Design, Stabilization and Tracking Algorithms of Ship Board Satellite Antenna Systems

This thesis presents the development of stabilization and tracking algorithms for shipboard satellite antenna systems. With increasing the demand for the distribution of information, the use of satellite communication having merits in breadth, efficiency and speedy of construction network, and the facility of a movement has been increasing. As the result, extensive research has been carried out on mobile terminals used in satellite communication stations . In order to use satellite broadcasting and communication service on a navigating ship, the antenna should always point to the satellite. There are two types of stabilization control which maintains the point-angle of a satellite in spite of the changing position and movement of the ship. One is passive control which maintains a horizontality by the inertia of fly-wheel. The other is active control which compensates the movement of the ship directly by driving the actuator attached on the shaft of the antenna. Recently active control is mostly used due to the development of electronic devices and control schemes. This research is satellite tracking antenna system using active stabilizing method. In this thesis, both a hardware system including the pedestal, pedestal control unit and antenna control unit and software for stabilization control are developed. In order to design a controller which stabilizes each control axis, a model is derived and its parameters are estimated using a genetic algorithm, and the state feedback controller is designed based on the linearized model. Then a tracking algorithm is derived to overcome some drawbacks of the step tracking. The proposed algorithm searches for the best position using gradient-based formulae and signal intensities measured according to a search pattern. The effectiveness of both the stabilization and tracking algorithms is demonstrated through experiment using real-world data.Abstract ⅰ 그림 목차 ⅵ 제 1 장 서 론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구의 목적 및 방법 2 1.3 논문의 구성 및 내용 3 제 2 장 선박용 위성안테나 시스템의 설계 5 2.1 서언 5 2.2 선박용 위성안테나 7 2.2.1 좌표계 7 2.2.2 선박의 운동 8 2.2.3 선박용 위성안테나의 안정화 방식 9 2.3 전체 시스템의 구성 14 2.3.1 SAP(Stabilized antenna pedestal)의 구조 15 2.3.2 PCU(Pedestal control unit)의 구성 22 2.3.3 ACU(Antenna control unit)의 구성 24 2.4 자세 검출용 센서 및 신호처리 27 2.4.1 각속도 센서(Rate sensor) 27 2.4.2 경사각 센서(Tilt sensor) 30 2.4.3 저역 통과 필터 설계 32 2.4.4 A/D 변환부 설계 32 2.5 소프트웨어 구조 33 2.5.1 PCU의 소프트웨어 구조 33 2.5.2 ACU의 소프트웨어 구조 35 2.6 결언 37 제 3 장 안테나 시스템의 모델링 및 안정화 38 3.1 서언 38 3.2 최적화 도구로서의 유전 알고리즘 38 3.2.1 염색체 표현 40 3.2.2 초기집단의 생성 40 3.2.3 RCGA의 유전 연산자 41 3.2.4 엘리트 전략(Elitist strategy) 45 3.3 시스템 모델링 47 3.3.1 RCGA를 이용한 파라미터 추정 49 3.3.2 추정 모델의 검증 실험 52 3.4 안정화 제어기 설계 54 3.4.1 상태 궤환 제어기 54 3.4.2 실험 및 검토 56 3.5 결언 66 제 4 장 추적 알고리즘 개발 67 4.1 서언 67 4.2 위성 신호의 세기 분포 68 4.3 서칭(Searching) 69 4.4 추적(Tracking) 71 4.4.1 기존의 추적 알고리즘 71 4.4.2 제안된 추적 알고리즘 73 4.4.3 실험 및 검토 76 4.5 결언 82 제 5 장 종합 실험 및 검토 83 5.1 서언 83 5.2 종합 실험 85 5.3 결언 91 제 6 장 결 론 92 참고문헌 94 부록 10