用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法技术

用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法，在载体航向未知的情况下，假定载体航向初值为0，利用直接固定在载体上的MEMS IMU和GNSS组合导航测量载体水平姿态角，确定地垂线在载体坐标系下的矢量分量，再驱动动中通天线绕地垂线旋转扫描卫星方位。扫描到卫星方位后，再反算真实的载体航向，反算载体航向后，再由组合导航系统控制动中通天线锁定卫星。本发明专利技术方法解决了低成本动中通在海泊摇摆态下快速对星的难题，为基于较低成本的MEMS惯导的船载动中通海泊摇摆态动态对星提供了一种可行的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法
本专利技术属于组合导航
，涉及一种船载动中通的自动对星方法。
技术介绍
同步卫星的移动通信应用俗称“动中通”，是当前卫星通信领域需求旺盛、发展迅速的应用。“动中通”除了具有卫星通信覆盖区域广、不受地形地域限制、传输线路稳定可靠的优点外，还真正实现了宽带、移动通信的目的。目前，“动中通”系统在海泊摇摆态下搜星有两种方案。第一种是不依靠惯导信息，直接驱动动中通天线盲扫信标信号，当动中通天线扫到信标信号后停止扫描，然后转入其特定的跟踪算法跟踪卫星。这种方法在载体静止的情况下颇为有效，但是在海泊摇摆态下，海面风浪造成船体摇摆，使得该方案对星相当困难。第二种是依靠惯导自对准的对星方法。这种方法的特点是在海泊摇摆态下，惯导首先进行自对准，惯导自对准后，再根据惯导的姿态信息驱动动中通天线对星，但这种方案需要惯导具备较高的精度，成本较高。而对于基于较低成本的MEMS惯导的动中通海泊摇摆态动态对星，目前尚且没有快速、成熟、稳定的方案。由于MEMS惯导没有有效的自对准方法，基于MEMS惯导的动中通基本靠盲扫方式来驱动动中通天线搜索卫星，因此很难在较大海上风浪情况下快速完成对星。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于动中通的伪航向的海泊动态搜星方法，在海上船舶航向角未知的情况下，直接假设横滚角和俯仰角为0，通过基于卡尔曼滤波的组合导航算法对横滚角和俯仰角的不断修正，同时通过计算任意时刻地垂线在载体系下的坐标，通过伺服系统快速驱动动中通天线绕地垂线旋转，使动中通天线旋转不超过一圈，就可以快速捕获卫星；在此基础上通过反算载体航向角来修正IMU的方位角，并根据IMU的姿态信息和GNSS提供的位置信息控制动中通天线锁定卫星。本专利技术的技术解决方案是：用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法，包括如下步骤：(1)在海上停泊的载体上同时安装MEMS惯导、GNSS和动中通，其中MEMS惯导和GNSS构成组合导航系统；所述的组合导航系统将GNSS输出的载体速度和位置信息，以及MEMS惯导输出的载体速度和位置信息进行组合，构成卡尔曼滤波的量测量，通过卡尔曼滤波组合导航算法，以固定的滤波周期修正MEMS惯导的俯仰角和横滚角；(2)利用MEMS惯导实时结算得到的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航获取的俯仰角和横滚角，计算地垂线在载体坐标系下的坐标其中为地垂线的矢量方向在地理坐标系下的坐标，g0为重力加速度的大小，γ、θ和ψ分别为横滚角、俯仰角和航向角；所述的地理坐标系的原点位于载体质心，三轴分别指向当地的东、北、天；所述的载体坐标系的原点位于载体的质心，OX轴和OY轴与动中通天线底座安装基准重合，OZ轴与动中通天线方位轴重合；(3)驱动动中通天线绕地垂线以γ3为锥顶角，以γ0＝0为起始位置进行圆锥旋转一周，将旋转过程中卫星信标强度最大时对应的天线指向作为动中通天线跟踪卫星的指向，并驱动动中通天线继续旋转到卫星信标强度最大的方向；所述的OSatn为地理坐标系下载体的质心与卫星连线的矢量，γ0为动中通天线绕地垂线进行圆锥旋转已经旋转过的角度；(4)利用卫星信标强度最大时动中通天线的指向，反算出载体的航向角并修正MEMS惯导的航向角；(5)利用修正后MEMS惯导的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航算法修正后的俯仰角和横滚角，实现动中通天线对卫星的持续跟踪。所述的γ0为矢量S1X1和矢量S1S之间的夹角，S1O矢量表示重力加速度矢量，平面S1-X1S与OS1垂直，S1X1是O-Z-S1平面与平面S1-X1S的交线，S为以γ3为锥顶角的圆锥面与平面S1-X1S的交线上的任意一点，O为载体坐标系的原点。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法通过引入伪航向，利用了在载体地速为0时，忽略地球自转角速度情况下，组合导航系统的水平姿态误差与航向无关的特点，在海泊态下，不依赖载体航向，通过基于卡尔曼滤波的组合导航算法直接获取载体的水平姿态，在此基础上结合伪航向，获取地垂线矢量，并驱动天线绕地垂线矢量旋转搜索到卫星信号，由此实现在了海泊态载体航向未知的情况下快速准确的搜索到卫星信号；(2)本专利技术方法中，得到海泊态下任意时刻载体水平姿态角后，即可得到任意时刻地垂线在载体系中的位置，再驱动天线绕地垂线以指定的仰角旋转，即可使天线在海泊态下旋转不超过一圈就能找到卫星方位，提高了卫星搜索的速度和准确性；(3)本专利技术方法解决了低成本动中通在海泊摇摆态下快速对星的难题，与现有盲扫的方案相比，在较大海上风浪情况下仍可以快速准确的搜索到卫星信号，相对于依靠惯导自对准的方法，可以不使用成本较高的高精度惯导即可快速准确对星，降低了动中通系统的成本，提高了可靠性，为基于较低成本的MEMS惯导的船载动中通海泊摇摆态动态对星提供了一种可行的解决方案。附图说明图1为本专利技术方法的流程框图；图2为本专利技术搜寻卫星的几何矢量图。具体实施方式如图1所示，为本专利技术方法的流程框图。本专利技术方法采用IMU/GNSS组合导航算法得到海泊态载体的俯仰角和横滚角，根据俯仰角和横滚角，得到地垂线在载体坐标系下的坐标。根据地垂线在载体坐标系下的坐标，可驱动动中通天线以固定仰角绕地垂线旋转，在海面风浪很大的情况下，天线旋转不超过一圈即可捕获卫星。本专利技术方法中引入的伪航向是在未知海泊态载体航向的情况下，将载体航向设定为任意值。在地速为0，忽略地球自转的情况下，基于卡尔曼滤波的INS/GPS组合导航算法得到的水平姿态角(俯仰角和横滚角)与航向无关。本专利技术方法的主要步骤如下：(1)在海泊态载体(船只)上同时安装MEMS惯导、GNSS和动中通，其中MEMS惯导和GNSS构成组合导航系统。组合导航系统将GNSS输出的载体速度和位置信息，以及MEMS惯导输出的载体速度和位置信息进行组合，构成卡尔曼滤波的量测量，通过卡尔曼滤波组合导航算法，以固定的滤波周期修正MEMS惯导的导航姿态。基于卡尔曼滤波的组合导航算法具体可参见2012年西北工业大学出版社出版的，由秦永元，张洪钺，汪淑华编著的《卡尔曼滤波与组合导航原理(第2版)》一书。(2)在海泊态下，载体速度近似等于0，假设载体的初始航向角、俯仰角、横滚角均为0；再通过步骤(1)中的卡尔曼滤波方法修正载体的俯仰角和横滚角，但不修正航向角，航向角由惯导解算得到。由于该航向角的初始航向设为0，在卡尔曼滤波过程中，该航向角处于无修正的自由状态，并不是真正的航向角，故称之为伪航向，与该航向角对应的导航系称为伪导航系。(3)根据步骤(2)中得出的载体航向角(利用MEMS惯导的实时解算值)、俯仰角、横滚角计算地垂线在载体坐标系下的坐标。载体坐标系的定义同下面的MEMS惯导本体坐标系。地理坐标系的原点位于载体的质心，x轴指向当地的东向，y轴指向当地的北向，z轴指向天。记地垂线的矢量方向在地理坐标系下的坐标为则地垂线在载体系下的坐标为其中是由步骤(2)中得到的载体横滚角γ、俯仰角θ和伪航向角ψ构成的姿态转换矩阵，g0为重力加速度的大小。(4)驱动动中通天线绕地垂线旋转，搜索卫星方位。具体的搜索方法如图2所示。图中Sat表示卫星在空间中的位置。O-XYZ坐标系表示MEMS惯导本体坐标系(载体坐标系)b，本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在海上停泊的载体上同时安装MEMS惯导、GNSS和动中通，其中MEMS惯导和GNSS构成组合导航系统；所述的组合导航系统将GNSS输出的载体速度和位置信息，以及MEMS惯导输出的载体速度和位置信息进行组合，构成卡尔曼滤波的量测量，通过卡尔曼滤波组合导航算法，以固定的滤波周期修正MEMS惯导的俯仰角和横滚角；(2)利用MEMS惯导实时结算得到的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航获取的俯仰角和横滚角，计算地垂线在载体坐标系下的坐标其中gn=00g0]]>为地垂线的矢量方向在地理坐标系下的坐标，g0为重力加速度的大小，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分别为横滚角、俯仰角和航向角；所述的地理坐标系的原点位于载体质心，三轴分别指向当地的东、北、天；所述的载体坐标系的原点位于载体的质心，OX轴和OY轴与动中通天线底座安装基准重合，OZ轴与动中通天线方位轴重合；(3)驱动动中通天线绕地垂线以γ3为锥顶角，以γ0＝0为起始位置进行圆锥旋转一周，将旋转过程中卫星信标强度最大时对应的天线指向作为动中通天线跟踪卫星的指向，并驱动动中通天线继续旋转到卫星信标强度最大的方向；所述的OSatn为地理坐标系下载体的质心与卫星连线的矢量，γ0为动中通天线绕地垂线进行圆锥旋转已经旋转过的角度；(4)利用卫星信标强度最大时动中通天线的指向，反算出载体的航向角并修正MEMS惯导的航向角；(5)利用修正后MEMS惯导的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航算法修正后的俯仰角和横滚角，实现动中通天线对卫星的持续跟踪。...

【技术特征摘要】
1.用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在海上停泊的载体上同时安装MEMS惯导、GNSS和动中通，其中MEMS惯导和GNSS构成组合导航系统；所述的组合导航系统将GNSS输出的载体速度和位置信息，以及MEMS惯导输出的载体速度和位置信息进行组合，构成卡尔曼滤波的量测量，通过卡尔曼滤波组合导航算法，以固定的滤波周期修正MEMS惯导的俯仰角和横滚角；(2)利用MEMS惯导实时解算得到的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航获取的俯仰角和横滚角，计算地垂线在载体坐标系OXYZ下的坐标其中为地垂线的矢量方向在地理坐标系下的坐标，g0为重力加速度大小，γ、θ和ψ分别为横滚角、俯仰角和航向角；所述的地理坐标系的原点位于载体质心，三轴分别指向当地的东、北、天；所述的载体坐标系OXYZ的原点O位于载体的质心，OX轴和OY轴与动中通天线底座安装基准重合，OZ轴与动中通天线方位轴重合；(3)驱动动中通天线绕地...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵书伦，于清波，门吉卓，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11