一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，已知运动载体的精确初始位置、固定或者移动的信标位置信息，基于定向天线的天线波束控制系统利用惯性测量组件或惯性导航系统辅助，在运动载体的运动过程中保持定向天线始终对准信标，输出对准时的运动载体姿态角及姿态角偏差；利用多普勒频移跟踪模块接收定向天线获得的信标信号，并测量获得信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息，修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，得到修正后的运动载体导航位置信息。本发明专利技术还提供了相应的导航装置，可实现在GPS/BD等导航定位系统失效的情况下，为车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体提供满足一定精度的导航定位信息。动载体提供满足一定精度的导航定位信息。动载体提供满足一定精度的导航定位信息。
【技术实现步骤摘要】
一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法和装置
[0001]本专利技术属于运动平台导航
，特别涉及一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法和装置。
技术介绍
[0002]目前车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体普遍采用惯性、卫星以及各种组合导航技术。然而GPS/BD等导航定位系统由于导航终端普遍采用全向天线(尽管已有各种抗干扰天线出现和应用)，非常容易被干扰和欺骗。在复杂环境和对抗环境下，各运动载体不能仅依赖卫星导航作为手段。惯性导航方式可以实现自主导航，但其误差会随时间积累，对于长时间、高精度导航来说其精度难以满足要求。当前无人系统发展迅速，智能化程度越来越高，对高精度抗干扰导航要求非常迫切。
技术实现思路
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，针对运动载体导航需求，本专利技术的目的在于提供一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法和装置，能够实现在GPS/BD等导航定位系统失效的情况下，利用地球同步通信卫星等固定或移动信标的位置和信标信号，在运动载体上进行信号处理，从而实现一种低成本的应急导航定位系统，满足车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体的一定精度导航定位信息。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，包括以下步骤：
[0006]S1：已知运动载体的精确初始位置、固定或者移动的信标位置信息，所述运动载体搭载有定向天线；
[0007]S2：基于所述定向天线的天线波束控制系统利用惯性测量组件或惯性导航系统辅助，在运动载体的运动过程中保持定向天线始终对准信标，输出对准时的运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差；
[0008]S3：利用多普勒频移跟踪模块接收定向天线获得的信标信号，并测量获得信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；
[0009]S4：基于定向天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、信标位置信息以及运动载体接收到的信标信号多普勒频率信息，修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。
[0010]本专利技术的一个实施例，所述S1中：
[0011]当固定或者移动的信标有多个时，选择使用多个定向天线，S2、S3中实现多个波束对准多个信标，并获得多个多普勒频率和波束指向信息；S4导航计算时利用多个多普勒频率和波束指向信息，提高修正的精度。
[0012]本专利技术所述运动载体可为导弹、飞机、舰船或车辆，所述固定的信标可为地球同步通信卫星，所述移动的信标可为地球非同步轨道通信卫星，所述定向天线可为反射面天线、
平板天线或相控阵天线。
[0013]本专利技术的一个实施例，所述S2中，包括以下步骤：
[0014]S2.1：在运动载体的运动过程中，在惯性测量组件或惯性导航系统的辅助下，获得运动载体的运动信息，即运动载体的经纬度信息、姿态角以及姿态角变化率；
[0015]S2.2：利用运动载体的经纬度信息、姿态角以及信标位置确定定向天线的天线波束在地理系的方位角A、俯仰角E、极化角V，并利用天线波束控制系统实现波束调整，使定向天线初步对向信标，实现信标信号的捕获；
[0016]S2.3：定向天线捕获到信标信号后，以信号极大值方式精对准信标，完成信标稳定跟踪，并得到精对准时定向天线的天线波束在地理系实际的方位角A
T
与俯仰角E
T
；
[0017]S2.4：实现波束跟踪后，根据方位角和俯仰角控制偏差信号，获得运动载体的姿态角偏差，所述运动载体的姿态角偏差即方位角A、俯仰角E与实际的方位角A
T
、俯仰角E
T
之间的偏差。
[0018]本专利技术的一个实施例，所述定向天线的天线波束在地理系的方位角A、俯仰角E、极化角V如下：
[0019][0020]其中，L为运动载体所在点的纬度，pi为π，λ为运动载体的经度，λ
s
为信标星下点的经度；
[0021]所述S2.3中，捕获信标信号后，对A、E进行精对准，即调制天线波束方向，直至接收到的信标信号能量最大，此时即认为实现了精对准，精对准后即得到定向天线的天线波束在地理系实际的方位角A
T
与俯仰角E
T
。
[0022]本专利技术的一个实施例，所述信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息包括真实的多普勒频率和多普勒频率误差δf，其中：
[0023][0024]δf＝δv
r
·
e
rs
·
c/f
carrier
＝δv
a
·
c/f
carrier
[0025]式中：v
r
是运动载体在ECEF(地心地固坐标系)坐标系中的速度，δv
r
是运动载体在ECEF坐标系中的速度误差，v
s
是信标在ECEF坐标系中的速度，e
rs
是运动载体到信标的视线方向在ECEF坐标系中的单位矢量，c是光速，f
carrier
是载波频率，δv
a
是运动载体在运动载体到卫星视频方向的速度误差。
[0026]本专利技术还提供了一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航装置，包括：
[0027]惯性测量组件或者惯性导航系统：搭载于运动载体，用于获取运动载体的运动信息，即运动载体经纬度信息、运动载体的姿态角以及姿态角变化率；
[0028]定向天线：搭载于运动载体，用于产生具有明显方向性的天线波束
[0029]波束控制模块：搭载于运动载体，利用运动载体经纬度信息、运动载体的姿态角以
及信标位置确定定向天线的方位角、俯仰角，并按照信号能量最大的原则控制波束调整，实现定向天线精准对信标；
[0030]多普勒频移跟踪模块：搭载于运动载体，完成信标信号的滤波、处理和多普勒频率跟踪，获得多普勒频移信息；
[0031]导航计算模块：搭载于运动载体，根据定向天线对准信标时的运动载体姿态角及姿态角偏差、信标位置信息、运动载体接收到的信标信号多普勒频率信息，修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，输出修正后的运动载体导航位置信息。
[0032]本专利技术的一个实施例，所述定向天线的主瓣用于接收信号，主瓣的宽度尽量窄并且增益高，天线覆盖频率应当能够满足接收跟踪信标信号的要求，副瓣应尽可能小以增强抗干扰性。
[0033]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：运动载体的初始精确位置和信标的位置为已知条件。惯性测量组件IMU或者惯性导航系统INS存在积累误差，但在短时间内其输出的运动载体经纬度信息、运动载体的姿态角以及姿态角变化率能够满足定向天线初步捕获信标信号；定向天线捕获到信标信号后，以波束控制模块以信号极大值方式自动对准信标，完成信标稳定跟踪，这种方式可以实现得到此时运动载体定向天线的指向信本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：已知运动载体的精确初始位置、固定或者移动的信标位置信息，所述运动载体搭载有定向天线；S2：基于所述定向天线的天线波束控制系统利用惯性测量组件或惯性导航系统辅助，在运动载体的运动过程中保持定向天线始终对准信标，输出对准时的运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差；S3：利用多普勒频移跟踪模块接收定向天线获得的信标信号，并测量获得信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；S4：基于定向天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、信标位置信息以及运动载体接收到的信标信号多普勒频率信息，修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。2.根据权利要求1所述基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，其特征在于，所述S1中：当固定或者移动的信标有多个时，选择使用多个定向天线，S2、S3中实现多个波束对准多个信标，并获得多个多普勒频率和波束指向信息；S4导航计算时利用多个多普勒频率和波束指向信息，提高修正的精度。3.根据权利要求1或2所述基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，其特征在于，所述运动载体为导弹、飞机、舰船、炮弹或车辆，所述固定的信标为地球同步通信卫星，所述移动的信标为地球非同步轨道通信卫星，所述定向天线为反射面天线、平板天线或相控阵天线。4.根据权利要求1所述基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，其特征在于，所述S2中，包括以下步骤：S2.1：在运动载体的运动过程中，在惯性测量组件或惯性导航系统的辅助下，获得运动载体的运动信息，即运动载体的经纬度信息、姿态角以及姿态角变化率；S2.2：利用运动载体的经纬度信息、姿态角以及信标位置确定定向天线的天线波束在地理系的方位角A、俯仰角E、极化角V，并利用天线波束控制系统实现波束调整，使定向天线初步对向信标，实现信标信号的捕获；S2.3：定向天线捕获到信标信号后，以信号极大值方式精对准信标，完成信标稳定跟踪，并得到精对准时定向天线的天线波束在地理系实际的方位角A
T
与俯仰角E
T
；S2.4：实现波束跟踪后，根据方位角和俯仰角控制偏差信号，获得运动载体的姿态角偏差，所述运动载体的姿态角偏差即方位角A、俯仰角E与实际的方位角A
T
、俯仰角E
T
之间的偏差。5.根据权利要求4所述基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，其特征在于，所述定向天线的天线波束在地理系的方位角A、俯仰角E、极化角V如下：
其中，L...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭金库，
申请(专利权)人：西安大衡天成信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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