用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態搜星方法技術

用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態搜星方法，在載體航向未知的情況下，假定載體航向初值為0，利用直接固定在載體上的MEMS?IMU和GNSS組合導航測量載體水平姿態角，確定地垂線在載體坐標系下的矢量分量，再驅動動中通天線繞地垂線旋轉掃描衛星方位。掃描到衛星方位后，再反算真實的載體航向，反算載體航向后，再由組合導航系統控制動中通天線鎖定衛星。本發明專利技術方法解決了低成本動中通在海泊搖擺態下快速對星的難題，為基于較低成本的MEMS慣導的船載動中通海泊搖擺態動態對星提供了一種可行的解決方案。

【技術實現步驟摘要】
用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態搜星方法
本專利技術屬于組合導航
，涉及一種船載動中通的自動對星方法。
技術介紹
同步衛星的移動通信應用俗稱“動中通”，是當前衛星通信領域需求旺盛、發展迅速的應用。“動中通”除了具有衛星通信覆蓋區域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩定可靠的優點外，還真正實現了寬帶、移動通信的目的。目前，“動中通”系統在海泊搖擺態下搜星有兩種方案。第一種是不依靠慣導信息，直接驅動動中通天線盲掃信標信號，當動中通天線掃到信標信號后停止掃描，然后轉入其特定的跟蹤算法跟蹤衛星。這種方法在載體靜止的情況下頗為有效，但是在海泊搖擺態下，海面風浪造成船體搖擺，使得該方案對星相當困難。第二種是依靠慣導自對準的對星方法。這種方法的特點是在海泊搖擺態下，慣導首先進行自對準，慣導自對準后，再根據慣導的姿態信息驅動動中通天線對星，但這種方案需要慣導具備較高的精度，成本較高。而對于基于較低成本的MEMS慣導的動中通海泊搖擺態動態對星，目前尚且沒有快速、成熟、穩定的方案。由于MEMS慣導沒有有效的自對準方法，基于MEMS慣導的動中通基本靠盲掃方式來驅動動中通天線搜索衛星，因此很難在較大海上風浪情況下快速完成對星。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種用于動中通的偽航向的海泊動態搜星方法，在海上船舶航向角未知的情況下，直接假設橫滾角和俯仰角為0，通過基于卡爾曼濾波的組合導航算法對橫滾角和俯仰角的不斷修正，同時通過計算任意時刻地垂線在載體系下的坐標，通過伺服系統快速驅動動中通天線繞地垂線旋轉，使動中通天線旋轉不超過一圈，就可以快速捕獲衛星；在此基礎上通過反算載體航向角來修正IMU的方位角，并根據IMU的姿態信息和GNSS提供的位置信息控制動中通天線鎖定衛星。本專利技術的技術解決方案是：用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態搜星方法，包括如下步驟：(1)在海上停泊的載體上同時安裝MEMS慣導、GNSS和動中通，其中MEMS慣導和GNSS構成組合導航系統；所述的組合導航系統將GNSS輸出的載體速度和位置信息，以及MEMS慣導輸出的載體速度和位置信息進行組合，構成卡爾曼濾波的量測量，通過卡爾曼濾波組合導航算法，以固定的濾波周期修正MEMS慣導的俯仰角和橫滾角；(2)利用MEMS慣導實時結算得到的航向角，以及卡爾曼濾波組合導航獲取的俯仰角和橫滾角，計算地垂線在載體坐標系下的坐標其中為地垂線的矢量方向在地理坐標系下的坐標，g0為重力加速度的大小，γ、θ和ψ分別為橫滾角、俯仰角和航向角；所述的地理坐標系的原點位于載體質心，三軸分別指向當地的東、北、天；所述的載體坐標系的原點位于載體的質心，OX軸和OY軸與動中通天線底座安裝基準重合，OZ軸與動中通天線方位軸重合；(3)驅動動中通天線繞地垂線以γ3為錐頂角，以γ0＝0為起始位置進行圓錐旋轉一周，將旋轉過程中衛星信標強度最大時對應的天線指向作為動中通天線跟蹤衛星的指向，并驅動動中通天線繼續旋轉到衛星信標強度最大的方向；所述的OSatn為地理坐標系下載體的質心與衛星連線的矢量，γ0為動中通天線繞地垂線進行圓錐旋轉已經旋轉過的角度；(4)利用衛星信標強度最大時動中通天線的指向，反算出載體的航向角并修正MEMS慣導的航向角；(5)利用修正后MEMS慣導的航向角，以及卡爾曼濾波組合導航算法修正后的俯仰角和橫滾角，實現動中通天線對衛星的持續跟蹤。所述的γ0為矢量S1X1和矢量S1S之間的夾角，S1O矢量表示重力加速度矢量，平面S1-X1S與OS1垂直，S1X1是O-Z-S1平面與平面S1-X1S的交線，S為以γ3為錐頂角的圓錐面與平面S1-X1S的交線上的任意一點，O為載體坐標系的原點。本專利技術與現有技術相比的優點在于：(1)本專利技術方法通過引入偽航向，利用了在載體地速為0時，忽略地球自轉角速度情況下，組合導航系統的水平姿態誤差與航向無關的特點，在海泊態下，不依賴載體航向，通過基于卡爾曼濾波的組合導航算法直接獲取載體的水平姿態，在此基礎上結合偽航向，獲取地垂線矢量，并驅動天線繞地垂線矢量旋轉搜索到衛星信號，由此實現在了海泊態載體航向未知的情況下快速準確的搜索到衛星信號；(2)本專利技術方法中，得到海泊態下任意時刻載體水平姿態角后，即可得到任意時刻地垂線在載體系中的位置，再驅動天線繞地垂線以指定的仰角旋轉，即可使天線在海泊態下旋轉不超過一圈就能找到衛星方位，提高了衛星搜索的速度和準確性；(3)本專利技術方法解決了低成本動中通在海泊搖擺態下快速對星的難題，與現有盲掃的方案相比，在較大海上風浪情況下仍可以快速準確的搜索到衛星信號，相對于依靠慣導自對準的方法，可以不使用成本較高的高精度慣導即可快速準確對星，降低了動中通系統的成本，提高了可靠性，為基于較低成本的MEMS慣導的船載動中通海泊搖擺態動態對星提供了一種可行的解決方案。附圖說明圖1為本專利技術方法的流程框圖；圖2為本專利技術搜尋衛星的幾何矢量圖。具體實施方式如圖1所示，為本專利技術方法的流程框圖。本專利技術方法采用IMU/GNSS組合導航算法得到海泊態載體的俯仰角和橫滾角，根據俯仰角和橫滾角，得到地垂線在載體坐標系下的坐標。根據地垂線在載體坐標系下的坐標，可驅動動中通天線以固定仰角繞地垂線旋轉，在海面風浪很大的情況下，天線旋轉不超過一圈即可捕獲衛星。本專利技術方法中引入的偽航向是在未知海泊態載體航向的情況下，將載體航向設定為任意值。在地速為0，忽略地球自轉的情況下，基于卡爾曼濾波的INS/GPS組合導航算法得到的水平姿態角(俯仰角和橫滾角)與航向無關。本專利技術方法的主要步驟如下：(1)在海泊態載體(船只)上同時安裝MEMS慣導、GNSS和動中通，其中MEMS慣導和GNSS構成組合導航系統。組合導航系統將GNSS輸出的載體速度和位置信息，以及MEMS慣導輸出的載體速度和位置信息進行組合，構成卡爾曼濾波的量測量，通過卡爾曼濾波組合導航算法，以固定的濾波周期修正MEMS慣導的導航姿態。基于卡爾曼濾波的組合導航算法具體可參見2012年西北工業大學出版社出版的，由秦永元，張洪鉞，汪淑華編著的《卡爾曼濾波與組合導航原理(第2版)》一書。(2)在海泊態下，載體速度近似等于0，假設載體的初始航向角、俯仰角、橫滾角均為0；再通過步驟(1)中的卡爾曼濾波方法修正載體的俯仰角和橫滾角，但不修正航向角，航向角由慣導解算得到。由于該航向角的初始航向設為0，在卡爾曼濾波過程中，該航向角處于無修正的自由狀態，并不是真正的航向角，故稱之為偽航向，與該航向角對應的導航系稱為偽導航系。(3)根據步驟(2)中得出的載體航向角(利用MEMS慣導的實時解算值)、俯仰角、橫滾角計算地垂線在載體坐標系下的坐標。載體坐標系的定義同下面的MEMS慣導本體坐標系。地理坐標系的原點位于載體的質心，x軸指向當地的東向，y軸指向當地的北向，z軸指向天。記地垂線的矢量方向在地理坐標系下的坐標為則地垂線在載體系下的坐標為其中是由步驟(2)中得到的載體橫滾角γ、俯仰角θ和偽航向角ψ構成的姿態轉換矩陣，g0為重力加速度的大小。(4)驅動動中通天線繞地垂線旋轉，搜索衛星方位。具體的搜索方法如圖2所示。圖中Sat表示衛星在空間中的位置。O-XYZ坐標系表示MEMS慣導本體坐標系(載體坐標系)b，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態搜星方法，其特征在于包括如下步驟：(1)在海上停泊的載體上同時安裝MEMS慣導、GNSS和動中通，其中MEMS慣導和GNSS構成組合導航系統；所述的組合導航系統將GNSS輸出的載體速度和位置信息，以及MEMS慣導輸出的載體速度和位置信息進行組合，構成卡爾曼濾波的量測量，通過卡爾曼濾波組合導航算法，以固定的濾波周期修正MEMS慣導的俯仰角和橫滾角；(2)利用MEMS慣導實時結算得到的航向角，以及卡爾曼濾波組合導航獲取的俯仰角和橫滾角，計算地垂線在載體坐標系下的坐標其中gn=00g0]]>為地垂線的矢量方向在地理坐標系下的坐標，g0為重力加速度的大小，Cnb=cos(γ)cos(ψ)+sin(γ)sin(ψ)sin(θ)-cos(γ)sin(ψ)+sin(γ)cos(ψ)sin(θ)-sin(γ)cos(θ)sin(ψ)cos(θ)cos(ψ)cos(θ)sin(θ)sin(γ)cos(ψ)-cos(γ)sin(ψ)sin(θ)-sin(γ)sin(ψ)-cos(γ)cos(ψ)sin(θ)cos(γ)cos(θ),]]>γ、θ和ψ分別為橫滾角、俯仰角和航向角；所述的地理坐標系的原點位于載體質心，三軸分別指向當地的東、北、天；所述的載體坐標系的原點位于載體的質心，OX軸和OY軸與動中通天線底座安裝基準重合，OZ軸與動中通天線方位軸重合；(3)驅動動中通天線繞地垂線以γ3為錐頂角，以γ0＝0為起始位置進行圓錐旋轉一周，將旋轉過程中衛星信標強度最大時對應的天線指向作為動中通天線跟蹤衛星的指向，并驅動動中通天線繼續旋轉到衛星信標強度最大的方向；所述的OSatn為地理坐標系下載體的質心與衛星連線的矢量，γ0為動中通天線繞地垂線進行圓錐旋轉已經旋轉過的角度；(4)利用衛星信標強度最大時動中通天線的指向，反算出載體的航向角并修正MEMS慣導的航向角；(5)利用修正后MEMS慣導的航向角，以及卡爾曼濾波組合導航算法修正后的俯仰角和橫滾角，實現動中通天線對衛星的持續跟蹤。...

【技術特征摘要】
1.用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態搜星方法，其特征在于包括如下步驟：(1)在海上停泊的載體上同時安裝MEMS慣導、GNSS和動中通，其中MEMS慣導和GNSS構成組合導航系統；所述的組合導航系統將GNSS輸出的載體速度和位置信息，以及MEMS慣導輸出的載體速度和位置信息進行組合，構成卡爾曼濾波的量測量，通過卡爾曼濾波組合導航算法，以固定的濾波周期修正MEMS慣導的俯仰角和橫滾角；(2)利用MEMS慣導實時解算得到的航向角，以及卡爾曼濾波組合導航獲取的俯仰角和橫滾角，計算地垂線在載體坐標系OXYZ下的坐標其中為地垂線的矢量方向在地理坐標系下的坐標，g0為重力加速度大小，γ、θ和ψ分別為橫滾角、俯仰角和航向角；所述的地理坐標系的原點位于載體質心，三軸分別指向當地的東、北、天；所述的載體坐標系OXYZ的原點O位于載體的質心，OX軸和OY軸與動中通天線底座安裝基準重合，OZ軸與動中通天線方位軸重合；(3)驅動動中通天線繞地...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙書倫，于清波，門吉卓，
申請(專利權)人：北京航天控制儀器研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11