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船载动中通伺服系统

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６７　一技二术一交＝流一　Ｉ　｜　＼　

ｆ　

船载动中通伺服系统　

【张帅】　

ｌ－圜　介绍了一种船载卫星通信自动跟踪系统的组成和工作原理。该系统采用的是　＿　捷联式的有源稳定跟踪平台，特点在于利用圆锥扫描实现天线姿态稳定跟踪，降　＿　低了系统对天线稳定平台的精度要求，使得系统可选用廉价的低精度微机械惯性　

张帅　１９８２年生，山东日照人。２００４年获得吉林大学通信工程专业学士学位，南京　邮电大学硕士研究生在读，研究方向为移动通信和无线技术。　

引言　息的传输，适合军用和民用移动通信和突发事件的应急通　

信。　随着通信技术的发展，卫星通信由于基本不受地域　和自然条件的限制以及通信距离远，机动灵活等优点越来　１　系统组成及原理　

越受到人们的青睐。为在动载体上稳定收发卫星信号，实　本系统主要由处理器稳定模块（包括电子罗盘，　现运动中数据、话音、图像稳定地传输，必须为动中通天　ＧＰＳ倾斜仪和陀螺）、跟踪模块、执行机构（包括驱动　线系统引入稳定跟踪控制功能来克服载体运动带来的干　电路执行电机等）和监控台组成。系统组成框图如图１　扰，控制天线准确地指向通信卫星。本文讨论的系统抛弃　所示

了常规的基于高精度稳定平台的设计方案，而是基于圆锥　整个天线安装在个固定的底盘上。天线系统结构　扫描的基本原理，构成了天线伺服姿态闭环系统，实现卫　和安装如图２所示系统结构设计保证天线三轴最大程度　星的稳定跟踪。系统工作在Ｋｕ频段，采用Ｏ＿６米小口径天　的解耦达到简化控制的目的。天线的方位、俯仰、横滚　线，使用同步轨道（ＧＥＯ）通信卫星，具有机动灵活，　３个转动轴两两相互垂直横滚转动轴平行于天线底座，　跟踪速度快等特点，可进行语音、数据、图像等多媒体信　

２００７．４’

广东通信技术　维普资讯 http://www.cqvip.com 囡　困　囡　园　

６８　技术交流　

方位转动轴垂直于天线底座，俯仰转动轴的状态受横滚电　

机驱动的影响。横滚陀螺安装在天线转动架上，其角速度　

感应轴线平行于天线的横滚转动轴；俯仰陀螺安装在天线　

横梁上，其角速度感应轴线平行于天线的俯仰转动轴；方　

位陀螺安装在天线转动架上，其角速度感应轴线在平行于　

方位电机转动轴。支架块安装在天线横梁上，可以绕天线　

俯仰轴自由转动，上面安装有水平仪、磁通门、光电传感　器，水平仪的水平轴、交叉水平轴线分别平行于天线的俯　

仰轴和横滚轴。光电传感器的遮光片固定安装在俯仰转动　

轴上，不能绕俯仰轴旋转，其临界限位线安装时保证与天　线底座垂直，天线的俯仰转动将使光电传感器和遮光片之　

间的相对位置发生变化。为了保证系统稳定的快速性和稳　

定精度，选用了空间角速度传感器与空间绝对位置传感器　

相结合的传感方式。依靠角速度陀螺的快速响应实时补偿　

ＧＰＳ　ｌ　ＵＡＲＴ０　Ｌ　｛　Ｃ８０５１Ｆ１２０　ＳＯＣ　Ｋ　

ｌ　Ｉ／Ｏ　ＲＡＭＲ０Ｍ　扰动，利用水平仪和磁通门作为稳定基准克服系统偏差。　

考虑到系统的小型化、模块化、低功耗要求，处理　

器选用的是Ｃ８０５１　Ｆ１２０型单片机，它是Ｃｙｇｎａｌ公司推出　

的一款高性能单片机，具有高速、流水线结构的８０５１兼　

容的ＣＩＰ一５１内核，执行指令最快速度可达１００　ＭＩＰＳ，具有　

运行速度快、Ｃ语言编程、调试方便、片内支持ＪＴＡＧ调　

试功能、可ｆｌａｓｈ数据存储等优点。另外与８０５１系列单片　

机比较，它扩展了Ｉ／Ｏ口，增加了数据采样和控制系统所　

需的几乎所有的模拟和数字外设，充分利用这些资源可以　

简化系统硬件电路设计，提高系统的可靠性。另外配以　

ＤＳ４２０型单片机作为副处理器，专门负责天线三位定向　

信息的采集和处理，并通过ｌ／Ｏ口将这些数据送给主处理　

器。　

图１天线控制系统　

人线后　结构　天线侧视结构　

图２天线结构图　拄台　—．．．．．．．．．．　．．．●●　一

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整个系统的工作原理：系统加电后，首先对接收卫　星参数进行设置，然后通过接收ＧＰＳ导航电文获得天线所　

在位置的经度和纬度。设天线所在位置的经、纬度分别为　

仍和　，接收卫星星下点的经度为　：，而　＝（仍一　）为星　

下点Ｓ‘与地球站之间的经度差，通过下面的式子可以解算　出跟踪卫星的天线方位角　俯仰角　和极化角　…。　

：　侣Ｉ（１侣ｌ　Ｉ　）　

ｌ　ｃ　ｏ　ｃｏｓ　ｃｐ一０．１　５１．．．．Ｉ－－－－ｒ　－－－　“，ｃ侣ｌ＿二二二二二二二二　ｌ，／ｌ一（ｃｏｓＯｌ　ｃｏｓｅ）　

…唰　］　（２）　

（３）　

天线对准卫星后，由于载体的运动，天线受到扰　

动，敏感天线姿态变化的角速度陀螺输出与旋转速度成线　

性比例的电压，处理器定时对陀螺输出电压进行采样，经　

速率积分后得到天线姿态的补偿角度，并以此来驱动步　

进电机。由于陀螺精度不高零点的漂移等原因使原来已经　

对准卫星的天线虽经过补偿但仍然偏离目标一个很小的　角度，因此系统在陀螺稳定的基础上配以圆锥扫描跟踪体　

制，使卫星始终精确地对准卫星。　

２稳定环节和圆锥扫描跟踪　

２．１稳定环节　

根据角速度陀螺测得的角速度值，经积分后获得天　

线姿态的变化量。由于采样值中存在噪声，在一个控制周　

期内多次对陀螺进行采样然后取平均的办法可以减小噪声　的影响。在本系统中定时０．２５　ｍ／ｓ采样一次，这样可以解　

算出一个控制周期Ｔ内系统稳定的角位置补偿量　

＝Ｐ×ｋ×Ｔ（ｅ为一个控制周期内的陀螺输出电压的平均　

值，　为转换系，　为控制周期，驱动步进电机作前馈补　

偿，保证系统相应的快速性。同时根据ＨＭＲ３　ｏｏｏ￣ＴｎｃｌＯ０　

提供的三维定向信息进行系统指向的闭环修正，弥补了开　

环控制中由于陀螺零点的漂移带来的系统误差，提高了系　

统精度　Ｊ。　２．２圆锥扫描跟踪　

圆锥扫描测角原理是将波束轴偏离反射器轴，并绕　

反射器轴旋转，以此来得到跟踪误差。圆锥扫描自动跟踪　

系统的原理框图如图３所示。其工作原理就是将天线波束　

轴略为偏离反射器轴线，并绕轴线旋转。若目标偏离轴　

线，反射信号强度受旋转频率调制，被调信号经跟踪接收　

机转换为与信号强度成线性的直流电压后，在微处理器中　

进行数字化处理，获得方位和俯仰角误差信息。当天线的　

锥扫轴线对准目标时，回波信号为等幅信号，无误差信　

息。　

强州｛｜Ｌ　王　路接收　ｌ·　收发“Ｉ　，　ＳＯ　Ｃ　Ｉ　稚｛狮ｌＩＪ　▲　反射器辘　

图３圆锥扫描自动跟踪系统　

设波束轴与反射器轴线的夹角（波束偏角）为　，跟踪　误差为占，在占＜＜　情况下，跟踪接收机的输出电压可表示　为　。】　（ｆ）＝Ｖｏ［１＋Ｋｓｇｃｏｓ（ｒｅｓｔ一　）］　（４）　

其中，　为　０时跟踪接收机的输出电压，　

Ｋｓ＝一　Ｉ　：　，Ｇ　（　）为天线的辐射方向图函数，　

口　为天线副面圆锥扫描角频率，　为目标相对于波束基准　

位置的方位角。　

从式（４）可知，跟踪接收机输出的信号为一幅度调制　

信号，要根据调制幅度和相位推算得到当前角误差信号，　而方位和俯仰跟踪角误差可分别表示为　

＝　ＣＯＳ　（５）　

０　＝　ｓｉｎ　（６）　

为在载体大运动速度情况下，也能很好地进行目标　

跟踪，可通过提高圆锥扫描角速度的方法，这样可提高圆　锥扫描误差电平采样速率。但这样一来也对结构提出高要　

求，必须采用高速接近开关，跟踪接收机的滞后性也将　

制约系统的目标跟踪能力，工程上难以实现　。经反复试　

验，确定适合本系统的圆锥扫描速率在８—９Ｈｚ之间。　

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３系统软件设计　

系统的软件设计可以分为一下几个模块：初始化模　

，｝空｝ｌ　、　Ｉ　竺　Ｊ　

‘￣ＦＬＡＳＨ．　｛裁　参数｛　块、稳定模块、跟踪模块、通信模块、执行模块、卫星信　

息存取模块。系统软件流程图如图４所示。　

竺：　，，二　—＝二、　兰竺　Ｎｆ　±　ｊ　＝————　清堑位标志蟊‘搜索标志　堡索标兰—，二：　］一一一　一　

瞬锥｛１捕标志　Ｎ　清搜索标志，簧　锥＿｝＿＿ｌ籀标志　

—＼　限３次一—一一一Ｙ　’　置复协标志　

叫锥　描跟踪补偿算法　

计算一嘲　均ＡＧｃ电、ｒ　

数槲　Ｙ　

专　—　一一一　

采样　

电机控制定时罔ｌ＼　划到　／／　校Ｉ　俯仰和横滚陀螺零点、调籀　俯仰横滚和支架电机控制　

力位陀螺零点、调　机控制鼙　

接收三睾ＩＩｌ陀螺、ＡＧＣ电甲和擞　电位器电、　采样电　Ｆ　

串Ｉ　Ｉ，Ｉ１断处理科　

三轴稳定补偿　俯仰横滚立架步进电机走步　——　酉　万一　

根撩方位电机控制算法，得剑新　豹方位电机控制　期　

图４系统软件流程图　初始化模块：该模块包括处理器的初始化、系统参　化，解算出天线方位和俯仰角误差。　数初始化和天线的初始化。处理器的初始化包括系统时钟　执行模块：负责方位电机、俯仰电机、横滚电机、　

的设置、外围数字Ｉ／Ｏ口的初始化、定时器的初始化、异　极化电机和圆锥扫描电机的控制。　

步串口通信参数的设置。系统参数的初始化包括接收卫星　通信模块：负责天线控制处理器和控制台交换信　的选择、接收频率的设置和从ｆＩａｓｈ加载接收卫星信息参　息。监控台向天线伺服系统发送接收卫星位置、接收频　

数。天线的初始化包括背景噪声的采集和初步对准卫星。　率、极化方式等数据，天线控制处理器每隔０．５　ｓ向监控台　

稳定模块：该模块负责采样三轴陀螺输出电压值，　回送一次天线当前姿态数据、ＡＧＣ电平等信息。　

并根据这些采样值计算出一个控制周期内的天线姿态的补　卫星信息存取模块：完成卫星参数的录入、修改、　

偿角。同时ＨＭＲ３０００和电子罗盘Ｃ１００给出的三轴定向信　删除等操作。　

息调　＇口　：　由　赤４结束语　跟踪模块：根据天线副反射面转动一圈的电平变　～…　

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伺服阀在船舶工程中的应用

伺服阀在船舶工程中的应用

伺服阀在船舶工程中的应用

伺服阀在船舶工程中扮演着至关重要的角色。船舶工程涉及许多液压系统和机械装置，为了确保船只的正常运行和操作的安全性，伺服阀被广泛应用于各种重要的船舶系统中。本文将探讨伺服阀在船舶工程中的应用，并重点介绍其在主动舵系统、船舶起重系统和船用起重设备中的应用。

主动舵系统是船舶操纵的核心系统之一，它负责控制舵角以调整船只的航向。伺服阀在主动舵系统中起到了关键的作用。当船长或船员操纵船舶方向盘时，电子控制系统会发送信号给伺服阀。伺服阀根据这些信号调整流体的流量和压力，从而实现船舶转向。这种反馈控制系统使得船只能够在各种环境条件下准确地控制其航向，提高船只的机动性和操纵性。

在船舶起重系统中，伺服阀的应用也非常广泛。船舶起重系统包括吊车、起重机和绞车等设备，用于货物的装卸和操纵。这些设备需要能够精确控制各种荷载的升降、运动和停止。伺服阀可以与传感器和控制器相结合，根据所接收到的信号调整液压系统的工作状态。通过使用伺服阀，船舶起重系统能够实现高效、安全和准确的货物操纵操作，提高工作效率和运输能力。

船用起重设备在船舶工程中也具有重要地位。船用起重设备主要用于船舶维修和救援工作。伺服阀在船用起重设备中的应用可以实现对起重臂和吊钩的精确控制。通过使用伺服阀，船用起重设备可以稳定地提升和放下货物，确保起重臂的平稳运动和吊钩的安全使用。此外，伺服阀还可以帮助船用起重设备实现对起重臂长度的调整，以适应不同工作场景的需求，提高工作的灵活性和适应性。

除了以上提到的主要应用之外，伺服阀还可以在其他船舶系统中发挥作用。例如，伺服阀可以用于助推器和推进器系统，控制船舶的速度和方向；它们也可以用于船舶救生设备的操作，确保在紧急情况下乘客和船员的安全。 考虑到船舶工程的特殊性，伺服阀在设计和制造过程中需要满足一些特定的需求和要求。首先，伺服阀必须具备良好的耐腐蚀性能，以应对海水和海洋环境中的腐蚀问题。其次，伺服阀必须具备高可靠性和稳定性，以确保长时间的运行和安全操作。此外，伺服阀应该具备较高的承载能力和耐久性，以满足船舶工程的高强度和长寿命要求。

过顶跟踪技术在动中通中的应用

过顶跟踪技术在动中通中的应用

074201207

Selected Papers

论文选登

+ 任娟 （中国电子科技集团公司第五十四研究所）过顶跟踪技术

在动中通中的应用

关键词：动中通 过顶跟踪

伺服控制

摘要：简要说明了动中通的应用背景，具体阐述了某车载动中通采用三轴座架实现过顶跟踪的控制原理和应用。随着卫星通信技术和自动跟踪技术的不断发展，在运动中实现通信和数据交换变得越来越普遍。而且随着Ka、Ku频段的应用，卫星接收设备体积减小，动中通得以大量应用。动中通卫星通信系统具有通信距离远、通信质量可靠、通信迅速和受环境影响小等特点。近年来，动中通技术越来越多地应用于车载、船载和机载卫星通信系统中。动中通的关键技术是快速、稳定、可靠的伺服控制系统，它保证了天线时时对准卫星，实现了卫星通信不间断。对于需要工作在赤道附近的动中通，过顶跟踪技术保证了卫星通信无盲区。下文将就某车载动中通的设计说明过顶跟踪技术的实现。1．系统组成车载动中通系统由于车辆在运动中颠簸最厉害，因而对伺服系统的要求最为苛刻，而且天线口径不能太大。某Ku频段1.2m车载动中通主要由天馈分系统、跟踪接收机分系统、伺服控制分系统、座架分系统和卫星通信分系统组成，如图1所示。天馈分系统完成对星通信，采用赋型环焦天线、主副面设计、小型化及轻型的波纹喇叭和宽频带差模跟踪网络，具有高效率、低旁瓣、低交叉极化隔离度和重量轻等优点。除了收发图象、语音和数据等信号外，天线接收到来自卫星上的信标信号，经天线主副面反射后，进入波纹喇叭，再经过和差网络送到跟踪接收机解调出方位和俯仰的角误差信号，最后送到伺服控制系统，从而实现天线对卫星的单脉冲自跟踪。座架系统实现天线的转动，一般动中通的座架主要采用A-E两轴形式，即方位、俯仰轴，其结构紧凑，旋转关节少，刚度强，伺服控制系统也容易实现，但其缺点是高仰角跟踪有盲区，对于那些赤道附近的国家和地区，为实现高仰角甚至过顶跟踪，需要在两轴基础上增加交叉轴，采用A-E-C三轴座架，这增加了系统的设计和调试的难度。本系统采用三轴形式，组成三轴稳定两轴跟踪系统，实现过顶跟踪无盲区的要求。2．伺服控制随着数字信号处理技术的迅猛发展，伺服控制由原来的模拟控制转换成了先进的数字控制方式。本系统伺服控制分为舱内和舱外两部分，组成框图如图2所示：惯导设备提供航向、横摇、纵摇数据， GPS提供经纬度信息，并通过串口把信息送入天线控制单元进行目标角的计算。座架上安装了滑环装置使方位轴能够连续转动，保证卫星信号不间断。图１　动中通卫星通信系统组成

动中通原理

动中通原理

动中通

动中通是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称。通过动中通系统，车辆、轮船、飞机等移动的载体在运动进程中可实时跟踪卫星等平台，不中断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，可知足各类军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。 动中通系统专门好地解决了各类车辆、轮船等移动载体在运动中通过地球同步卫星，实时不断地传递语音、数据、高清楚的动态视频图像、等多媒体信息的难关，是通信领域的一次重大的冲破，是当前卫星通信领域需求旺盛、进展迅速的应用领域，在军民两个领域都有极为普遍的进展前景。

“动中通”系统组成

“动中通”是由卫星自动跟踪系统和卫星通信系统两部份组成。

卫星自动跟踪系统

卫星自动跟踪系统是用以保证卫星发射天线在车体运动时对卫星的准确指向。其要紧设备有：

(1)天线座，采纳卸载和储力方式减小天线传动时的负载惯量。

(2)伺服，采纳位置环或速度环操纵方式，利用模拟硬件提高电路响应速度，减小伺服 跟踪系统的动态滞后误差。

(3)数据处置，利用专用的数学解算平台，对误差信号、载体的动态信号进行处置，解算出天线的操纵信号。 (4)载体测量，利用捷联惯导测量组合测量出载体的转变量，使其反映在天线跟踪上。其中，激光陀螺是在光学干与原理基础上进展起来的新型导航仪器，成为新一代捷联式惯性导航系统理想的要紧部件，用于对所假想的物体精准定位。石英挠性摆式加速度计是由熔融石英制成的灵敏元件，挠性摆式结构装有一个反馈放大器和一个温度传感器，用于测量沿载体一个轴的线加速度。光纤陀螺三轴惯测组合由三个光纤陀螺仪和三个石英挠性摆式加速度计组成，能够实时地输出载体的角速度、线加速度、线速度等数据，具有对准、导航和航向姿态参考基准等多种工作方式，用于移动载体的组合导航和定位，同时为随动天线的机械操控装置提供准确的数据。要紧性能：加表精度 1×10-4g；光纤陀螺精度(漂移稳固性)≤1°/h；标度固形线性度≤5×10-4。

伺服控制器在船舶制造中的应用

伺服控制器在船舶制造中的应用

伺服控制器在船舶制造中的应用

船舶制造是一个复杂的过程，涉及到多个领域的技术和知识。其中一个关键的组成部分是伺服控制器的应用。伺服控制器在船舶制造中发挥着重要的作用，可以实现对船舶各种设备和系统的精确控制和调节。本文将对伺服控制器在船舶制造中的应用进行详细介绍。

首先，伺服控制器在船舶制造中的最常见应用是船舶动力系统的控制。船舶动力系统包括发动机、发电机、推进器等设备，伺服控制器通过对这些设备的控制，实现对船舶的速度、转向和推力的精确调节。通过对动力系统的精确控制，船舶可以在不同工况下保持稳定的航行状态，并提高能源利用效率，减少燃料消耗，降低对环境的影响。

其次，伺服控制器在船舶制造中还广泛应用于自动导航系统。船舶自动导航系统是指通过一系列传感器和控制器，实现对船舶航行方向、位置和速度的自动控制。伺服控制器作为自动导航系统的核心部件，可以根据预设的航行路线和目标点，实现对船舶舵角、推进器和航向设备的控制，从而使船舶能够自动航行，并在遇到障碍物或其他不确定因素时进行自动避障或调整航向。

此外，伺服控制器在船舶制造中还应用于船舶稳定性控制系统。船舶稳定性是指船舶在不同运行条件下保持平衡和稳定的能力，是船舶安全运行的关键。伺服控制器可以通过对船舶的倾斜角度、重心位置和纵横摇的监测和调节，实现对船舶稳定性的控制。当船舶遭遇外部扰动或潮汐等因素时，伺服控制器可以及时对船舶进行反馈调整，保持其稳定性，提高船舶的安全性和航行舒适度。

另外，伺服控制器在船舶制造中还应用于船舶载重和起重设备的控制。在港口和船坞中，船舶载重和起重设备的控制对于船舶的安全装卸和货物运输至关重要。伺服控制器可以通过对货物起升机构、旋转机构和水平移动机构的控制，实现对货物起升、转运和放下的精确控制。通过使用伺服控制器，可以提高装卸效率，减少货物损坏，保障港口安全运营。 最后，伺服控制器在船舶制造中还可以应用于船舶通信和数据处理系统的控制。船舶通信和数据处理是现代船舶中必不可少的一部分，它包括船舶的通信设备、雷达、导航系统等。伺服控制器可以实现对这些设备的精确控制和调度，以确保船舶通信和数据处理系统的稳定运行，提高船舶的信息化水平和通信效率。