基于MEMS-EC組合的衛(wèi)星天線姿態(tài)測(cè)量和控制研究.pdf

1、船用衛(wèi)星天線系統(tǒng)是一個(gè)科技含量較高的產(chǎn)品，它為在海上移動(dòng)平臺(tái)工作的人們提供了基本的休閑娛樂(lè)解決方案，是構(gòu)建和諧工作、生活環(huán)境的重要組成部分。與陸上固定接收設(shè)備不同，海上使用的天線面臨海浪沖擊、航行方向變化造成的船體姿態(tài)干擾問(wèn)題，使對(duì)天線的姿態(tài)測(cè)量和控制更加困難。市面上成型的產(chǎn)品大多數(shù)采用GPS+角速率傳感器的辦法測(cè)量姿態(tài)，并且多數(shù)使用兩軸框架完成天線穩(wěn)定對(duì)星。但是GPS接收速率慢且容易丟星，而兩軸框架又無(wú)法完全解決橫滾問(wèn)題。本文在綜合考

2、慮了系統(tǒng)成本和穩(wěn)定精度要求后，采用MEMS慣性傳感器和電子羅盤(pán)(Electronic Compass，簡(jiǎn)稱(chēng)EC)組合進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，并通過(guò)三軸框架運(yùn)動(dòng)彌補(bǔ)橫滾角變化。
　　 首先簡(jiǎn)述了船用衛(wèi)星天線的研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀以及相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。在對(duì)比了幾種測(cè)姿方法后，提出了基于MEMS慣性傳感器和電子羅盤(pán)的組合測(cè)姿方案；通過(guò)綜合考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度和穩(wěn)定效果，采用姿態(tài)閉環(huán)穩(wěn)定方法并加入場(chǎng)強(qiáng)儀輔助完成準(zhǔn)確對(duì)星。
　　 其次本文對(duì)MEMS慣

3、性傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，使用Allan方差法辨識(shí)出MEMS陀螺的零點(diǎn)漂移和隨機(jī)游走系數(shù)，并分析了數(shù)據(jù)采樣率對(duì)MEMS陀螺隨機(jī)誤差辨識(shí)的影響；使用ⅡR低通濾波器對(duì)MEMS慣性傳感器噪聲信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，有效地衰減了MEMS慣性傳感器的高頻噪聲。
　　 接著重點(diǎn)研究了衛(wèi)星天線最優(yōu)姿態(tài)的估計(jì)，通過(guò)用四元數(shù)形式表示的姿態(tài)角誤差方程、加速度計(jì)輸出方程和地磁輸出方程推導(dǎo)出緊耦合Kalman濾波算法。并針對(duì)加速度干擾和地磁干擾導(dǎo)致姿態(tài)估計(jì)

4、誤差變大的問(wèn)題，文中以加速度計(jì)為例詳細(xì)分析了對(duì)加速度干擾的辨識(shí)和處理方法；提出了一種使用小量隨機(jī)白噪聲替換被干擾軸向傳感器量測(cè)向量的抗干擾方法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了這種算法具有很好的性能。
　　 最后研究了姿態(tài)控制方法，分析介紹了目標(biāo)姿態(tài)和船體姿態(tài)的計(jì)算方法，并在三軸框架穩(wěn)定原理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出三軸框架控制量的計(jì)算方法；仿真說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定系統(tǒng)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
　　 本文的關(guān)鍵在于如何通過(guò)低精度的MEMS慣性傳感器得到相