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基于FPGA的卫星天线机载“动中通”倾角测量的分析与设计

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究目的和应用前景

1.3国内外研究现状

1.4本文内容安排

第二章 倾角测量原理及系统设计

2.1产品概述

2.2基本测量原理

2.3设计指标

2.4方案设计

2.5硬件设计

2.6本章小结

第三章 静态下的倾角测量

3.1加速度数据的获取

3.2相关数学计算

3.3本章小结

第四章 动态下的倾角测量

4.1互补滤波器的建模

4.2卡尔曼滤波的建模

4.3数据融合基于FPGA的具体实现

4.4本章小结

第五章 倾角测量模块输出及结果分析

5.1串行接口发送模块

5.2工程编译及资源利用

5.3结果输出

5.4测试波形

5.5倾角实物照片

5.6本章小结

第六章 全文总结

参考文献

附录1 程序清单

附录2 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢

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摘要

卫星通信地球站通过与地球同步轨道通信卫星的链路形成卫星通信网络,目前随着卫星通信技术的发展,国内外市场对卫星通信地球站提出了越来越高的要求,机载卫星通信地球站应运而生。
  飞机在飞行过程中处于颠簸状态,可能会有俯仰角、横摇角,而机载“动中通”天线需要一个相对稳定的平台,配合伺服跟踪算法来确保飞机在运动过程中对卫星的跟踪。而稳定平台需要一个实时测量倾角的模块,将测出的俯仰角和横摇角发送给主控板,以便主控板能够对平台进行实时调整,使平台基本保持水平。
  本文采用Altera公司的FPGA芯片作为MCU。通过一个MEMS三轴加速度传感测量出加速度值,经过相应的算法计算出倾斜角,但是这个倾角值在动态环境下是不可靠的。因此需要用另外一个惯性器件陀螺仪来进行测量,通过对角速度积分便能得到角度值,但是由于测量噪声干扰,加速度计与陀螺仪都不能单独作为动态倾角传感器,因此建立加速度计和陀螺仪误差的数学模型,采用互补滤波和卡尔曼滤波结合的算法,将二者的数据进行融合,有效提高了模块的测量精度。最后通过串行接口将俯仰角和横摇角发送给主控单元,主控单元在接收到角度数据后作出相应的响应,实时调整天线方向以确保“动中通”。通过性能测试,验证了本设计具有较好的静态和动态性能,验证了方法的有效性。

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