CN105021191A - 一种低成本动中通测控***天线姿态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本动中通测控***天线姿态估计方法，包括以下步骤：1)主控制器向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器根据所述控制指令控制电机使动中通移动卫星通信***中天线的波束指向，使动中通移动卫星通信***天线的波束指向对准目标卫星；2)获取载体的姿态角微分方程；3)获取载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m；4)获取载体的伪航向角ψ_v；5)根据步骤2)得到的载体的姿态角微分方程、步骤3)得到的载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m、以及步骤4)得到的载体的伪航向角ψ_v使用改进的无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电机调整天线波束的指向。本发明可以准确的使载体与目标卫星准确对准，并且成本低。

Description

一种低成本动中通测控***天线姿态估计方法

技术领域

本发明属于卫星通信***天线姿态估计技术领域，涉及一种低成本动中通测控***天线姿态估计方法。

背景技术

随着经济全球化和信息化的发展，人们迫切需要在旅途中及特殊情况时如抗震救灾等的任何地方、任何时间都能实时传递或接收宽带、大容量的语音、数据、图像、视频等多媒体信息，以便更快、更准确地掌握瞬息万变的时局。卫星通信是唯一能在不同环境下同时提供不同业务需求的通信***。但由于ITU分配给卫星移动业务的带宽较低，很难满足宽带通信业务的需求。基于卫星固定业务的“动中通”通信***为这一理想的实现提供了可能。动中通卫星通信***是指安装卫星天线的移动载体(如汽车、火车、飞机、轮船等)能够与静止卫星(即同步轨道卫星—目标卫星)建立通信链路并能够在载体快速运动的过程中保持通信链路的畅通以实现实时通信的***。由于静止卫星距地面的距离很远(约36000公里)，因此要实现移动载体与静止卫星间的宽带多媒体通信，就必须采用高增益的定向天线。由于这种天线的波束很窄，要保证移动载体在快速运动过程中能够与静止卫星进行正常不间断的通信，则必须靠测控***使天线波束始终以一定的精度对准卫星。

实际使用过程中，影响动中通卫星通信***性能的主要原因是载体姿态实时不间断的变化，要想实现卫星通信在运动过程中始终正常通信，动中通卫星测控***的天线波束必须在方位、俯仰和极化三个轴同时进行精密跟踪控制。

载体的姿态估计是一个典型的非线性问题，但在非线性估计领域还没有一种方法能兼顾估计精度、实现难易程度、数值稳健性及计算量等各种指标，因此必须根据具体应用场合、条件及传感器的选择综合权衡。本文针对降低动中通成本和满足天线波束对准精度要求，提出一种基于UKF方法的，融合单基线GPS、微机械陀螺和加速度计信息进行实时的姿态估计方法。该方法以微机械陀螺输出信息作为算法的状态量，加速度计和单基线GPS的输出信息作为算法的观测量，并利用单基线GPS测量的速度信息和侧滑角信息进行机动加速度补偿和侧滑角补偿。通过无迹卡尔曼滤波器对姿态和陀螺漂移误差进行实时估计。为了降低计算复杂度，使用超球体采样减少传统UKF的采样点数，提高方法的实时性，在不影响精度的前提下，有效地降低了方法的计算量。2011年8月17日公开的发明专利申请CN102157790A(专利申请号为CN201010109461.4)利用卡尔曼滤波方法融合姿态测量，对磁强信息、加速度信息和角速率信息组合进行估计。但是，由于低成本陀螺漂移较大、速度计测量噪声较大以及磁阻传感器易受电磁干扰的影响，限制了测控***的性能及使用条件，使载体不能与目标卫星准确的对准。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低成本动中通测控***天线姿态估计方法，该方法可以准确的使载体与目标卫星准确对准，并且成本低。

为达到上述目的，本发明所述的低成本动中通测控***天线姿态估计方法包括以下步骤：

1)主控制器向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器根据所述控制指令控制电机使动中通移动卫星通信***中天线的波束指向，使动中通移动卫星通信***天线的波束指向对准目标卫星；

2)姿态测量传感器置于载体上，当载体行驶状态的改变时，微机械陀螺、微机械加速度计和单基线GPS测量的载体姿态发生变化，微机械陀螺测量载体的角速率信息w_b，然后根据微机械陀螺测量得到的载体的角速率信息w_b得载体的姿态角微分方程；

3)三轴微机械加速度计测量载体的加速度信息，所述载体的加速度信息为重力矢量g在载体坐标系下的分量，根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息得载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m；

4)设单基线GPS的两端各有一根天线，根据两根天线接收的GPS载波相位差得载体的航向角ψ，根据载体的航向角ψ得载体的速度信息，根据载体的速度信息得载体的伪航向角ψ_v；

5)根据步骤2)得到的载体的姿态角微分方程、步骤3)得到的载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m、以及步骤4)得到的载体的伪航向角ψ_v使用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电机调整天线波束的指向，使天线对准目标卫星。

所述微机械陀螺测量出载体的角速率信息w_b基于欧拉角的姿态更新形式为：

其中，和C_θ分别为俯仰角和横滚角对应的方向余弦矩阵，ω_x、ω_y、ω_z为微机械陀螺输出的角速率在载体坐标系下的坐标，分别为载体的航向角速率、俯仰角速率及横滚角速率；

由式(1)得载体的姿态角微分方程为：

步骤4)中载体的伪航向角ψ_v为：

${\mathrm{\&psi;}}_v=\left\{\begin{array}{cc}atan(v_n/v_e)& v_n\&GreaterEqual;0,v_e\&GreaterEqual;0\\ 2\mathrm{\&pi;}+atan(v_n/v_e)& v_n>0,v_e<0,0\&le;{\mathrm{\&psi;}}_s\&le;2\mathrm{\&pi;}\\ \mathrm{\&pi;}+atan(v_n/v_e)& v_n<0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，v_e、v_n分别为单基线GPS输出的地理坐标系下载体的东向速度及北向速度，ψ_s为载体的速度，a为三轴微机械加速度计测量的载体的加速度信息。

根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息估计载体的俯仰角θ及横滚角φ，然后对估计得到的载体的俯仰角θ及横滚角φ进行补偿修正，得载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的低成本动中通测控***天线姿态估计方法在使天线对准目标卫星时，通过微机械陀螺测得信息获取载体的姿态角微分方程，通过三轴微机械加速度计测得到信息获取载体的俯仰角和横滚角，通过单基线GPS测量的信息获取载体的伪航向角，从而降低控制的成本，然后根据载体的姿态角微分方程、俯仰角、横滚角及伪航向角使用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电机使天线对准目标卫星，其中采用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，从而有效地提高天线对准目标卫星的精度，本发明设计合理，姿态估计效果好、精度高、估计速度快且简单易行、实现方便，***计算量降低，运算效率高，有效克服了动中通通信***中天线姿态估计时所存在的精度不够，实时性差，滤波易发散，抗扰动性能弱等缺陷和不足。

附图说明

图1为本发明中动中通测控***的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的低成本动中通测控***天线姿态估计方法包括以下步骤：

1)主控制器向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器根据所述控制指令控制电机使动中通移动卫星通信***中天线的波束指向，使动中通移动卫星通信***天线的波束指向对准目标卫星；

2)姿态测量传感器置于载体上，当载体行驶状态的改变时，微机械陀螺、微机械加速度计和单基线GPS测量的载体姿态发生变化，微机械陀螺测量载体的角速率信息w_b，然后根据微机械陀螺测量得到的载体的角速率信息w_b得载体的姿态角微分方程；

3)三轴微机械加速度计测量载体的加速度信息，所述载体的加速度信息为重力矢量g在载体坐标系下的分量，根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息得载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m；

4)设单基线GPS的两端各有一根天线，根据两根天线接收的GPS载波相位差得载体的航向角ψ，根据载体的航向角ψ得载体的速度信息，根据载体的速度信息得载体的伪航向角ψ_v；

5)根据步骤2)得到的载体的姿态角微分方程、步骤3)得到的载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m、以及步骤4)得到的载体的伪航向角ψ_v使用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电机调整天线波束的指向，使天线对准目标卫星。

所述微机械陀螺测量出载体的角速率信息w_b基于欧拉角的姿态更新形式为：

其中，和C_θ分别为俯仰角和横滚角对应的方向余弦矩阵，ω_x、ω_y、ω_z为微机械陀螺输出的角速率在载体坐标系下的坐标，分别为载体的航向角速率、俯仰角速率及横滚角速率；

由式(1)得载体的姿态角微分方程为：

步骤4)中载体的伪航向角ψ_v为：

${\mathrm{\&psi;}}_v=\left\{\begin{array}{cc}atan(v_n/v_e)& v_n\&GreaterEqual;0,v_e\&GreaterEqual;0\\ 2\mathrm{\&pi;}+atan(v_n/v_e)& v_n>0,v_e<0,0\&le;{\mathrm{\&psi;}}_s\&le;2\mathrm{\&pi;}\\ \mathrm{\&pi;}+atan(v_n/v_e)& v_n<0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，v_e、v_n分别为单基线GPS输出的地理坐标系下载体的东向速度及北向速度，ψ_s为载体的速度，a为三轴微机械加速度计测量的载体的加速度信息。

根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息估计出载体的俯仰角θ及横滚角φ，然后对估计出的载体的俯仰角θ及横滚角φ进行补偿修正得载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m，其中

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=-\arcsin \left(a_x\right)\\ \mathrm{\&phi;}=\arctan (a_y/a_z)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，a_x,a_y,a_z为三轴微机械加速度计测量值在北东地坐标系下的坐标。

由于加速度通过测量重力信息推导出俯仰角和横滚角，因此，载体的机动加速度会对其产生较大的干扰。利用GPS测得的速度信息对其进行补偿M由GPS提供的速度信息导出载体的速度V，其中，

$V=\sqrt{v_n^2+v_e^2+v_t^2}$

其中，v_e、v_n、v_t分别是地理坐标系下的东向速度、北向速度和地向速度。则可分别得出线性加速度a_x＝ω_z×V和径向加速度a_y＝dV/dt。

对加速度计估计的俯仰角、横滚角进行加速度补偿,修正后的观测量为θ_m，φ_m为：

θ_m＝arcsin(f_x-a_x)

φ_m＝-arctan((f_y-a_y)/f_z)

式中：f_x、f_y、f_z分别为微机械加速度计输出的x、y、z三轴比力测量值。

侧滑角是当载体在航向角发生变化时，速率航向ψ_v与载体航向ψ之差，即侧滑角β＝ψ-ψ_V；

此时，由于载体转弯产生径向加速度方向与载体航向不一致，加速度计输出值并不是真实的重力信息，只用加速度补偿后的姿态角输出值作为观测量来估计载体姿态会存在比较大的误差，需进一步补偿侧滑角对机动加速度的影响，以进一步提高载体在转弯时的估计精度。根据车体运动的几何关系，可以得出载体坐标系X轴和Y轴的机动加速度a_x、a_y为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_x=\stackrel{\&CenterDot;}{V}\cos \mathrm{\&beta;}-\left(V\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_z+V\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}\right)\sin \mathrm{\&beta;}\\ a_y=-\stackrel{\&CenterDot;}{V}\sin \mathrm{\&beta;}-\left(V\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_z+V\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}\right)\cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right.$

式中，是侧滑角引起的向心加速度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低成本动中通测控***天线姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)主控制器向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器根据所述控制指令控制电机使动中通移动卫星通信***中天线的波束指向，使动中通移动卫星通信***天线的波束指向对准目标卫星；

2)姿态测量传感器置于载体上，当载体行驶状态的改变时，微机械陀螺、微机械加速度计和单基线GPS测量的载体姿态发生变化，微机械陀螺测量载体的角速率信息w_b，然后根据微机械陀螺测量得到的载体的角速率信息w_b得载体的姿态角微分方程；

3)三轴微机械加速度计测量载体的加速度信息，所述载体的加速度信息为重力矢量g在载体坐标系下的分量，根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息得载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m；

4)设单基线GPS的两端各有一根天线，根据两根天线接收的GPS载波相位差得载体的航向角ψ，根据载体的航向角ψ得载体的速度信息，根据载体的速度信息得载体的伪航向角ψ_v；

5)根据步骤2)得到的载体的姿态角微分方程、步骤3)得到的载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m、以及步骤4)得到的载体的伪航向角ψ_v使用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电机调整天线波束的指向，使天线对准目标卫星。

2.根据权利要求1所述的低成本动中通测控***天线姿态估计方法，其特征在于，

所述微机械陀螺测量出载体的角速率信息w_b基于欧拉角的姿态更新形式为：

其中，和C_θ分别为俯仰角和横滚角对应的方向余弦矩阵，ω_x、ω_y、ω_z为微机械陀螺输出的角速率在载体坐标系下的坐标，分别为载体的航向角速率、俯仰角速率及横滚角速率；

由式(1)得载体的姿态角微分方程为：

。

3.根据权利要求1所述的低成本动中通测控***天线姿态估计方法，其特征在于，步骤4)中载体的伪航向角ψ_v为：

其中，v_e、v_n分别为单基线GPS输出的地理坐标系下载体的东向速度及北向速度，ψ_s为载体的速度，a为三轴微机械加速度计测量的载体的加速度信息。

4.根据权利要求1所述的低成本动中通测控***天线姿态估计方法，其特征在于，根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息估计载体的俯仰角θ及横滚角φ，然后对估计得到的载体的俯仰角θ及横滚角φ进行补偿修正，得载体的俯仰角θ_m及横滚角φ_m。