自动跟踪天线论文.pdf-资料库

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大连海事大学硕士学位论文卫星天线自动跟踪算法的研究姓名：孙兴邦申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：夏志忠20080301

中文摘要捅要国际海事卫星组织使用的12颗同步高轨道卫星，为数百万个陆上和海上的用户提供服务。4颗主用卫星分布于太平洋，印度洋和大西洋赤道上空约36000公里高度的同步轨道上，分别覆盖太平洋、印度洋、大西洋东和大西洋西四大洋区。无论您在世界任何地方都可以通过海事卫星进行通信。当船舶在大洋中行驶时，无论处在哪一个洋区，要建立船舶与海事卫星之间、地面站与卫星之间的通信，必须开发相应的自动跟踪方法，保证船舶上的卫星天线时刻准确的对准海事通信卫星，以保证天线波束始终指向卫星。按跟踪原理，现有的自动跟踪方法有：步进跟踪，圆锥扫描、单脉冲跟踪、程序跟踪、记忆跟踪和轨道预测跟踪等方法。本文首先阐述了地面接收天线相对海事卫星的指向的数学基础，推导出地理坐标系和载体坐标系下天线指向数学模型的公式，并依据此数学模型分别对太平洋卫星和印度洋卫星进行了算法仿真；然后提出本课题中海事卫星通信系统的跟踪原理：采用了程序跟踪和最大能量信号比较的方法结合的跟踪方式，来达到跟踪海事通信卫星的目的。然后详细介绍了本课题中跟踪方法所选用的倾角和陀螺仪两种传感器各自的作用和特点，并制定了基于两种传感器的关于角度的算法，主要是陀螺仪的积分算法。然后在海事卫星天线指向的数学模型和两种传感器角度算法的基础上，介绍了在天线跟踪过程中的稳定跟踪算法的原理，及在寻星、跟踪两种状态下补偿算法的实现过程；论文的最后在提出两种可以采用的优化方法各自优点和使用方法的基础上，介绍了本系统中用查表法优化软件性能的方法和最终优化的效率分析，优化的成果是使星位解算的算法效率提高到原来的3倍。关键词：程序跟踪；补偿算法；性能优化

英文摘要AbstractInmarsatusestwelvesynchromzedsatellitestoprovideserviceformillionsofusersintheearthandsea．Themainfoursatellitesdistributeonthesynchronizedtrack36000kilometerabovetheequatorinPacific，IndianandAtlanticOcean，overcasttingPacific，Indian，eastAtlanticandwestAtlanticOcean．NomatterwhereyouareintheworldyoucallcommunicatewitllothersusingInmarsatsatellites．WhilenavigatinginanyOceanintheworld，inordertoestablishthecommunicationbetweenshipsandsatellites，earthstationandsatellites，theshipshavetomakesurethatantennasshouldflwaysaimattheInmarsatsatellitestoensurethesignalofantennaspointingtosatellites，80peoplehavetoopenuprelevantautomatictrackingmethods．Accordingtothetrackingprinciples，therearefollowingautomatictrackingmeasures：Steptracking,taperscanningtracking,singlepulsetracking,programtracking,memorytrackingandtrackforecasttracking,andSOon．Thepaperfirstlyintroducesthemathematicalbasisofthelandreceivingantenna’SorientationrelativetoInmarsatsatellite，educesmathematicalformulasofantenna’SorientationingeographycoordinateandcarriercoordinateandemulatesthearithmeticofmodelsinPacificandIndianOceansaccordingtothismathematicalmodel；ThenthethesisadvancesthetrackprincipleofInmarsatcommunicationsysteminthisproject,whichisthemethodofcombiningprogramtrackingandcomparingthelargestenergysignal，torealizethepurposeoftrackingInmarsatsatelliteaccurately．Subsequently,itintroducesthefunctionandcharacteristicofinclinometerandgyroSenSOrsusedfortrackinginthisprojectanddesignthearithmeticconcerningtoanglebasedonthetwosensors，mainlytheintegralarithmeticofgyrosensor．Thenthepaperanalyzesthearithmeticprincipleoftrackingsteadilyintheprocessofantennatrackandthecompensatearithmetic’Srealizationinthestateofsearchingandtracking,basingonthemathematicalmodelofantennapointingandthealgorithmofsensors．Intheend，thethesisputsforwardtwomethodsofoptimizingaswellaseachadvantageandapplicationmethods，thendiscussestherealizationofcheckinglistmethodtooptimizetheperformanceofsoRwaredetailedly．

英文摘要Aftertheefficiencyanalyzingoftheoptimizing，thepaperpresentstheharvestoftheoptimizing：advancingthearithmeticefficiencyoftheazimuthofsatelliteby200percent．KeyWords：programtracking；compensatearithmetic；performanceoptimize

大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文==里星丞线自动退躔篡选的婴究==。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名邓叩撕男年多月27日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密口(请在以上方框内打“√")

卫星天线自动跟踪算法的研究第1章绪论1．1工程背景国际海事卫星组织(Inmarsat)于1976年成立，至今已稳定运行20余年。它所使用的12颗同步高轨道卫星，为数十万个陆上和海上的用户提供服务。海事卫星组织共有12颗地球同步高轨道卫星，其中4颗主用，每颗主用都有两颗备用卫星，确保卫星信道在任何情况下畅通。海事组织的4颗主用卫星分别覆盖太平洋、印度洋、大西洋东和大西洋西四大洋区(在中国地区可以使用太平洋和印度洋两颗卫星)。这四大洋区覆盖了全球98％的地方(南极点和北极点500公里以内卫星无法覆盖)。所以，无论您在世界任何地方都可以通过海事卫星进行通信【11。国际海事卫星分布于太平洋，印度洋和大西洋赤道上空约36000公里高度的同步轨道上。Inmarsat采用四颗静止卫星覆盖除南北极部分区外的全球区域，如图1．1所示。图1．1海事通信卫星覆盖图Fig．1．1theoverlyoflnmarsatsatellites当船舶在大洋中行驶时，无论处在哪一个洋区，为发生遇险或者其他紧急情

绪论况时船站与卫星能够准确通信，必须保证船舶上的卫星天线，不管何时，要时刻准确的对准海事通信卫星，达到准确跟踪卫星从而实现实时通信的目的。四个卫星覆盖区分别是太平洋区(POR)，印度洋区(IOR)，大西洋区东区(AOR—E)和大西洋西区(AOR__w)。在同一个覆盖区内，移动用户可任意选一个岸站来进行通信。假如某一个岸站发生故障或遭受自然灾害，用户仍可选同一覆盖区内的其他岸站和目的用户通信。从图1．1中可以看出四个覆盖区间有重叠区。处于重叠区内的用户可灵活的选择不同的卫星来工作。这些卫星使用大功率火箭发射送入太空，吸收太阳能转换成电能，以便为卫星提供工作电源。卫星还载有通信天线及供卫星推动器使用的燃料，推动器受地面上的卫星控制中心(SCC)控制。目前，Inmarsat系统还有11颗备用卫星，也就是原来的第一代卫星和两颗第二代卫星【111。第三代卫星的具体情况列于表1．1：表1．1海事通信卫星Tab．1．1Iumarsatsatellites洋区电话电传洋卫星名称位置状态发射日期洋区区码码大西洋东87l58lInmarsat··——15．5W工作1996．9．6区3F2太平洋区872582Inmarsat·—·-178．OE工作1996．12．183F3印度洋区873583Inmarsat·--—64．0E工作1996．4．33F1大西洋西874584Inmarsat·-——54．OW工作1996．6．3区3F4随着Inmarsat移动卫星通信业务的不断增长，Inmarsat组织发射了第三代

卫星天线自动跟踪算法的研究卫星Inmarsat-3F。第三代卫星的通信容量增加了八倍，并增加了点波束及导航功能。民用上，随着社会的发展和人民生活水平的提高，对移动载体卫星通讯系统装置的需求不断增加，比如在陆上或海上作长途旅行时为了收看卫星电视节目，需要安装车(船)载卫星天线自动跟踪系统；海上气象卫星云图接收船等也必须依赖卫星天线自动跟踪系统以有效地接受卫星信号；另外，在运钞车、消防车、野外作业车、地质和石油勘探车(船)等上面加载卫星天线自动跟踪系统以提高这些行业的工作效率和安全性等。这类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，即能很好地隔离载体(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地对准卫星，实现运动中连续卫星通讯。建立船舶与海事卫星之间、地面站与卫星之间的通信，开发相应的自动跟踪方法，以保证天线波束始终指向卫星。这是移动卫星通信中的关键问题之一，也是论文将要进行研究的内容。1．2研究现状和意义卫星天线稳定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和仿真技术、运动控制技术、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。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，其技术不仅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、野外作业等多种民用场合，还适用于各种现代化的各种作战武器系统如坦克、装甲车等的通讯。对移动载体卫星通讯跟踪系统，国外自从20世纪70年代中期开始，就有很多国家和组织就开始在从事这方面的研究与开发活动。20世纪80年代末期，利用惯性姿态测量技术建立一个稳定的天线平台用它来实时隔离运动载体的横滚、俯仰和方位角的变化以确保接收卫星信号天线的波束中心快速准确地对准卫星，从而实现运动中稳定通信的目的，从技术角度讲其条件已经成熟。3

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