用于動中通的偽航向的基于卡爾曼濾波的海泊態(tài)搜星方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種船載動中通的自動對星方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 同步衛(wèi)星的移動通信應(yīng)用俗稱"動中通"，是當(dāng)前衛(wèi)星通信領(lǐng)域需求旺盛、發(fā)展迅 速的應(yīng)用。"動中通"除了具有衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠 的優(yōu)點(diǎn)外，還真正實(shí)現(xiàn)了寬帶、移動通信的目的。
[0003] 目前，"動中通"系統(tǒng)在海泊搖擺態(tài)下搜星有兩種方案。第一種是不依靠慣導(dǎo)信息， 直接驅(qū)動動中通天線盲掃信標(biāo)信號，當(dāng)動中通天線掃到信標(biāo)信號后停止掃描，然后轉(zhuǎn)入其 特定的跟蹤算法跟蹤衛(wèi)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(tài)下， 海面風(fēng)浪造成船體搖擺，使得該方案對星相當(dāng)困難。第二種是依靠慣導(dǎo)自對準(zhǔn)的對星方法。 這種方法的特點(diǎn)是在海泊搖擺態(tài)下，慣導(dǎo)首先進(jìn)行自對準(zhǔn)，慣導(dǎo)自對準(zhǔn)后，再根據(jù)慣導(dǎo)的姿 態(tài)信息驅(qū)動動中通天線對星，但這種方案需要慣導(dǎo)具備較高的精度，成本較高。而對于基于 較低成本的MEMS慣導(dǎo)的動中通海泊搖擺態(tài)動態(tài)對星，目前尚且沒有快速、成熟、穩(wěn)定的方 案。由于MEMS慣導(dǎo)沒有有效的自對準(zhǔn)方法，基于MEMS慣導(dǎo)的動中通基本靠盲掃方式來驅(qū) 動動中通天線搜索衛(wèi)星，因此很難在較大海上風(fēng)浪情況下快速完成對星。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于動中通的偽航 向的海泊動態(tài)搜星方法，在海上船舶航向角未知的情況下，直接假設(shè)橫滾角和俯仰角為0， 通過基于卡爾曼濾波的組合導(dǎo)航算法對橫滾角和俯仰角的不斷修正，同時通過計(jì)算任意時 刻地垂線在載體系下的坐標(biāo)，通過伺服系統(tǒng)快速驅(qū)動動中通天線繞地垂線旋轉(zhuǎn)，使動中通 天線旋轉(zhuǎn)不超過一圈，就可以快速捕獲衛(wèi)星；在此基礎(chǔ)上通過反算載體航向角來修正頂U(kuò) 的方位角，并根據(jù)IMU的姿態(tài)信息和GNSS提供的位置信息控制動中通天線鎖定衛(wèi)星。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)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(tài)搜星 方法，包括如下步驟：
[0006] (1)在海上停泊的載體上同時安裝MEMS慣導(dǎo)、GNSS和動中通，其中MEMS慣導(dǎo)和 GNSS構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)；所述的組合導(dǎo)航系統(tǒng)將GNSS輸出的載體速度和位置信息，以及 MEMS慣導(dǎo)輸出的載體速度和位置信息進(jìn)行組合，構(gòu)成卡爾曼濾波的量測量，通過卡爾曼濾 波組合導(dǎo)航算法，以固定的濾波周期修正MEMS慣導(dǎo)的俯仰角和橫滾角；
[0007] (2)利用MEMS慣導(dǎo)實(shí)時結(jié)算得到的航向角，以及卡爾曼濾波組合導(dǎo)航獲取的俯仰 角和橫滾角，計(jì)算地垂線在載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為地垂線的矢 量方向在地理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，g。為重力加速度的大小，
[0008] CN 105116430 A 說明書 2/6 頁
γ、Θ和Φ分別為橫滾角、俯仰角和航向角；所述的地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于載體質(zhì)心，三軸 分別指向當(dāng)?shù)氐臇|、北、天；所述的載體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于載體的質(zhì)心，OX軸和OY軸與動中 通天線底座安裝基準(zhǔn)重合，OZ軸與動中通天線方位軸重合；
[0009] (3)驅(qū)動動中通天線繞地垂線以丫3為錐頂角，以γ。= 0為起始位置進(jìn)行 圓錐旋轉(zhuǎn)一周，將旋轉(zhuǎn)過程中衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)度最大時對應(yīng)的天線指向作為動中通天線 跟蹤衛(wèi)星的指向，并驅(qū)動動中通天線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)度最大的方向；所述的
> OSatn為地理坐標(biāo)系下載體的質(zhì)心與衛(wèi)星連線的矢量，γ。為動中 通天線繞地垂線進(jìn)行圓錐旋轉(zhuǎn)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)過的角度；
[0010] (4)利用衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)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(dǎo)的航向角；
[0011] (5)利用修正后MEMS慣導(dǎo)的航向角，以及卡爾曼濾波組合導(dǎo)航算法修正后的俯仰 角和橫滾角，實(shí)現(xiàn)動中通天線對衛(wèi)星的持續(xù)跟蹤。
[0012] 所述的γ。為矢量s J1和矢量s j之間的夾角，S1O矢量表不重力加速度矢量，平 面S1-X1S與OS1垂直，S A是O-Z-S i平面與平面S ^X1S的交線，S為以γ 3為錐頂角的圓錐 面與平面S1-X1S的交線上的任意一點(diǎn)，0為載體坐標(biāo)系的原點(diǎn)。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0014] (1)本發(fā)明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(zhuǎn)角速度 情況下，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的水平姿態(tài)誤差與航向無關(guān)的特點(diǎn)，在海泊態(tài)下，不依賴載體航向， 通過基于卡爾曼濾波的組合導(dǎo)航算法直接獲取載體的水平姿態(tài)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合偽航向， 獲取地垂線矢量，并驅(qū)動天線繞地垂線矢量旋轉(zhuǎn)搜索到衛(wèi)星信號，由此實(shí)現(xiàn)在了海泊態(tài)載 體航向未知的情況下快速準(zhǔn)確的搜索到衛(wèi)星信號；
[0015] (2)本發(fā)明方法中，得到海泊態(tài)下任意時刻載體水平姿態(tài)角后，即可得到任意時刻 地垂線在載體系中的位置，再驅(qū)動天線繞地垂線以指定的仰角旋轉(zhuǎn)，即可使天線在海泊態(tài) 下旋轉(zhuǎn)不超過一圈就能找到衛(wèi)星方位，提高了衛(wèi)星搜索的速度和準(zhǔn)確性；
[0016] (3)本發(fā)明方法解決了低成本動中通在海泊搖擺態(tài)下快速對星的難題，與現(xiàn)有盲 掃的方案相比，在較大海上風(fēng)浪情況下仍可以快速準(zhǔn)確的搜索到衛(wèi)星信號，相對于依靠慣 導(dǎo)自對準(zhǔn)的方法，可以不使用成本較高的高精度慣導(dǎo)即可快速準(zhǔn)確對星，降低了動中通系 統(tǒng)的成本，提高了可靠性，為基于較低成本的MEMS慣導(dǎo)的船載動中通海泊搖擺態(tài)動態(tài)對星 提供了一種可行的解決方案。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明搜尋衛(wèi)星的幾何矢量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。本發(fā)明方法采用頂U(kuò)/GNSS組合導(dǎo)航算法 得到海泊態(tài)載體的俯仰角和橫滾角，根據(jù)俯仰角和橫滾角，得到地垂線在載體坐標(biāo)系下的 坐標(biāo)。根據(jù)地垂線在載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，可驅(qū)動動中通天線以固定仰角繞地垂線旋轉(zhuǎn)，在 海面風(fēng)浪很大的情況下，天線旋轉(zhuǎn)不超過一圈即可捕獲衛(wèi)星。
[0020] 本發(fā)明方法中引入的偽航向是在未知海泊態(tài)載體航向的情況下，將載體航向設(shè)定 為任意值。在地速為〇,忽略地球自轉(zhuǎn)的情況下，基于卡爾曼濾波的INS/GPS組合導(dǎo)航算法 得到的水平姿態(tài)角（俯仰角和橫滾角）與航向無關(guān)。
[0021] 本發(fā)明方法的主要步驟如下：
[0022] (1)在海泊態(tài)載體（船只）上同時安裝MEMS慣導(dǎo)、GNSS和動中通，其中MEMS慣導(dǎo) 和GNSS構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)將GNSS輸出的載體速度和位置信息，以及MEMS 慣導(dǎo)輸出的載體速度和位置信息進(jìn)行組合，構(gòu)成卡爾曼濾波的量測量，通過卡爾曼濾波組 合導(dǎo)航算法，以固定的濾波周期修正MEMS慣導(dǎo)的導(dǎo)航姿態(tài)。
[0023] 基于卡爾曼濾波的組合導(dǎo)航算法具體可參見2012年西北工業(yè)大學(xué)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(dǎo)航原理（第2版）》一書。
[0024] (2)在海泊態(tài)下，載體速度近似等于0,假設(shè)載體的初始航向角、俯仰角、橫滾角均 為〇;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(dǎo)解算得到。由于該航向角的初始航向設(shè)為〇,在卡爾曼濾波過程中，該航向角 處于無修正的自由狀態(tài)，并不是真正的航向角，故稱之為偽航向，與該航向角對應(yīng)的導(dǎo)航系 稱為偽導(dǎo)航系。
[0025] (3)根據(jù)步驟⑵中得出的載體航向角（利用MEMS慣導(dǎo)的實(shí)時解算值）、俯仰角、 橫滾角計(jì)算地垂線在載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
[0026] 載體坐標(biāo)系的定義同下面的MEMS慣導(dǎo)本體坐標(biāo)系。
[0027] 地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于載體的質(zhì)心，X軸指向當(dāng)?shù)氐臇|向，y軸