基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法与流程

本发明涉及组合姿态测量领域，尤其涉及基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法。

背景技术：

现有技术常采用陀螺仪和加速度计相结合，并通过导航信息修正航向的方法。由于陀螺仪动态性能好，但由于其存在零漂，经过长时间累积，姿态估算将不准确，而加速度计测量值随时间变化较小，因此通常将陀螺仪和加速度计结合，采用互补滤波器或扩展卡尔曼滤波估算姿态。

现有技术采用导航信息进行航向修正，而惯性导航设备得到准确航向要求设备在单位时间内得到不同载体位置信息，即要求载体运动，因而当载体静止或者低速时，惯性导航信息不准确；若需在载体静止时提高惯导导航信息准确度，需采用双天线测向接收机，其原理：利用前后天线卫星信号进行自身位置信息解算，结合卫星接收天线间距不变的条件，估算航向角，采用双天线的安装间隔(基线)有距离要求，一般满足精度要求的基线在0.6米以上，对小型的动中通无法部署；在某些特性情况，如作战环境下，若需卫星动中通进行通信，此时惯性导航信息可能被干扰或是引导，将导致航向无法修正而使卫星动中通最终不可用。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法，包括以下步骤：

(1)通过三轴陀螺传感器采集载体x轴、y轴和z轴的角速度，并对角速度积分获得三轴角度变化；

(2)通过三轴加速度传感器采集载体x轴、y轴和z轴的加速度；

(3)通过卫星信号强度检测模块对天线束波指向卫星方向的信号强度进行检测，并对信号强度进行解调后获得航向误差和俯仰角误差；

(4)通过姿态融合模块对三轴角速度变化、加速度变化和卫星信号强度进行姿态融合，得到姿态的估算值；

(5)通过姿态的估算值控制天线电机对卫星进行跟踪，再将跟踪卫星检测的信号强度信息反馈至姿态融合模块进行姿态融合，形成闭环。

具体地，上述步骤(3)中包括以下步骤：

(a)通过天线实现圆锥扫描，即通过设置有偏焦且高速旋转的馈源的天线发射一个偏离等信号轴的旋转束波；

(b)获取卫星信号强度，即信号的电压振幅U，其计算公式如下：

β²＝α²+θ²-2×a×θ×cos(φ-φ₀)

U＝KF²(β)

其中，当目标卫星S偏离轴线时，通过目标S做垂直于等信号轴的平面，平面与等信号轴的交点为O，波束最大偏离方向与平面的交点为B，地球天线位置点位G，过平面点0做一条平行于地平面的直线，并与平面相交于M、N点，则有：误差角θ为∠OGS，波束偏角α为∠OGB，波束中心线与视线夹角β为∠SGB，夹角φ₀为∠S0N,夹角φ为∠B0N,F(β)为天线方向性图，K为比例系数；

(c)对卫星信号强度进行旋转频率调制，被调信号经归一化，并在解调器中进行正交解调，获取航向误差ε_a和俯仰误差角ε_p：

其中：U_m：目标偏离等信号轴的信号电压大小；

U₀：误差为零时的信号电压振幅，θ＝0；

优选地，上述步骤中设定三种坐标系：

地理坐标系：原点位于载体重心，x_n轴指向东，y_n轴指向北，z_n轴指向天；

载体坐标系：原点位于载体重心，x_b轴沿载体横轴指向右，y_b轴沿载体纵轴指向前，z_b轴指向上；

天线坐标系：原点位于天线重心，x_t轴沿天线横轴指向右，y_t轴沿天线中心轴方向，z_t轴符合右手定则；

在进行圆锥扫描时，需要将天线电机控制天线的中心轴对准目标，使目标矢量在天线坐标系内位于y_t轴；

当载体处于静止状态时，载体坐标系与地理坐标系重合，通过坐标系变换将目标矢量从地理坐标系变换至天线坐标系；

当载体处于运动状态时，先将目标矢量从地理坐标系变换至载体坐标系，再将目标矢量从载体坐标系变换至天线坐标系。

本发明的有益效果在于：

本发明基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法采用卫星信号强度进行航向修正，不论载体处于静止或运动，只要卫星动中通处于对星状态，便可根据接收的卫星信号强度，检测出天线波束指向与卫星方向的误差，反馈给惯导进行航向修正，并且与天线电机之间形成闭环控制，降低对惯导姿态估算准确度的要求。

附图说明

图1是本发明所述基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法的原理图；

图2是本发明所述圆锥扫描示意图；

图3是本发明所述的载体处于静止状态时坐标系转换示意图；

图4是本发明所述的载体处于运动状态时坐标系转换示意图，图示为地理坐标系变换至载体坐标系；

图5是本发明所述的载体处于运动状态时坐标系转换示意图，图示为载体坐标系变换至天线坐标系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明一种基于卫星通信的组合惯导姿态计算方法主要原理如图1所示，通过三轴陀螺传感器采样的角速度经过积分得到的姿态，融合三轴加速度传感器测量的重力信息和通过卫星信号强度检测模块检测到的方位和俯仰误差信息，得到姿态的估算值，用于控制天线进行卫星跟踪，再将跟踪卫星检测的信号强度信息反馈给惯导进行姿态融合，形成闭环。

设定三种坐标系：

地理坐标系：原点位于载体重心，x_n轴指向东，y_n轴指向北，z_n轴指向天；

载体坐标系：原点位于载体重心，x_b轴沿载体横轴指向右，y_b轴沿载体纵轴指向前，z_b轴指向上；

天线坐标系：原点位于天线重心，x_t轴沿天线横轴指向右，y_t轴沿天线中心轴方向，z_t轴符合右手定则；

(1)通过三轴陀螺传感器采集载体在地理坐标系中的x轴、y轴和z轴的角速度，并对角速度积分获得三轴角度变化；

(2)通过三轴加速度传感器采集载体在地理坐标系中的x轴、y轴和z轴的加速度；

(3)根据载体的运动状态，根据图3、图4和图5将坐标系转换至天线坐标系，使天线的中心轴始终对准目标卫星，即目标矢量在天线坐标系内位于y_t轴；

(4)通过天线实现圆锥扫描，即通过设置有偏焦且高速旋转的馈源的天线发射一个偏离等信号轴的旋转束波；再通过卫星信号强度检测模块对天线束波指向卫星方向的信号强度进行检测获取信号的电压振幅U，并对信号强度进行解调后获得航向误差ε_a和俯仰误差角ε_p：

β²＝α²+θ²-2×a×θ×cos(φ-φ₀)

U＝KF²(β)

(5)通过姿态融合模块对三轴角速度变化、加速度变化和卫星信号强度进行姿态融合，得到姿态的估算值；

(6)通过姿态的估算值控制天线电机对卫星进行跟踪，再将跟踪卫星检测的信号强度信息反馈至姿态融合模块进行姿态融合，形成闭环。

采用上述方法时可随时进行航向修正，提高航向角估算准确度；因此与现有技术在载体静止或低速时导航信息不可靠相比，本方法中无论载体是否运动，反馈的卫星信号信息都是可靠的，姿态估算更准确。

同时可以减少设备，降低对硬件的要求，节约成本。现有技术需要导航设备来修正姿态，而本发明中利用动中通本身的卫星信号信息修正姿态，无需另外添加导航设备。

现有技术对整体动中通控制系统而言是开环控制，要求惯导估算准确的姿态；而本发明因融合卫星信号信息，形成闭环控制，降低对惯导姿态估算准确度的要求。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。