基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及其姿態(tài)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及載體姿態(tài)測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種基于單軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng) 傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及其姿態(tài)測(cè)量方法，尤其適用于衛(wèi)星靜中通通信、快速部署的低速 度運(yùn)動(dòng)（時(shí)速不超過(guò)20km)車載衛(wèi)星動(dòng)中通通信等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信由于覆蓋范圍廣，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以為地面固定、地面移動(dòng)、航 空和海事用戶提供無(wú)縫隙的通信服務(wù)。按照我國(guó)2013年由工業(yè)和信息化部無(wú)線電管理局 發(fā)布的《衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信網(wǎng)內(nèi)設(shè)置使用移動(dòng)平臺(tái)地球站管理暫行辦法》（以下簡(jiǎn)稱《辦 法》)規(guī)定，"移動(dòng)平臺(tái)地球站是指使用衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)C頻段或Ku頻段，安裝在機(jī)動(dòng)車、列車、 船舶、航空器等可移動(dòng)平臺(tái)上，可在移動(dòng)中或在停止?fàn)顟B(tài)下與衛(wèi)星進(jìn)行無(wú)線電通信的地球 站。移動(dòng)平臺(tái)地球站可分為車載、船載、機(jī)載、可搬移式或便攜式地球站等類型"?！掇k法》還 規(guī)定"移動(dòng)平臺(tái)地球站指向目標(biāo)衛(wèi)星天線主瓣軸的指向誤差應(yīng)小于0.2度。在工作中，一旦 指向目標(biāo)衛(wèi)星的天線主瓣軸誤差大于〇. 5度，應(yīng)該在100毫秒內(nèi)自動(dòng)停止一切信號(hào)發(fā)射，直 至誤差恢復(fù)至小于〇. 2度時(shí)，方可繼續(xù)發(fā)射信號(hào)。"
[0003] 一個(gè)典型的移動(dòng)平臺(tái)地球站至少應(yīng)包括：天線分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、 電源分系統(tǒng)。其中，控制分系統(tǒng)的功能主要在于實(shí)現(xiàn)終端姿態(tài)測(cè)量和天線指向保持，《辦法》 對(duì)控制分系統(tǒng)的控制精度提出了具體要求。對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)地球站而言，一般需要配備捷聯(lián) 式的測(cè)姿系統(tǒng)、GNSS模塊和衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)。捷聯(lián)式的測(cè)姿系統(tǒng)可以測(cè)量出移動(dòng)平臺(tái)地球 站的俯仰角、橫滾角和磁方位角，GNSS模塊可以測(cè)得移動(dòng)平臺(tái)地球站的地理位置和海拔高 度，結(jié)合通信衛(wèi)星的空間位置，控制分系統(tǒng)可以計(jì)算出移動(dòng)平臺(tái)地球站通信天線在自身軸 系上的方位軸角、俯仰軸角和極化軸角；衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)可以接收通信衛(wèi)星廣播的信標(biāo)信 號(hào)，信標(biāo)信號(hào)的電平值是通信天線精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的重要參考，可以通過(guò)細(xì)調(diào)移動(dòng)平臺(tái)地球 站的方位軸角和俯仰軸角來(lái)搜索最大的信標(biāo)電平值。
[0004] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器的配置方案較多的出現(xiàn)在 低成本的固定平臺(tái)地球站測(cè)姿系統(tǒng)中。目前常見(jiàn)的類似測(cè)姿模塊至少配備兩軸加速度傳感 器和三軸磁場(chǎng)傳感器。通常的雙軸加速度傳感器采用X-Y型配置方案，即：X軸和載體前進(jìn) 方向重合，Y軸指向載體前進(jìn)方向右側(cè)，在確定載體姿態(tài)的整個(gè)過(guò)程中，要保證X-Y型加速 度傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)，直接測(cè)量出載體的橫滾角和俯仰角，然后通過(guò)三軸磁場(chǎng)傳感器的 測(cè)量數(shù)據(jù)，解算出磁航向角。在此類測(cè)姿模塊工作的過(guò)程中，較小的前向加速度就會(huì)引起較 大的仰角誤差，例如：1m ? f的前向加速度將會(huì)導(dǎo)致約5. 7°俯仰角誤差，進(jìn)而降低橫滾角 測(cè)量精度，最終大大影響磁航向角測(cè)量的精度。同時(shí)，兩軸加速度傳感器引入了兩次測(cè)量噪 聲，會(huì)對(duì)傾角的測(cè)量精度帶來(lái)一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，提供一種基于單軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的姿態(tài)測(cè)量 系統(tǒng)及其姿態(tài)測(cè)量方法，適用于固定平臺(tái)和移動(dòng)平臺(tái)地球站。
[0006]經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，地面載體發(fā)生加減速運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度直接作用在載體前進(jìn)軸上，不會(huì) 影響與前進(jìn)軸正交布置的Z軸向加速度傳感器的測(cè)量。但由于地球自轉(zhuǎn)的影響，運(yùn)動(dòng)載體 還將受到哥氏加速度的作用。將哥氏加速度的計(jì)算加以適當(dāng)簡(jiǎn)化，默認(rèn)地球繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 速恒定不變，則哥氏加速度的大小與載體運(yùn)動(dòng)速度呈線性關(guān)系，方向與載體速度、地軸構(gòu)成 的平面正交。
[0007] 本發(fā)明提供的一種基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：加速度 傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器、GNSS模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；其特征在于，
[0008] 所述的加速度傳感器為與前進(jìn)軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器；用于測(cè)量 重力加速度分量，得到地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系；
[0009] 所述的三軸磁場(chǎng)傳感器，用于測(cè)量載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量陣列；
[0010] 所述的GNSS模塊，用于測(cè)量地理位置和海拔高度；
[0011] 所述的數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)位置信息查表獲取地磁場(chǎng)模、地磁傾角信息和地 磁偏角信息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè) 分量陣列最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。
[0012] 所述三軸磁場(chǎng)傳感器為磁通門傳感器或磁阻傳感器。
[0013] 所述加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的位置滿足以下方式：三軸磁場(chǎng)傳感器的X 軸和載體縱軸重合，且正方向和載體前進(jìn)方向重合，y軸和載體橫軸重合，且正方向指向載 體前進(jìn)方向的右側(cè)；z軸和x、y構(gòu)成右手坐標(biāo)系；加速度傳感器的z軸正方向和三軸磁場(chǎng)傳 感器的z軸正向平行。
[0014] 所述數(shù)據(jù)處理模塊為單片機(jī)、MCU或CPU。
[0015] 本申請(qǐng)利用和地面載體方位旋轉(zhuǎn)軸平行的單軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器 組成測(cè)量傳感器，其中，單軸加速度傳感器測(cè)量重力加速度分量，可以得到地面載體的橫滾 角和俯仰角的三角關(guān)系，但不能唯一的確定載體橫滾角和俯仰角；三軸磁場(chǎng)傳感器測(cè)量地 磁場(chǎng)在體坐標(biāo)系下的三個(gè)分量，可以列出三個(gè)和載體姿態(tài)角相關(guān)的方程，考慮到方程的相 關(guān)性，不能獨(dú)立解算出載體磁航向角、橫滾角和俯仰角。因此，為了達(dá)到解算載體姿態(tài)角的 目的，本發(fā)明提出一種利用單軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的姿態(tài)測(cè)量新方法，該方 法能夠在載體靜止或低速移動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)角的準(zhǔn)確解算。
[0016] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測(cè)量方法，該方法 中所述的加速度傳感器為與前進(jìn)軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器；所述的方法具體 包括以下步驟：
[0017] 步驟1)單軸加速度傳感器測(cè)量重力加速度在載體坐標(biāo)系Z軸向上的分量，得到地 面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系；
[0018] 步驟2)磁場(chǎng)傳感器的三軸正交工作，測(cè)試載體坐標(biāo)系上的地磁場(chǎng)三分量陣列；
[0019] 步驟3) GNSS模塊用來(lái)提供載體的地理位置信息和高程信息；
[0020] 步驟4)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)位置信息查表獲取地磁場(chǎng)模、地磁傾角信息和地磁偏角 信息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量陣 列最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。
[0021] 所述步驟1)的加速度傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)為數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)，該模擬信號(hào) 通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0022] 所述步驟1)的Z向加速度傳感器的輸出值是由重力加速度'、載體運(yùn)動(dòng)引起的離 心加速度a、科式加速度a。的投影分量組成；
[0023] A)對(duì)于靜止于地球表面的載體，a和a。兩項(xiàng)恒為〇;
[0024] B)載體存在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其中,美"由地心引力引