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基于MEMS/EC组合的卫星天线姿态测量和控制研究
| 论文题名： | 基于MEMS/EC组合的卫星天线姿态测量和控制研究 |
| 关键词： | MEMS惯性传感器;电子罗盘;船用卫星天线;姿态测量;组合测姿 |
| 摘要： | 船用卫星天线系统是一个科技含量较高的产品，它为在海上移动平台工作的人们提供了基本的休闲娱乐解决方案，是构建和谐工作、生活环境的重要组成部分。与陆上固定接收设备不同，海上使用的天线面临海浪冲击、航行方向变化造成的船体姿态干扰问题，使对天线的姿态测量和控制更加困难。市面上成型的产品大多数采用GPS+角速率传感器的办法测量姿态，并且多数使用两轴框架完成天线稳定对星。但是GPS接收速率慢且容易丢星，而两轴框架又无法完全解决横滚问题。本文在综合考虑了系统成本和稳定精度要求后，采用MEMS惯性传感器和电子罗盘(Electronic Compass，简称EC)组合进行姿态测量，并通过三轴框架运动弥补横滚角变化。 首先简述了船用卫星天线的研究背景、发展现状以及相关技术基础。在对比了几种测姿方法后，提出了基于MEMS惯性传感器和电子罗盘的组合测姿方案；通过综合考虑系统实现难度和稳定效果，采用姿态闭环稳定方法并加入场强仪辅助完成准确对星。 其次本文对MEMS惯性传感器测量信号进行处理，使用Allan方差法辨识出MEMS陀螺的零点漂移和随机游走系数，并分析了数据采样率对MEMS陀螺随机误差辨识的影响；使用ⅡR低通滤波器对MEMS惯性传感器噪声信号进行了滤波处理，有效地衰减了MEMS惯性传感器的高频噪声。 接着重点研究了卫星天线最优姿态的估计，通过用四元数形式表示的姿态角误差方程、加速度计输出方程和地磁输出方程推导出紧耦合Kalman滤波算法。并针对加速度干扰和地磁干扰导致姿态估计误差变大的问题，文中以加速度计为例详细分析了对加速度干扰的辨识和处理方法；提出了一种使用小量随机白噪声替换被干扰轴向传感器量测向量的抗干扰方法，通过仿真验证了这种算法具有很好的性能。 最后研究了姿态控制方法，分析介绍了目标姿态和船体姿态的计算方法，并在三轴框架稳定原理的基础上推导出三轴框架控制量的计算方法；仿真说明本文设计的稳定系统，基本达到了设计要求。 本文的关键在于如何通过低精度的MEMS惯性传感器得到相对较高精度的天线姿态，文中通过将电子罗盘输出的原始地磁测量信息与MEMS加速度计的比力数据作为Kalman滤波器量测向量，来校正MEMS陀螺的零点漂移，从而保证姿态计算精度。同时提出一种运用小量随机白噪声替换存在干扰的量测向量的方法，保证了即使同时存在加速度干扰和地磁干扰的情况下仍然能得到一个比较好的天线估计姿态，从而为稳定控制系统建立准确的角度基准；最后通过控制三轴框架运动保证了天线稳定。 |
| 作者： | 曹登建 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 袁赣南 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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