船用衛(wèi)星天線姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本文以船用衛(wèi)星天線姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)項(xiàng)目為研究背景，開(kāi)展以微慣性測(cè)量單元(MEMS-IMU)作為姿態(tài)測(cè)量核心的船用衛(wèi)星天線姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究和原理樣機(jī)的研制工作。本文設(shè)計(jì)了采用四軸框架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)姿態(tài)閉環(huán)工作模式；設(shè)計(jì)了四軸天線框架控制和跟蹤算法；解決了MEMS器件信號(hào)降噪和野值剔除等問(wèn)題，對(duì)MEMS陀螺零位和標(biāo)度因數(shù)誤差在線補(bǔ)償標(biāo)定方法進(jìn)行研究；提出了基于磁強(qiáng)計(jì)連續(xù)測(cè)量值的速率模擬算法；研制了天線穩(wěn)定系統(tǒng)的原理樣機(jī)，進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證和試驗(yàn)

2、。
　　 本論文主要完成的工作及創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾方面：
　　 (1)根據(jù)現(xiàn)階段船用衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)的發(fā)展情況及慣性測(cè)量單元的類型，針對(duì)本文中涉及的船用系統(tǒng)對(duì)慣性測(cè)量單元精度的要求，確定使用微慣性器件作為核心器件的可行性；總結(jié)天線姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)階段系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型，提出以MEMS-IMU為核心的船用衛(wèi)星天線姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的總體方案。
　　 (2)設(shè)計(jì)了四軸框架系統(tǒng)姿態(tài)閉環(huán)控制算法，建立了慣性測(cè)量單元直接與天線本

3、體固聯(lián)的天線姿態(tài)閉環(huán)控制模式。為滿足全球航行對(duì)衛(wèi)星跟蹤的需求，設(shè)計(jì)了四軸天線框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合了AE和XY兩種框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，保證在全球航行時(shí)都能實(shí)現(xiàn)框架系統(tǒng)平穩(wěn)跟蹤，消除了AE和XY框架結(jié)構(gòu)各自存在的跟蹤死區(qū)；根據(jù)四軸框架結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和慣性測(cè)量單元的安裝方式，設(shè)計(jì)了四軸框架系統(tǒng)的框架控制和天線跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了天線姿態(tài)閉環(huán)控制。
　　 (3)在小波分析的基礎(chǔ)上，對(duì)MEMS陀螺信號(hào)進(jìn)行了誤差建模，提出了小波系數(shù)抑制的MEMS陀螺確定性

4、誤差提取、小波系數(shù)線性壓縮的野值剔除和虛擬野值的MEMS陀螺信號(hào)降噪等三種小波域信號(hào)處理方法。小波系數(shù)線性壓縮野值剔除方法將野值在小波系數(shù)體現(xiàn)出來(lái)的能量進(jìn)行線性處理，避免了由于小波系數(shù)被強(qiáng)制置零造成的重構(gòu)信號(hào)的震蕩現(xiàn)象。針對(duì)MEMS器件的高噪聲，設(shè)計(jì)了虛擬野值降噪方法，將信號(hào)小波系數(shù)的噪聲理解為一系列野值點(diǎn)，利用3σ原理，設(shè)計(jì)小波降噪的閾值函數(shù)，完成信號(hào)的降噪處理，并利用系統(tǒng)實(shí)測(cè)MEMS陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證，將結(jié)果和通用閾值方法進(jìn)行了對(duì)

5、比。
　　 (4)提出了利用三軸磁強(qiáng)計(jì)連續(xù)測(cè)量值模擬三軸角速率的方法。由于MEMS陀螺現(xiàn)階段的精度較低，需借助外信息完成初始對(duì)準(zhǔn)，因此論文采用電子羅盤與MEMS-IMU組合構(gòu)成姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的方案。本文對(duì)三軸磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)的電子羅盤橢圓誤差進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成了對(duì)電子羅盤數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，提高了電子羅盤測(cè)量精度。在補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，提出了三軸磁強(qiáng)計(jì)通過(guò)測(cè)量空間地磁矢量的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬三軸速率輸出的想法，建立了利用磁強(qiáng)計(jì)輸出值計(jì)算三軸角

6、速率的模型，同時(shí)，推導(dǎo)了磁強(qiáng)計(jì)輸出值與天線系統(tǒng)Rodrigues參數(shù)更新之間的關(guān)系以及速率數(shù)值輸出表達(dá)式，為系統(tǒng)組合濾波提供了新的觀測(cè)量。
　　 (5)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了MEMS陀螺零位誤差和標(biāo)度因數(shù)誤差的在線辨識(shí)和補(bǔ)償方法。綜合考慮姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)要求，采用了Rodrigues參數(shù)法作為姿態(tài)描述和更新算法，建立了以系統(tǒng)姿態(tài)誤差的Rodrigues參數(shù)、MEMS陀螺零位值和標(biāo)度因數(shù)值作為狀態(tài)量的系統(tǒng)狀態(tài)方程，基于電子羅盤姿態(tài)輸出和磁強(qiáng)計(jì)模擬