中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究

中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究 文章编号,,, ,::,,,,,,:,,:,::,,:,,,, 中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究 ,付强文秦永元 ,,,西北工业大学 自动化学院陕西 西安 ,,::,, ,,。摘 要中低精度捷联惯导系统陀螺常值漂移 大在动中通系统中使用时无法完成自主对准在 建 立 惯 导 系 ,,统和天线控制系统坐标转换模型的基础上采用天线自主跟踪状态下输出的角度值反解车体航向在 不 增 加 外 部 。,。设备的条件下实现了中低精度捷联惯导系统初始对准仿真实验和车载实验结果明该方法正确有效 ,,,,关键词惯性导航动中通坐标转换初始对准 ,,,中图分类号 文献标识码 ,，,,,,,,,, ,～,:,,:,:,,:,,,;,,,，:,,::～,:,，,:,:,;,,;;,,,,,,,,,,,,，,,,,,!,,! ::,,～,:, :,,,, , ,,,,,;,，,:,～,,，, ,,,,! ,,,,’,::;;:,～:,,:,，:～,;,;,,:;:～,:,,,,;,,,,,,::,,:～,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,!! ,,’,,,,:,;:,～,;:,,:::,,,,,;:～;,,,;,,,:,,::～,:,，,:,,;,,;～;,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,, ,,!! ,,;,,～;,,～,;,, ,:,;,,;;::,,～,:,:,,,;;,,,,～,～;:::,,,;,,,:,,:, ,:,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,;,,;;,,，，,,,,,,,;,,,::,,,:,,,,;,,～;,;,,;,;,,,,,,,,;,,;,:,～,,:,,;,～:,:,,～;:,,～;,,,,,～,,,!,,,,!, :～,:,:～,,,,,,～,～:, ,,:～～,,,,～:～～,;,;:;,;,,;,,,,;,;,,，;,,,,;,,;,;,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,,,! ～;,,;,,,,,～;,,,～,,,,:,,;,～,,,,,,,;～,:,;,;,,,,;,,,,;,,～;;,,;:,,,;,;,,:,,～;,;,～:,, ,, ,,,, ，,:,,,:,,:,:,,～,:,::,,,:,:,,,,,;,,;,,,,,,,;,,,;,;::,,:,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,! ,近年来高精度的激光陀螺捷联惯导系统已逐 引言 :,,,,。 步应用在一些高端场合但因成本高而难以普及,,移动卫星通信系统动中通系统对卫星天线跟 中低精度的光纤陀螺捷联惯导系统主要存在两类缺 ,,踪提出了特 殊 要 求一 方 面 要 求 天 线 响 应 快在 桥 ,陷 、、、梁树木建筑物山体和隧道等遮挡后迅速完成对 ,卫星目标的重捕另一方面在载体剧烈扰动时能精 ,。长时间姿态和航向保持精度不满足要求, ,。确地自动跟踪卫星目标保证通信质量在动中通 ,,,陀螺零偏大不能自主估计初始航向角即 ,,天线控制系统中使用捷联惯导系统是解决上述问 。不具备自对准能力 ,,,。的理想选择 ,,,第类缺 陷 可 通 过 与 车 载 导 航 系 统 或 ,,,,高精度的动中通天线控制系统一般采用伪单脉 。,车载里程计 构 成组合导航系统得到解决第 类 , 。,冲单通道的自动跟踪模式该模式跟踪精度高但 ,缺陷通过附加外部航向测量设备解决如使用 ,,, ,信号一旦因遮挡或颠簸而丢失自身捕获卫星的时 双天线方位测量仪或在机载系统中使用磁航向传感 ,。间较长一般需数分钟捷联惯导系统提供车体的 ,器也可通过在惯导系统中增加转位机构进行双位 ,,姿态和航向信息可以迅速引导天线指向卫星目标 ,。置对准解决但都将增加成本和设备的复杂程度 ,当卫星进入天线电轴的半功率波束宽度内范围一本文在建立惯导系统辅助动中通天线控制系统 ,,般为天 线 控 制 系 统 自 动 根 据 信 息 最 大 化 原 理 ,?,模型的基础上采用天线自主跟踪状态下输出的码 ,捕获卫星目标而进入高精度自主跟踪状态从而极 ,盘值反解车体航向在不增加任何设备的情况下实 ,,,,,。 大地缩短重捕时间一旦天线控 制 系 统 进 入 自 。现了中低精度惯导的初始对准 ,。主跟踪状态便可不再使用惯导系统提供的信息 ,收稿日期 ,:,,:,:,,, ,,,,,,,。,,,,,,作者简介付强文男四川简阳人博士主要从事惯性导航和组合导航技术的研究秦永元男教授博士生导师主要 ,,,:,,,,,,。,。从事惯性导航系统及容错导航系统的研究 ，,,～,,,;,,,,,::,,,,,,,,, 付强文等,中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究第期 ,,, 。,处于静止状态同步卫星在地球赤道平面内运行 模型建立 ,,且绕地球旋转的周期和方向与地球自转一致故从 坐标系定义 ,,,。地球上看卫星是静止不动的 ,, 地理坐标系系,,,,, ,, 同步卫星轨道高度一般在左右, ～,,,,,，, 。 地理坐标系为东北天坐标系即原点位于车体,。 纬度为地球半径 若已知卫星 :,,,,,::: ,?,,旋转中心轴沿纬线方向指向东轴沿经线方向 , !,,,,,,所在经度为车体所在点的经纬高为则 ，～λ,λ,。指向北轴指向天 , ,,, 理想指向波束相对于车体所在点地理系的角度为 ,,车体坐标系系,,,,, , ,,。 车体坐标系采用右前上坐标系即原点位于车 ,,, ,,λ,, λ烄,,,,,π, ψ ,, ,,,,,，体旋转中心轴沿车体横轴指向右轴沿纵轴指 , ! ,, ,。 向前方轴沿竖轴向上,，～ ,,,熿燄:,:，, :,:,,λ λ,, ,,，， ,～～ ,,,,,θ, ,,车体天线坐标系系,,,,, , 烅,,,,,,,,::,::,，,λ 槡 ,燀燅本坐标系与车载天线波束固联以天线的质心 λ,, ,,为原点, 轴为天线电轴指向轴与电场矢量指向 ,,,,λ , ,, !λ,,,,γ, ,, ， ,,,烆,,重合即天线馈源矩形波导口窄边平行于车体平面 ,, ,、。轴与轴构成右手系 , , !,,,,,将 式车载惯导 系 统 可实 时提供姿态矩阵 :, ,,理想指向波束坐标系系,,,,, , , 以车体的旋转中心为原点, ,,,, ,轴指向所选定的 计算的代入式可求得转换矩阵,,! θγ , ,, ψ,,通信卫星轴与所选定 的 通 信 卫 星 的 极 化 方 向 一 ,。,要使车载天线波束精确指向通信卫星则天线 :, ,、。致 轴与轴构成右手系, , ! ,,,,坐标系应与理想指向波束坐标系 系 系重, , ,合即有 ,,,,地理系至车体坐标系的变换矩阵 系系, , , , ,,, : ,,::,, ,,,,由 俯 仰 角滚 转 角和 航 向 角 唯 一 确为 : θγ，，，, ψ, ,,, 式两边同时右乘矩阵 可得,:, 。 ,定根据坐标系旋转原理可知 ,, , , , ,,, ,, :,,::::,, , ,,,::,:,,,,，， ψψ 熿燄 ,,,,, ,,,, 熿 燄,,::,,, ， , :,,:,,,，，ψ ψψ, , 记 可求得码盘值,,, ,,,,,,:,, : :, 燀燅 ,,, ,,,,,, 燀 燅: ,: ,, 熿燄,, ,,, ,, θ ,,, 烄,,,, :::,,,,, :θθ,，，θ ,，,,,,,,, ,:γ,,,,,,, , ,,,, 烅: ,,,, θ，::,θ，燀 燅,,,,, ,,,,,,, ,,,,烆ψ ::,:,,,, γγ，， 熿燄,,,并 由惯导系统在 导 航 过 程 中提 供 实 时 的 :, , ,,,, :,,,,, :θ，,，γ,,、,,,式计算出码盘值车载天线稳定跟踪系统 ,,: :,:,:,,γ，γ， 燀燅,根据码盘值驱动控制电机即可保证车载天线始终 ,,,,,将式相乘则有 ,,:。对准通信卫星 ,,,,,,,,, ,,::::θ, ,，,，,， ψγ 根据码盘值求解初始航向 ,,,,,,,车体系与天线坐标系的关系可由 系系, , ,由于中低精度的惯导系统无自对准能力需通 ,俯仰码盘值极化码盘值和方位码盘值确 θ, γ, , ψ。 过外部输入航向进行对准天线控制系统在高精度 ,,,定将码盘值代入式可得, ,。自主跟踪时可提供码盘值进而求出车体航向 ,,,,,,,,, ,:::,:θ, ,, ,, ,, ψγ模型推导前首先应区分线极化卫星和圆极化卫 ,,,,地理系与理想波束坐标系的关系系系 , , 。 星的差别极化匹配是接收天线的极化方向应与电 、,可由俯仰角极化角和方位角确定代入式θ,γ, , ,波的极化方向一致这时接收天线能接收电波的全 ψ ,,可得 ,。 部能量若接收天线的极化方向与电波的极化方向 ,,,,,,,,, :,:::,,,θ不一 致 时则 为 极 化 失 配这 时 只 能 接 收 部 分 能 , ,,,,,, ψγ,,, 根据惯导信息求解天线码盘值 。,,,,量对于线极化卫星锁定状态下的天线 码 盘 值 ,通信与广播卫星为地球同步卫星相对于地球 压 电 与声光年 ,,,:,, ,? ,。,均为准确值对于圆极化卫星极化::,,,, θ,θ, γ, ,, ψψ 熿燄, , ?,, ,, ,角为任意值 接收到的能量均相等即可 为 任 意 ::,::, ,::θ, ,γ, , , θγ，， ψ,,。值故在 圆 极 化 情 况 下不 可 用节 所 述 模 ,,,γ, ,,,, θ 燀燅,。 型不能用来反解车体航向角需重新建立模型，ψ?:,:,,,θ,, ψ 熿燄,在惯导系统对准前动中通设备首先自主搜索 ,,?,, :::,::,,,θ,,,， ψψ,通信卫星然后根据信息最大化原理将天线中心指 ,,, θ, 燀燅,,向所选定的卫星处于自跟踪状态并给出自跟踪状 ,,,式中等号左边均为已知项可记作 ,, ?,,。态下的码盘值 :,:,,,,θ :,,,, , θγ ψψ 熿 燄熿燄,,,,? ,,,已知卫星经度和载车位置根据式可求得角 ,,,,,,::::,:,θ,,,， ψψ 。 ,,,度设车体与卫星的距离为则车体,,,, ,θ, ,θ,γ,, 燀燅燀燅ψ ,,,,,天线指向卫星的向量在地理坐标系下的分量为将式代入式可得 ,,, ,,, ??,::,::,,,,,,,,::,:θ,,,,，，,::,,,, ,θ,,ψψψψ ψ熿燄 熿燄熿 燄 熿燄, ,,, ??,, ， ::,,,,,::,::,,,, θ, ,::,::,,,,,，,，,,, θ,, ,, ψ !ψψψψ,?,,,, θ,, ,,,,θ , 燀燅 燀燅, ,燀燅 燀燅 ,, ,,,,,根据锁定状态下的码盘值则天线指 ,θ, ψ ,,通过式可求得 ,,向卫星的向量在车体坐标系下的分量为 ,,, ,,,,,??,:， ,,::,,,ψψ,θ,, , , ,ψ 熿燄,,: 熿燄,, ,::,,,，, ,ψψ,??,, , ,,,::,::,,, , θ!, , ψ 从而可求出车体航向 角作为惯 导系统的粗对准 ， ψ,?,,,,,θ ,, 燀燅 燀燅输入航向 , ,,易知向量与之间存在如下关系 ,, , :,, ,, ,,,,,,,,,,，, ψψ,, ,,:,,, ,,,, ,,,、,,,,,,将式和代入式可得 ,,,,,,,,从推导 结 果 可 知该 方 法未使用极化 码 盘 值 ,。故对线极化和圆极化通信卫星均实用 ?γ, ::,,,,θ ,, ψ 熿燄?,,,,,,?::,::,,:::θθ, ,,，,，,， ψψγ实验验证 , ,,,θ, 燀燅仿真实验 ,,,?仿真 实 验 根 据预先设定的车体 理 论 姿 态 角 ::,,,,θ,, ψ 熿燄? ,, :: ::::,:,,,θ,, ,,ψ和 卫 星 位 置计 算 天 线 跟 踪 码 盘 值 γ λ, ， θ，， ψ ,,, θ,, ,,燀燅叠加相应误差后根据节所述模,,, , , θγ, ψ ,在惯导静基座粗对准阶段加速度计输出比力,,,并比较型求解初始对准姿态和航向角 γ，， θ ，ψ,与重力加速度 存在如下关系 , 。对准结果和理论输入间的误差 ,,,仿真 时 取 初 始 对准位置经纬高为 ?,:,,,,,,::,,: ,,γθ, ，， 熿燄 熿燄 熿燄,,,,,,卫星经度为粗 为高度,,,,?,:: ,,:: , ,:,?,,,, : ,,, ,:,,,, ,θ， ,,!,,,对准时间为初始对准时车体俯仰角和横滚角 ,:, ,::,::,, ,γθ，， ,, 燀燅燅燀 燀燅,在航向角在之间分布之 ,,:?,:?,,,:?，,,:?:: ,,由式可求得 ,,,,,,间分布加速度 计 的 随 机 零 偏 取 为 天 线 ,×,:, , 。 ,!码盘角度测量的随机误差为对个样本,, :,,?,::: 烄,,,,θ， ,, ,,, ,, , 。 ,烅进行仿真的结果如图由图 姿态对所示可见 , , , ,,,,,,,,γ ，,,,准精度在初始航向角的精度在 可 内内, ,:,:,?:,,? ,, 烆 。作为惯导系统的粗对准输入航向使用由于航向值 ,。 ,,由式可见水平对准与方位角无关将水 ,,,具有一定的精度在精对准过程中可用于估计陀螺 ,,、,,平 对 准 得 到 的和 代 入 式 中 可 求 得 ,, θγ，，。常值漂移 ,,,,,,,和然后代入式并整理得 ::,,,，,θ，γ 中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究付强文等,第期 ,,, ,。卫星信号通信质量良好 结论 , ,采用本文所述方法可以将中低精度的惯导系 。 统应用于动中通天线控制系统实际使用中应注意 ,以下几点 ,惯导系统 与 天 线 码盘的安 装零位对跟踪精 , ,。度影响很大必须进行补偿 ,,,,从式可知当 载车长途 行驶时应考虑位 ,, ,置变化对跟踪角度的影响中低精度惯导系统可与 ,。从而确定载车位置或车载里程计进行组合,,, ,在判断载 车 直 线 行驶且天 线处于跟踪锁定 , ,状态时仍可使用节所述方法对惯导系统的航 ,,, 。向角进行阻尼 图 姿态航向对准误差角, ,参考文献 车载实验 ,,, “”车载实验在某工程动中通通信系统天线控制,“”,,阮晓刚汪宏武动中通卫星天线技术及产品的应用 ,,,设备车上进行卫星天线分别跟踪中卫 号卫星和 ,,,,,,,,卫星与网络，,,,,,,, ,,,， ,,,:,,,::,,,,。 ,烽火实验中使用光纤捷联惯导系统陀 号星, :, ,～, ,，,，:,,～,,～;;:～,;,,,,,, ,,,,,,,,, 螺零偏重复性为零偏稳定性为 ,,,:,,,:,:,,,,;,,,,;::,,～,,:,,,:,,,,;,,,,, ,: ? ? ,～:,,,,, ,,,,,,,,, , :,，,,,;;，;,:，,,,,,,,,,,,,,,,,,,::,,, 加速度计随机零偏为 与 车 载 进 ～,×,:,,, , ,,董蓉霞光纤捷联 航 姿 系 统 在 “动 中 通”的 应 用 ,,电 ,，,,。 ,行组合导航实验分为两类进行 ,,,,,子设计工程,,,,,,,:,:,,, ,惯导系统 按 节 所 述 方 法 对 准 并 进 入 导 ,,,, ,:,:，, ,:,,,,,,,,:,,,:,:,,:, ,,,,,,,,,,,,,,,,,航状态后载车在视野开阔地带行驶保证天线始终 ,～,;,,, ～;,,,,,;,;,;,:;,,,;, ,,,:,,:,,,,;,,,,; ,,!,处于自跟踪状态天线跟踪的测量码盘值和惯 ,,,,, :～,:,:,，,，;::,:,;,,，,,;;,,,,,,,,,,,,,,, 。 :导解算输出的码盘值之差作为跟踪误差该实验共 ,,,, ,:,:,,,,,,,,,,,进行了单次实验时间不小于计算每次码 次,,, ,～ 尹春华,陆国华,赵 来 定基 于 无 刷直流电机控制的船 ,, 载动中通伺服系统 重庆邮电大学学报自 然 科 学,,, 。,，,盘跟踪误差的均方根值如表 由表可知惯 所示 ,,,,,,版 ,,,,,,,::,,,,。导系统提供的码盘跟踪精度满足要求 ,, 滕云鹤,毛献辉,章燕申,等移动卫星通信捷联式天线 ,, ,,,,,,,稳定系统宇航学报 ，,,,,,,,,,::,,, ,,,表 车载试验码盘跟踪误差 ,: ,，，,,～,～;,,,,～～,，,，,,,,,～;,;,,,,, ,,,,,,:,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,;,,:,,:,,,;,,,, ,!, 俯仰误差,极化误差,方位误差, 试验序号 ,,,,; ,,,,; ::,,～,,:,,,:,, ，,，:～,,,, :, ,,,,:,,～,,: ,, ,, ,, ? ? ? , 试验 ,:,,,:,:,:,,,,,,, ,,,试验 ,, ,::,,,,,,,,,,:,,, :,,, :,,, 试验, “”,,徐贵民黄建国动中通天线极化轴稳定性研究, ,，,:,:, :,,, :,,, 试验,,,,,,现代电子技术, ,,,,,,,, ,, ,～,,，,,,::,,,, :,,,:,,,:,,,试验, ,，,，,～:,,～:,,,;,;,,:,,,,,,,,,,, , :,,,:,,,:,,,试验, : :,:,,;,,,,,,:,,,,:,;～:;,,;;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,, :,,, :,,, ,,,, ,,::～,:,:,,::,，,:,;,，;::,:,,;:,,,,,,,,,,,, ,,,,,～,,～,;,,,,,,,,, ,,::,,,, ,,,惯导 系 统 对 准 并 进 入 导 航 状 态 后载 车 在 ,魏英杰动中通地 面 站 卫星天线伺服控制系统 ,,无 ,，, 。、有遮挡物或颠簸路面行驶在行驶路段有树木隧 ,,,,,线电通信技术,,:,,,,::,,,, ,道和城市建筑物遮挡的条件下分 天共进行 次 , , , ,，,,,,～:,::,,～,;;,;,,,,,;,,,;,;::,，,,,,,,,,!,,, 试验其间让载车故意在遮挡区域活动以上 :,,～,, , ,, :,,,;,,,:,～;:,;，,,,,:::～,:,:,,,,,,,,,,,也曾穿越亚洲最长的秦岭终南山隧道当遮挡物消 ,,,,,,,,;:～,::,,:,,,, ,!,::,,,, ,,,失后惯导系统可辅助天线立即跟踪到通讯卫星做 ,,杨凤梅卫星电 视 接 收 天线的极化匹配问题探析 ,，, “”。 到零秒捕获在建筑工地的复杂地形条件下试验 ,,,,,中国有线电视,,,,,,, ,,，, ,;,,;,::,,,,, :,,,,,,,:,,:, ,,:～,:,,,,,,,,,,,,,天线在颠簸和大角速率干扰的条件下不丢 失次!,, , ,, ,,;;,,;:;,,,;,,,，,:～,,:,,;,;;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,::,,,,