方案属于传统的平台式惯导系统 它使用具有常平架的稳定平台 上 装陀螺仪和加速度计 平台式惯性导航系统虽然己达到很高的水平 但其造价高 维修费用昂贵 可靠性也相对较差 捷联式惯导系统用 数学解析平台 代替稳定 的 常平架 平台 便于安装 维修和更换 2 2 2 数学稳定组合方案 8 口 1 电子罗盘 g p s 组合控制方案 此方案通过接收g p s 信号测得载体的位置信息 通过电子罗盘直接敏感载体的 航向角 俯仰角和横滚角等姿态信息 通过计算机的坐标变换得出天线平台的即时 俯仰和方位角 通过天线伺服系统保持天线平台的稳定 此方案的缺点在于电子罗盘的响应频率比较低且易受到铁磁性物体干扰 精度 较低 故用于姿态变化比较缓慢的场合 2 3 d u g p s 组合方案 i m u g p s 组合式 这是当前流行的捷联惯导技术与全球定位系统相融合的导航 方案 通过g p s 接收机接收载体的位置信息 通过三个垂直安装的速率陀螺组合经 过捷联惯导姿态解算软件跟踪天线平台的姿态变化 使用其它姿态传感器进行初始 对准 此方案中陀螺的动静态性能和误差补偿方式将是影响精度的主要原因 可用 于中等精度要求的场合 3 全自主捷联惯导方案 此方案使用高精度陀螺组合 动力调谐陀螺 激光陀螺或光纤陀螺 和加速度 计作为姿态敏感元件 使用计算机的数学解析平台完全代替常平架稳定平台 通过 姿态解算软件得出载体姿态 方位信 曩不需要g p s 信号的辅助 进行完全自主的 惯性导航 可见 除 电子罗盘 g p s 组合控制方案 可利用姿态和航向传感器直接提供载 体姿态信 g t j t i m u g p s 组合方案 和 全自主捷联惯导方案 均需要根据惯性 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 传感器组合提供的信号经过姿态解算之后提供载体的数学姿态平台 传感器的性能 价格和姿态解算软件的精度将对稳定的精度产生重大影响 相对的说来 i m u g p s 组合方案 和 全自主捷联惯导方案 的造价较高 而且技术实现难度较大 通过以上几种天线稳定方案的比较 考虑到该系统对跟踪精度的要求及系统对 体积重量的要求 性价比 技术难度等综合因素 最终选定 电子罗盘 g p s 组合控 制方案 作为本天线稳定系统的基本稳定方案 2 3 机载天线稳定跟踪系统组成 机载天线稳定跟踪系统由姿态传感器组合 主控软件单元 伺服控制器单元 精密伺服机构和主控软件单元等组成 其各个部分完成的组要功能如下 1 姿态传感器 用于载体姿态 位置信息的获取 包括电子罗盘 水平仪和 g p s 接收机 2 机械机构 用于实现天线的方位 俯仰动作的天线及天线转台等机械机构 3 伺服控制单元 由运动控制板 电机及驱动摸块 包括直流力矩电机和p w m 驱动器 轴角编码器和旋转变压器系统构成的闭环运动控制单元 4 主控软件单元 用于实现g p s 地理位置读取 数学平台变换 实现载体姿态 位置数据到平台方位 俯仰数据的变换 俯仰方位伺服参数调整 并将上述参数传 到伺服控制单元 图2 2 跟踪系统总体框圈 天线稳定系统的工作过程为 开启电源 计算机启动完毕后进入系统 首先捡 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 查相关元件的工作状态 如一切正常则先从上位机读取地面目标的位置信息 再分 别读出电子罗盘 姿态传感器和g p s 提供的信号并提取有用机体信息后 由姿态解 算模块解算出天线的指令角 通过p w m 驱动器驱动电机指向该角度 图2 2 为跟 踪系统的总体框图 2 4 稳定系统的性能要求 机载天线稳定跟踪系统技术性能指标 天线转动范围 方位 2 5 0 2 5 俯仰 一5 0 0 0 系统精度 1 5 跟踪速度 2 5 0 s e e 跟踪加速度 2 5 0 s e c 2 工作温度 一4 0 0 5 0 0 单电源供电 2 8 v 体积要求 1 6 c m x l 6 c m 4 c m 调整方式 伺服系统进行自动跟踪 可靠性 平均无故障运行时间m t b f 6 0 0 0 h 维修性 平均修复时间m t t r i h 环境适应性 表2 1 规定了机载天线稳定跟踪系统满足其环境适应性能 力所需的环境参数 表2 1机载天线跟踪系统环境适应性 序号项目吊舱设备环境条件 常温低气压2 6 4 k p a 1 0 0 0 0 m 2 5 l温度 高度低温低气压2 64 k p a 1 0 0 0 0 m 一4 0 2 高温低气压2 6 4 k p a 1 0 0 0 0 m 6 0 c 2温度冲击十7 0 改成 6 0 5 5 3冲击15 9 4 湿度 r h 9 5 r h 9 5 可见 机载天线稳定跟踪系统的性能指标要求是极其严格的 在设计过程中要 充分考虑系统的各项指标要求 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 2 5 天线角度坐标变换 1 1 根据天线稳定系统的工作流程可知 需要把天线的方位角和俯仰角在地理坐标 系和载体坐标系之间进行坐标换算 本节讨论在这两个直角坐标系内进行坐标变换 的方法 2 5 1 稳定平台的坐标系选择口1 1 啼 首先需要建立某种参考坐标系 以便在这种参考框架内确定b 行器的位置及速 度 在地球表面附近运动的载体 不论是飞机 舰船 还是车辆 要知道它们相对 地球的地理位置和相对于地理坐标系的航向及姿态角 必须在物体上获得一个地理 坐标系或一个惯性坐标系 陀螺仪最重要的功用之一就是用来在运动载体上模拟地 理坐标系或惯性坐标系 考虑坐标转换时的简便性 采用直角坐标系 常用的坐标系有地球围连坐标系和天体坐标系 其中 地球固连坐标系是以地 球质点为原点 与地球固连 随地球转动的非惯性坐标系 为了方便讨论 下面先 定义几个常用坐标系 1 地心惯性坐标系0 x y z 坐标系的原点设在地球中心 z 轴沿地球自转轴 x 轴指向春分点 x 轴 y 轴在地球赤道平面内和z 轴组成右手坐标系 当运动体在地球附近运动时 多采用 此坐标系为惯性坐标系 简称i 系 可以认为该坐标系与时间无关 是相对惯性空 间无任何运动的一个理想坐标系 该坐标系也称地球固定坐标系 导航中常用它作 为参考坐标系 2 地理坐标系o x y z 地理直角坐标系o x y z 的原点0 选在载体重心处 o z 轴与通过0 点的重垂线 相重合 即o z 轴垂直于该点的大地水平面 向上为正 x o y 平面与原点的大地水 平面相重合 o x 指向正东 0 y 指向正北 通常称为东北天坐标系 见图2 3 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 图2 3 地理坐标系不意图 也可以定义为北东地 x 轴指向北 y 轴指东 z 轴指地 地理坐标系简称g 系 这是最重要的坐标系之一 3 地球坐标系o x y z 该坐标系与地球固连 坐标原点在地心 0 z 轴指向北极 x 0 y 在地球赤道平 面内 0 x 轴指向零子午线 0 y 轴指向东经9 0 方向 该坐标系相对地心惯性坐标 系以地球自转角速度旋转 其值为 q 1 5 0 4 1 l 运动物体在该坐标系内的定位多采用经度 纬度中和距地心距离r 来表示 4 载体坐标系0 x y z 机体在飞行中由于受各种因索的影响 经常出现偏航或纵摇 横滚 为了确定 载体相对于当地地理坐标系的角位置 通常称为首向及水平姿态 需建立与载体固 连的坐标系 机体坐标系简称b 系 机体坐标系图2 4 所示 图2 4 机体坐标系示意图 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 载体坐标系0 x y z 的原点是载体重心0 纵轴0 x 由载体尾部指向首部 横轴 o y 一指向载体右侧 0 z 垂直于载体平面向f 0 x y z 坐标系构成右手直角坐标系 当 载体没有纵摇和横滚运动时 x o y 平面即为水平面 o z 轴沿铅垂线指向地面 对于机体坐标系 o x 又称横滚轴 r o l la x i s o y 又称俯仰轴 p i t c ha x i s 0 z 又称航向轴 y a w a x i s 如图2 5 所示 图2 5r o l l p i t c h y a w 轴不意图 由前面内容可知 天线稳定系统采用方位一俯仰式天线座 根据惯例规定天线 方位角以正北基准线为零点 顺时针为正 逆时针为负 天线俯仰角以水平线为零 点 向上为正 向下为负 对于机载天线稳定跟踪系统 使用地理坐标系 北东地坐标系 和机体坐标系 这样处理起来相对简单 注意这里将地理坐标系看作一个惯性坐标系 2 5 2 数学稳定平台和姿态矩阵 1 这里使用 m 来表示从一个坐标系到另一个坐标系下的坐标变换矩阵 例如 九f f l l 用l 表示地心惯性坐标系 e a r t h c e n t e r e di n e r t i a l e c t 到东北天地理坐标系 r f t i y e a r t h f i x e de a s t n o r t h u p e n u 的坐标变换矩阵 用 i n i 表示机体坐标系 v e h i c l e b o d y f i x e dr o l l p i t c h y a w r p y 到北东地地理坐标系 e a r t h f i x e d n o r t h e a s t d o w n 1 1 b n e d 的坐标变换矩阵 简记为 7 s 下面主要讨论 z 过渡矩阵 由地理坐标系 g 系 变换到机体坐标系 b 系 要经过三次旋转变换 其过程如 图2 6 地理坐标系绕负z 轴旋转 旋转过程遵循右手法则 拇指与旋转轴指向相同 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的 搜计与实现 四指环绕方向即为旋转方向 下嗣 l l 角 是为航向角 h e a d i n g 再绕x 旋转0 角 是为横滚角 r 0 1 1 最后绕k 旋转 角 是为俯仰角 p i t c h 图2 6 坐标旋转示意图 参看文献 1 可以得到机体坐标系到地理坐标系间的过渡矩阵为 l c o s 7 c o s v s i n s i n o s i n q 一c o s 7 s i n 矿 s i n ys i n o c o s v s i n y c o s o i c i c o s o s i n v c o s o c o s i u s i n 0 l is i n y c o s v c o s ys i n o s i n y s i n y s i n y c o s y s i n o c o s vc o s y c o s 0l 2 5 3 天线角度的坐标变换 2 整套机载天线稳定跟踪系统安装于飞行器吊舱上 为使天线对准地面目标 微 处理器需经内部运算 求得天线相对于载体坐标系的方位指令角及俯仰指令角 而 相对于地理坐标系的指令角求取分为两个步骤 第一步先求相对于地理坐标系的指 令角 第二步再将地理坐标系变换到机体坐标系 完成机体坐标系下的指令角求取 2 5 3 1 地理坐标g 系天线角度 地理坐标系 g 系 的原点为飞行器质点所在位置 三个坐标轴一个指向正 北n 在p 对应经度圆平面上且与经度圆相切 一个指向正东 在p 对应纬度圆平 面上且与纬度圆相切 一个指向地心0 三个坐标轴遵循右旋法则 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 1 g 系下俯仰角如的指令角求取 7 藩 图2 7 俯仰角示意图 俯仰角瓯如图2 7 所示 向下为正 其中g 为地面目标位置 0 为o p 与地 面的交点 经推导有如下关系式成立 目孟 t a i l 一 r h 产 r c 了o s a 2 2 r 4 1 一c o s 2 a 其中 0 0 8 2 0 8 口 o s c o s f l s i n a rs i n a 即向量o p 与o g 的夹角余弦 口r 为飞机位置p 点纬度 与q 点相同 口 为地面目标g 点纬度 为g 点与p 点经度差 r 为地球半径 h 为飞行高度 即p q 式 2 2 中 经纬度严格定义为 北纬为正 南纬为负 东经为正 西经为负 下同 卢为g 点与p 点经度差 记屁为g 点经度 为p 点经度 的定义为 a 若屁屏 0 即g p 同处于东半球或西半球 则 展 一 b 若屁屏 a 6 贝0 口j z 彰z s i g n o a z 1 8 0 c 式 2 3 中 若经计算 分子式不为零而分母式为零 则目j 9 0 若分子 分母同时为零 则以 是任意的 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 2 5 3 2 机体坐标b 系天线角度 由上一节可知机体坐标系和地理坐标系之间的变换矩阵c 这样可以很方便地 求出机体坐标系下的天线角度 一个以方位角及俯仰角表示的单位向量在地理坐标系中记作 芦 l o o s e zc o s g s i n o a zc o s g s i n 一 7 则在机体坐标系中的方位角0 j z 及 俯仰角 满足关系式 隧cosoaz cosoejllhcosg co sg cosof t sin0 acos0 sino b a i s l n i c 纠 zn i 2 4 ls i n li 1 c o s 0 4 z c o s e q j s o c o s r c o s g z 们 c o s o s i n ys i n o s i n g z v 1 一s i n y c o s o s i n 8 s i n 吼zc o s c o s o c o s s i n 目a z y s i n o s i n s 试e c 0 s 8 m s i n y c o s e z v f 25 1 f 2 6 c o s o l mo o s7 s i n o s i n o a z y c o s y c o s o s i n 吼 2 7 2 5 3 3 天线角度计算步骤 经过以上的天线角度的坐标变换 可以得出机体坐标系下的天线方位 俯仰角 度的计算步骤 具体步骤如下 a 由g p s 接收机获得飞行器的经度 纬度屏 高度 月及地面目标的 经度 纬度尾 高度r 由公式 2 1 可得巩 b 由公式 2 2 可得或 d 由公式 2 7 可得口 即机体坐标系下的俯仰指令角 d 由公式 2 5 和 2 6 可求得已 即机体坐标系下的方位指令角 最后 上述计算步骤转换为c 程序 以便移植到m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器中 先 在v c 中调试 验证公式的正确性 然后在m s p 4 3 0 f 1 4 9 编译器i a r 中调试 并测 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 试其执行速度 由于m s p 4 3 0 f 1 4 9 自身带有硬件乘法器 加上i a r 对c 语言的优化 效率极高 因此不必自己优化其汇编程序也可以达到很高的执行效率 2 6 小结 本章围绕天线稳定系统的组成 介绍了系统总体控制方案 系统总体结构 各 部分完成的主要功能等内容 本章在比较几种稳定组合方案的基础上 根据实际情况 选用了的电子罗盘 g p s 组合控制方案 天线稳定系统的坐标变换是实现稳定平台的基础 因此有必要推导从导航坐标 系到机体坐标系的坐标转换 在此基础上获得机体坐标系下的天线指令角 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 3 机载天线稳定跟踪系统硬件设计 机载天线稳定跟踪系统的控制器是自行研制的 因此硬件设计是设计的核心之 一 飞行器对外挂系统的体积和重量的要求都是极其苛刻 因此在设计过程中必须 充分考虑到体积要小 重量要轻 这给设计增加了难度 另外 由于系统在飞行器 的工作环境较恶劣 对系统的抗干扰性能要求很高 需在设计中充分考虑系统的 e m c e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 电磁兼容性 3 1 设计难点及器件选型 为了在飞行条件下对空中目标进行测量 必须为测量设备提供一个具有空间稳 定性的测量平台 机载天线稳定跟踪系统放置在吊舱里 尺寸 重量均受到严格的 限制 环境条件比较恶劣 所以为确保跟踪系统的性能 系统的硬件设计必须首先 充分考虑方案的可行性 硬件设计由于系统的严格限制而带来了许多设计上的难度 主要体现在如下几 个方面 1 低温工作 由于机载设备高空作业 必须能在低温条件下正常工作 系统 要求的温度范围是一4 0 5 0 因此在选择电子器件时必须考虑军品级 工业级器件能否采购到 这对方案的设计提出了很大的挑战 2 尺寸和重量的限制 由于设备安装在吊舱里 尺寸和重量均受严格限制 因此天线 电机 平台 控制器及传感器设备的设计均要考虑尺寸和重量 同时在设计中需要增加系统的集成度 以减小体积 3 单电源供电 机载设备的供电电源只能提供 2 8 v 直流电源 这也给控制器 的设计带来了难度 必须在有限的空间里完成多种直流转换 部分直流电源 转换还必须要求较大的电流 4 e m i 问题 机载电子设备的e m i 问题必须得到一定的解决 否则影响机载 其它设备的正常工作 这是必须充分给予充分得重视 5 机载电子器件的要求 由于机载工作在高空 大气压强 环境温度 气流 等因素 不可以使用液体电解电容及相似的电子器件 而必须用固态器件 代替 采用固态钽 读t h n 电容 但是钽电容的工艺所限 产品的电容值 1 7 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 和耐压值可选性很小 采用多个钽电容并联的方案 另一方面 机载设备的可靠性 不采用可调电阻 而是用若干个电阻替代 增加了调试的难度 但是系统的可靠性却能提高 6 控制系统稳定性 考虑系统的稳定性 增加了电机的过压保护 和过流保护电路 这些电路为全硬件电路 增强了系统稳定性 为了提高 这样虽然 欠压保护 考虑以上种种因素 在拟制方案过程中重点考虑以下几个方面 系统的可行性 可靠性 先进性和高集成度 为此尽量采用成熟的 有继承性和可借鉴的技术和元 器件 采用微处理器技术对机载天线实施控制 有利于提高系统的可靠性 扩充系 统性能 在微处理器控制下 系统实现程序自动启动 简化了启动的操作过程 由 于控制系统的特殊性 采用自行研制控制器 器件全部采用军品级 或工业级 元 器件 可靠性高 通过市场调查和综合考虑 选用了如下主要器件 1 微处理器选用t i 公司的1 6 位高性能微处理器m s p 4 3 0 f 14 9 这款处理器 具有极高的性价比 采用r i s c 结构 所有指令均为单指令周期 系统时钟 为8 m h z 指令周期为1 2 5 n s 存储器采用f l a s h 结构 f l a s h 容量为6 0 k b 无需扩展r o m 即可满足绝大部分控制系统的要求 程序可以通过j t a g 在 线下载与调试 下载次数超过1 0 0 0 0 0 次 这对系统调试极其方便 r a m 大小为2 k b 可满足大多数工业任务的需求 可以运行p c o s i i 嵌入式实 时操作系统 该处理器的外围模块十分丰富 集成了8 路1 2 位a d c 2 个1 6 位定时器 8 路p w m 发生器 捕获模块 2 个u a r t s p i 异步 同步 串行通讯模块 2 个1 6 位硬件乘法器 一个硬件看门狗等 这些可咀极大 地简化系统的设计 2 电机采用p w m 直流力矩电机j 3 6 z k 0 5 一j 1 该电机为带齿轮减速空心杯电 枢直流电动机 体积小 真径3 6 m m 长度9 5 r a m 重量轻 出力大 采 用空心杯电枢 使其惯量小 电感小 换向性能好 无线电干扰小 是控 制系统中较为理想的执行元件 3 根据本系统所需的精度要求 方位 俯仰均选择高可靠性的无接触式 单 通道 1 级精度的旋转变压器 其型号为2 8 x z w 0 0 6 特性指标为 激磁 电压2 v 激磁频率2 0 0 0 h z 开路输入阻抗8 0 0 q 变压比1 零位电压2 m v 电气误差8 4 轴角编码器选用a d 公司的a d 2 s 8 0 a u d 转换精度为2 这是一个可选 1 0 位 1 2 位 1 4 位或1 6 位的轴角一数字转换器 其信号输入的典型电平 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统构设计与实现 为2 v 电源供电为 1 2 v 和5 v 5 电子罗盘选用k v h 公司的c 1 0 0 c 1 0 0 电子罗盘具有体积小 价格低 性 能稳定可靠等特点 它采用磁通门技术 航向精度可达到0 5 工作温 度达一4 0 8 5 m i 坦克上也使用了c 1 0 0 电子罗盘 6 姿态传感器选用c r o s s b o w 公司的c x7 n l r l l 0 2 e c c x t i l 1 1 0 2 e c 是 一个袖珍 型的水平仪 精度 0 1 角度范围 7 5 7 g p s 接收机选用f v 1 7 f v 1 7 是目前市场上体积最小 功耗最低的g p s o e m 接收机 8 p w m 驱动器采用m s k 公司的m s k 4 2 0 1 b 5 a 2 8 vm o s f e th 桥驱动器 内部死区短路保护 输出使能控制 符合m i l i i 3 8 5 3 4 军用标准 9 直流电源转换模块采用开关电源芯片来完成 这里为了满足多种电源之间 的转换 并且要求一定的电流 这里选用l i n e a r 公司的l t l 0 7 4 h v i t 芯片 它可以通过外围的几个电阻配置而获得不同的电压输出 转换效率很高 当输出为5 v 时 输出电流可以达5 a 由于本系统采用成熟 有继承性的技术和元器件 不失其先进性和通用性 随 着技术的发展和国际交流 适用于机载的交流伺服系统的出现必然使机载稳定跟踪 系统更加简化 3 2 硬件总体设计 机载天线稳定跟踪系统由方位伺服系统和俯仰伺服系统组成 两分系统的结构 基本相同 相互独立 伺服系统实际上是调速系统 位置反馈环为调速系统的反馈 环 通过旋转变压器敏感角位移 并产生修正力矩信号 保证机载天线平台的稳定 性 为天线跟踪系统提供机械特性硬 动态品质好的调速系统 机体的姿态信息由 电子罗盘 水平仪获取 机体的位置信息由g p s 接收机给出 整个控制器的系统结 构框图如图2 2 所示 控制器的工作流程为上位机发送控制命令 给出地面目标的地理位置信息 跟 踪系统接收到指令后根据飞行器的位置信息和姿态信息计算出天线的方位角和俯仰 角 并按一定的控制算法控制电机定位到相应的角度 完成跟踪任务 本系统采用直流伺服电动机和电机功放模块作为执行元件 采用无接触式旋转 变压器作为测角元件 复杂的控制算法及繁重的通讯任务则使用两个高性能微控制 器来执行 通过g p s 姿态传感器 航向仪的传感器信息确定飞行器的各种姿态 俯 1 9 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 仰角 横滚角和航向角 图3 i机载天线稳定跟踪系统硬件结构框图 2 0 硕土论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 系统的主要设计思想为 测角传感器 旋转变压器 将天线当前的角度信息 经轴角编码器转换为数字量后送至控制处理器 这样控制处理器获得了天线的方位 俯仰实际角度 同时 控制处理器根据从g p s 接收机 姿态传感器 航向仪得到的 飞行器姿态信息以及给定的地面目标位置信息来计算天线的指令角 实际角度与指 令角之间若有误差 则控制处理器便以一定的控制算法计算得到控制量 从而输出 相应的p w m 控制信号 由功率驱动器驱动直流电机 使电机产生位移 直到误差 角满足所需的精度 最终使实际角度等于或接近于指令角 这样 便构成一个闭环 的控制系统 从而达到目标跟踪的目的 系统分为如下几个模块 测角传感器模块 姿态传感器模块 控制微处理器模 块 电机驱动模块 通讯模块 直流电源模块 存储器模块 详细的控制器硬件结 构框图如图3 1 所示 需要特别指出的是 在微处理器模块中 使用了双微处理器结构 使用了两个 m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为微处理器 一个微处理器作为伺服系统的控制器 称为控制微处 理器 另一个作为机体姿态信息和位置信息的采集 并计算天线的指令角 称为姿 态微处理器 如图3 1 之所以这样设计是因为通讯任务 也就是获取g p s 接收机 电子罗盘 水平仪的姿态信息 十分繁杂 并且计算天线指令角的浮点运算量也很 大 如果将这些任务在同一个微处理器中完成将使软件设计变得非常复杂 软件模 块之间的耦合度过大 软件设计难以实现 并使控制周期变长 增加控制算法的复 杂度 这些都是不利于系统模块化设计思想的 因此采用了如上的双微处理器的设 计模式 3 3 传感器选择 随着现代测量 控制和自动化技术的发展 传感器技术的应用越来越普遍 天 线稳定系统作为一个典型的机电一体化产品 有关传感器及其检钡4 系统不仅是一个 是其必不可少的组成部分 也是系统实现机与电有机结合的一个重要纽带 在系统 运行过程中 需要运动过程中天线的姿态变化信号 静止间载体的姿态和位置信号 力矩电机的位置反馈信号等 针对这些要求 使用水平仪 电子罗盘 旋转变压器 和灵巧型g p s 接收机 本章从实际使用出发 详细介绍这些传感器的原理 性能以 及在本系统中的使用方法 硕士论文机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 3 3 1全球定位系统及g p s 接收机 全球定位系统g p s g io b a lp o s i t i o ns y s t e m 是一种基于卫星的无线电导航 系统 是美国国防部于1 9 7 3 年1 1 月授权丌始研制的海陆空三军共用的新一代卫星 导航系统 g p s 可为各类用户连续地提供动态的三维位置 三维速度和时间信息 实现全球 全天候的连续实时导航 定位和授时 g p s 系统由空间部分 地面监控部分和用户接收机三大部分组成 目前 空间 部分的全部2 4 颗卫星已发射完毕 如图3 2 根据g p s 的设计要求 它提供两种服 务 一种为精密定位服务 p p s 使用p 码 定位精度为1 0 米左右 只供美国及其 盟国的军事部门和特许的民用部门使用 另一种为标准定位服务 s p s 使用c a 码 定位精度为2 0 4 0 米左右 美国政府出于自身考虑 采取了一个所谓 选择可 用性 s e l e c t i v ea v a i l a b i li t y 简称s a 政策 人为地将c a 码的定位精度降 至1 0 0 米左右 现在 c a 码接收机已大批量生产并投放市场 广泛应用于飞机导 航 船舶定位 地质勘探等工作 但在精密动态应用却受到了极大的限制 为了打 破这种限制 削弱s a 及其误差的影响 提高定位精度 差分g p s 技术应运而生 并 且飞速发展 为了进一步提高精度 研究人员提出了载波相位差分技术 采用载波 相位差分技术可使定位精度达到厘米级 载波相位相对定位技术在大地测量等静态 领域已有许多应用 图3 2g p s 卫星轨道 g p s 基本定位原理是 卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息 用户接 受到这些信息后 经过计算求出接收机的三维位置 三维方向以及运动速度和时间 信息 在地球上的任何位置 任何时刻只要能同时观测到4 颗以上的卫星 就可以 得到三维定位 导航和时间信息 图3 3 为g p s 接收机的工作原理 g p s 导航接收机是一种相干接收机 与普通接收机相比较它还具备码的捕获 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 码的锁定 电文解调和位嚣计算等功能 其中的计算功能是由接收机内的微处理器 和部分存贮器 包括软件 来实现的 码的捕获 锁定和解调则由相应的部件实现 在具有噪声干扰的情况f 综合考虑测距精度 信号带宽 所需功率及不同卫星识 别等问题 全球定位系统采用了伪随机码测距技术 图3 3g p s 接收机的工作原理 图3 4f v 一1 7g p s 接收材l 本系统中的机体使用由g p s 来定位的 选用了f v l7 嵌入式g p s 接收机 该接 收机是目前市场上体积最小 4 4 m m 2 6 m m 7 r a m 重量轻 1 5 9 功耗较低的g p so e m 接收机 天线连接接口可直接引到外部机壳 而不必再加装转接线缆 天线使用袖 珍型删c x 接头 特别适合嵌入式应用 实物图如图3 4 所示 以下是它的性能指标 结构 1 2 通道输入接收机 一 1 一 硕士论文 机载天线稳定跟踪系统的设计与实现 接收机频率 l i 1 5 7 5 4 2 m i i z 高度 1 8 0 0 0 米 最大加速度 4 9 m s 2 持续跟踪 首次定位时间 冷启动 1 0 5 秒 兼容性 全双工串行t t l 端口 格式 n m e a 一0 1 8 3 版本2 3 3 3 2电子罗盘 输入电压 3 3 v d c 5 v d c 5 最大速度 5 1 5 米 秒 定位精度 1 5 米c e p 重捕获时问 j 秒 数据速率 4 8 0 0 k b p s 虽然c p s 在导航 定位 测速 定向测量等方面有着极其 泛的应用 但由于 其信号常被高楼 高山 峡谷 树冠等物体所遮挡 其信号可用性仅为6 0 加之 美国出于自身利益上的考虑 从不承诺不实施s a 干扰和区域关闭 这更给g p s 用户 带来很大疑惑和担心 因此 将g p s 与电子罗盘相结合 二者相互补充 组合使用 是导航领域的理想选择 在美国 虽然其完全独立掌握g p s 的卫星资源 但为了使 系统更加可靠 使导航信息1 0 0 有效 m 1 坦克及其它一些重要装备上仍加装了电子 罗盘装置 图3 5c 1 0 0 电子罗盘 根据天线稳定系统的工作要求 本系统采用美国k v h