船载动中通天线伺服系统的实现.pdf

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1、第45卷船海工程Vo1．452016年12月SHIP&OCEANENGINEERINGDec．20l6DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2016．S1．061船载动中通天线伺服系统的实现孙卓越。陶晓明(清华大学电子系，北京100010)摘要：针对传统船载动中通天线的伺服系统设计问题，提出一种以单片机和DSP芯片为控制核心，配合闭环模糊PID算法，利用无刷直流电机输出，捷联惯导测量反馈的伺服系统实现方式。并使用了Matlab进行了仿真校验，结果表明，本设计能满足快速动态响应和高精度控制的设计需求。关键词：船载动中通；伺服系统；模糊PID中图

2、分类号：U665．22文献标志码：A文章编号：1671-7953(2016)S1-0257-05随着国家海洋发展战略的不断实施深入，海统的输出首选。配合适于船体运动的闭环模糊上通信的要求变得越来越旺盛和急迫。然而随着PID控制方式，使得系统具有较好的鲁棒性和可船只远离海岸。即便是通信距离较远的长波、超靠性。长波通信，也因其极低的数据速率而不能满足用l船载动中通天线系统设计户的需求。所以通信覆盖范围大，数据传输速率高的卫星通信方式是海上通信的最佳解决方案。船载动中通天线系统一般由舱室盈内的天线控圃即时的、高可靠性的高速数据链路通信需求制器和甲板上的船载动中通天线两

3、部分组成。文已经取代了过去仅仅通过海事卫星天线即可满足中只讨论室外天线的部分。的低速数据通信需求，成为海上的主流通信需求。船载动中通天线系统见图1。船载动中通天线可以工作在C、Ku、Ka等卫星通d-信频段，给用户提供了各种带宽的数据传输速率、大小迥异的天线尺寸和不同的雨衰对抗方法，是’光电编码器———一盘措Illl0当今海上通信应用的首选。l——‘’一，机架船载动中通天线大多使用地球同步卫星进行控制-◆—单元通信，一般来说，三颗地球同步卫星即可覆盖除两四轴PCU天线机架极外的地球所有区域。天线的安装载体为各种各样的舰艇船只，在载体的运动状态下，天线需要实～圆圆圆

4、圈监现持续的跟踪目标通信卫星，从而不断的传输语音、视频、图像和数据等多媒体信息。船只的运动图1船载动中通天线系统除了正常的航行方向改变之外，还会受到海浪的船载动中通天线系统的核心是天线机架控制冲击而产生横摇和纵摇，所以船载动中通天线需单元(PedestalControlUnit，PCU)，它从GPS模块要从三个轴向(方位、俯仰、横滚)上补偿因船体获得天线的地理位置信息，从而计算出在地球坐运动变化而使得天线指向产生改变的偏差量。直标系中跟踪上目标卫星所需的理论方位角、俯仰流无刷电机响应速度快，调速性能好而且还具有角和极化角。罗经仪能提供船在地球坐标系中的稳定、便于

5、维护的优点，是动中通天线伺服驱动系航向角度，而方位校准传感器则能提供航向与天线指向的相对夹角，其与理论方位角的差值即为天线在地球坐标系中能跟上目标卫星的所需的转收稿日期：2016—04—06移方位角度。同理，水平倾斜仪能提供天线机架修回日期：2016—07—25第一作者简介：孙卓越(1985一)，男，硕士生在两个水平轴向(俯仰、横滚)上的倾斜角度，其研究方向：卫星通信方面研究，船载卫星电视天线开发与理论俯仰角、横滚角(理论横滚角为0。)的差值E·mail：sunzy85@sina．tom即为天线在地球坐标系中能跟上目标卫星的转移25720l216月仨孙卓越，等：

6、船载动中通天线伺服系统的实现船海工程第45卷俯仰角和横滚角。PCU计算出在天线坐标系中——目标卫星至地心的距离，R—r+卫星轨需要转动的四个角度后(极化角和转移方位、俯道高度一6371+35768=42139km。仰、横滚角)，将驱动信息给予电机驱动器，驱动在四轴天线系统中，上述所得的角度除了极四个轴向的电机以控制天线机架对准目标卫星。化角P可以直接使用，方位角A与俯仰角E并不而机架转动后，其上的角速度计、角加速度计、倾能直接使用。因为天线是安装在船体上，所以需斜仪和电位计将机架的四轴转动状态实时回馈给要将其换算成为载体坐标系中需要转动的转移角PCU，实现了闭环

7、控制。度A和E。A=2伺服系统原理及设计盯毗．1Ic—os—E[—cosRsin(A—A。)+sinRsinEjcos百(A—～一A，)]一船载动中通天线的核心是天线的稳定和跟踪技术，硬件上通过伺服系统实现，软件上则体现为PID控制算法l1引。1COSEiCOSEcos(A—Aj、)sinEisinE＼2．1跟踪角度计算E=arcsin[sinRcosEsin(A—A)一在地球坐标系中，由天线所在的经度入。、纬COSRsinEjcosEcos(A—Aj1+度‰和目标地球同步卫星的经度入，能计算出跟COSRcosEjsinE]踪上目标卫星所需的理论方位角Azimu

8、th、理论俯式中：A——