CN105043418A - 一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，包括以下步骤：首先读取卫星位置信息，计算卫星在惯导系统地理坐标系下的投影分量；然后利用短时间内的加速度计信息解算出惯导系统的俯仰角和滚动角；最后读取此时天线方位角和俯仰角，计算卫星在惯导系统载体坐标系下的投影分量；再利用此投影分量及惯导系统的俯仰角和滚动角计算出惯导系统的航向角，完成惯导系统的快速初始粗对准。本方法适用于船载动中通在系泊状态下的惯导系统初始粗对准。

Description

一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法

技术领域

本发明提供了一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，适用于船载系泊状态下要求快速对准卫星的场合，属于卫星通讯技术领域。

背景技术

采用惯导方案动中通进行天线寻星对准时，主要是利用惯导系统的俯仰角P、滚动角R以及航向角Y信息，通过坐标转换解算出天线各轴驱动角度并驱动天线指向目标卫星。因此惯导系统姿态角的初始对准时间及对准精度将决定着天线初始寻星精度及寻星时间。目前，惯导系统运动状态下初始对准方法一般是采用粗精结合的动态对准方法实现。首先采用粗对准算法获得载体粗略姿态和航向角后，进入卡尔曼滤波精对准过程解算出载体精确的姿态和航向角，再利用精确姿态信息解算出天线各轴驱动角度，并驱动天线转动指向卫星，完成天线动态寻星过程。

惯导系统粗对准一般采用两种方法实现，一是解析式粗对准，二是摇摆动态对准。解析式粗对准要求载体必须完全静止，车载情况下甚至要求关闭发动机及避免人员走动，而且即便如此，仍需要通过延长对准时间提高初始对准精度。摇摆动态对准能够满足船载系泊状态下的粗对准，但该方法对准时间较长，至少需要1-2min时间来完成一定精度的粗对准，势必会延长惯导系统初始对准时间，不能满足用户的快速性要求。

另外，初始粗对准必须满足一定精度，尤其粗对准航向角结果必须被限制在一定误差范围内，才能满足线性卡尔曼精对准时滤波器对初始条件的要求，保证滤波器收敛，否则将影响惯导系统精对准后的姿态精度。

因此，如何缩短粗对准时间，同时提高粗对准精度，是动中通惯导系统实现快速初始粗对准的技术难点之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，依据船载动中通在系泊状态的特点，提供了一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，解决了惯导系统初始粗对准滤波时间长且初始姿态误差大，从而影响惯导系统初始对准的快速性及对准精度的问题。

本发明的技术解决方案：

一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，步骤如下：

(1)所述动中通上电后，设置水平姿态解算定时器LevelCnt和累加和数组变量SUM[2]，初值均为0；读取卫星位置信息，并计算卫星位置矢量S_Sat在惯导系统地理坐标系OXYZ下的投影分量S_p；

(2)水平姿态解算定时器LevelCnt开始计时，同时采样惯导系统两水平加速度计数据进行累加计算，进入步骤(3)；

(3)判断水平姿态解算定时器LevelCnt是否达到预设的定时时间T，如果达到，则解算出惯导系统俯仰角P和滚动角R，之后进入步骤(4)；如果水平姿态解算定时器未达到预设的定时时间，则返回步骤(2)；

(4)读取天线方位角和俯仰角，推算出投影分量S_p在载体坐标系下的投影分量S_b，之后进入步骤(5)；

(5)根据惯导系统俯仰角P、滚动角R以及载体坐标系下的投影分量S_b解算出惯导系统的航向主值Y_主和航向象限变量Y_象限，再通过判断航向主值和航向象限变量的值推算出惯导系统的航向真值Y，完成惯导系统初始粗对准过程。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明利用船载动中通在系泊状态下航向角变化不大的情况，设计了一种快速初始粗对准方法。该方法设计采用加速度计的短时累加信息计算惯导系统的两水平姿态角，并利用平均滤波方法消除载体扰动，提高惯导系统水平姿态角精度；设计了快速航向逆推方法，利用卫星位置信息、天线方位角和俯仰角以及惯导系统俯仰角和航向角信息，解算出惯导系统的航向真值。本发明利用船载系泊状态航向角变化不大的特点，利用反推算法简化了惯导系统初始粗对准的复杂度，实现了快速的初始粗对准，同时提高了船载系泊状态下的惯导系统初始粗对准精度；

(2)本发明中提出的投影分量S_p的计算方法，充分考虑了同步卫星的位置特点，简化了运算步骤，实现了一步计算出卫星位置矢量在地理坐标系统投影的功能；

(3)本发明中提出的投影分量S_b的计算方法，与传统依靠惯导系统姿态和航向角解算卫星位置信息在载体坐标系下的投影方法不同，同样利用了方向推导的原理，在已知当前天线的俯仰角和方位角的情况下反推出来卫星位置信息在载体坐标系下的投影，为后续能成功逆推出惯导系统航向角创造了必要条件。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

具体实施方式

动中通(SOTM,SatcomOnTheMove)是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称，其利用地球同步静止卫星作为通信信号的中转平台，实现其覆盖区域内的点到点、点到多点、多点到多点的实时通信。主要特点为：卫星覆盖区域大，不受地域、距离等因素限制，专用传输信道，传输带宽大，传输速率高；可实现远程视频图像、伴音、电话以及数据传输。

动中通包括天线、天线控制系统、惯导系统。其中惯导系统的地理坐标系是指原点O选在载体重心处，X指向东，Y指向北，Z沿垂线方向指向天，即东北天坐标系OXYZ；载体坐标系是固连在载体上的坐标系，其坐标原点O位于载体的重心处，X₁沿载体横轴指向右，Y₁沿载体纵轴指向前，Z₁垂直于OX₁Y₁，并沿飞行器的竖轴指向上，载体坐标系表示为OX₁Y₁Z₁。

如图1所示，本发明提供了一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，步骤如下：

(1)当船载动中通上电后，设置水平姿态解算定时器LevelCnt和累加和数组变量SUM[2]，初值均为0；读取卫星位置信息，并计算卫星位置矢量S_Sat在惯导系统地理坐标系OXYZ下的投影分量S_p；

计算卫星位置矢量S_Sat在惯导系统地理坐标系OXYZ下的投影分量S_p具体方法为：

首先计算动中通使用的同步卫星位置矢量在地球坐标系e上的投影S'为：

$S^{\′}=\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(R_e+H_{Sat})\·{\mathrm{cos\λ}}_{Sat}\\ (R_e+H_{Sat})\·{\mathrm{sin\λ}}_{Sat}\\ 0\end{array}\right];$

其中λ_Sat为卫星经度，H_Sat为卫星高度，R_e为地球半径；然后计算卫星矢量在地理坐标系OXYZ上的投影S_p为：

其中为动中通载体的当地纬度，λ_Ins为动中通载体的当地经度；

(2)水平姿态解算定时器LevelCnt开始计时，同时采样惯导系统两水平加速度计数据进行累加计算，进入步骤(3)；具体计算方法如下：

SUM[0]＝SUM[0]+f_AX

，

SUM[1]＝SUM[1]+f_AY

其中f_AX为载体坐标系下X轴加速度计输出值，f_AY为载体坐标系下Y轴加速度计输出值；

(3)判断水平姿态解算定时器LevelCnt是否达到预设的定时时间T，如果达到，则解算出惯导系统俯仰角P和滚动角R；具体方法为：

$P=arcsin\left(\frac{SUM\[1\]}{g\·T}\right)$

$R=-arcsin\left(\frac{SUM\[0\]}{g\·T}\right),$

其中g为地球重力加速度，P为载体俯仰角，R为载体滚动角，之后进入步骤(4)；如果水平姿态解算定时器未达到预设的定时时间，则返回步骤(2)；

(4)读取天线方位角和俯仰角，推算出投影分量S_p在载体坐标系下的投影分量S_b，之后进入步骤(5)；

推算出投影分量S_p在载体坐标系下的投影分量S_b具体方法为：在已知投影分量S_b的情况下，天线俯仰角和方位角求解方法为：

$fYaw=arctan\left(\frac{Y_b}{X_b}\right),$

$fPitch=arcsin(Z_b/\sqrt{X_p^2+Y_p^2+Z_p^2});$

在已知天线俯仰角和方位角的情况下，可以逆向推出投影分量S_p在载体坐标系下的投影分量S_b的公式为：

$S_b=\left[\begin{array}{c}{X}_b\\ Y_b\\ Z_b\end{array}\right]=\sqrt{X_p^2+Y_p^2+Z_p^2}\·\left[\begin{array}{c}sin\left(fYaw\right)\·cos\left(fPitch\right)\\ \cos \left(fYaw\right)\·cos\left(fPitch\right)\\ sin\left(fYaw\right)\end{array}\right];$

其中fYaw为天线方位角，fPitch为天线俯仰角；

(5)根据惯导系统俯仰角P、滚动角R以及载体坐标系下的投影分量S_b解算出惯导系统的航向主值Y_主和航向象限变量Y_象限；具体方法如下：

设置中间变量A₁＝[a₁b₁c₁]和A₂＝[a₂b₂c₂]，利用步骤(3)解算的惯导系统俯仰角P和滚动角R逆推出载体航向主值Y_主和航向象限变量Y_象限：

$\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ b_1\\ c_1\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{X_p^2+Y_p^2+Z_p^2}}\·(\left[\begin{array}{ccc}cos\left(P\right)& 0& 0\\ 0& cos\left(P\right)& 0\\ 0& 0& sin\left(P\right)\end{array}\right].\left[\begin{array}{c}{X}_p\\ Y_p\\ Z_p\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ X_b\end{array}\right]),$

$\left[\begin{array}{c}{a}_2\\ b_2\\ c_2\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{X_p^2+Y_p^2+Z_p^2}}\·(\left[\begin{array}{ccc}-sin\left(P\right)\·cos\left(R\right)& cos\left(R\right)& 0\\ cos\left(R\right)& sin\left(P\right)\·cos\left(R\right)& 0\\ 0& 0& sin\left(R\right)\·cos\left(P\right)\end{array}\right].\left[\begin{array}{c}{X}_p\\ Y_p\\ Z_p\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ Y_b\end{array}\right]),$

再通过判断航向主值和航向象限变量的值推算出惯导系统的航向真值Y，完成惯导系统初始粗对准过程。具体判断方法如下：

本发明利用船载动中通在系泊状态下航向角变化不大的情况，设计了一种快速初始粗对准方法，该方法水平姿态粗对准采用加速度计短时平均滤波方法解算两水平姿态角；利用卫星位置信息、天线方位角和俯仰角以及惯导系统俯仰角和航向角信息，解算出惯导系统的真实航向角，简化了惯导系统初始粗对准算法，实现了惯导系统的快速初始粗对准。

实施例：

(1)设置水平姿态解算定时器LevelCnt＝100ms；读取卫星经度λ_Sat＝130°，卫星高度H_Sat＝35786.6km，载体纬度载体经度λ_Ins＝116.14°；计算卫星位置矢量S_Sat在惯导系统地理坐标系OX_pY_pZ_p下的投影分量S_p： $S_p=\left[\begin{array}{c}10099845.83\\ -26334228.45\\ 24964670.58\end{array}\right],$ 单位m；

(2)水平姿态解算定时器LevelCnt开始计时，同时采样惯导系统两水平加速度计数据进行累加计算，当定时器达到100ms，计算姿态角P＝0.85°,R＝0.55°；

(3)读取天线方位角fYaw＝267.049°和俯仰角fPitch＝50.846°，推算S_p在载体坐标系下的投影分量S_b： $S_b=\left[\begin{array}{c}-23752784.2\\ -1513465.34\\ -37615470.0\end{array}\right],$ 单位m；

则 $\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ b_1\\ c_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0.268112\\ -0.699073\\ -0.620783\end{array}\right],$

因为Y_主>0，Y_象限<0，所以航向角Y＝197.538°。此时就完成了海态系泊状态下的粗对准。

下表列出了三种粗对准的对准时间及精度：

指标	航向角真值	静态对准	摇摆对准	快速粗对准
					对准时间		5min	1min	100ms
对准误差	200°	186.15°	191.32°	197.538°

从上表三种粗对准结果来看，静态对准效果最差，其只适用于静止状态下对准，当载体出现扰动时将严重影响对准精度，且对准时间最长。摇摆对准时间能相对缩短较多，但由于时间短导致对载体扰动滤波效果变差，因此其对准误差仍较大。而本发明的快速粗对准方法对准时间最短，只有100ms即完成了粗对准过程，而且粗对准误差只有2.462°，不仅误差小于其它两种对准方法，而且能够满足卡尔曼滤波精对准初始误差的要求。

Claims (10)

1.一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于步骤如下：

(1)当船载动中通上电后，设置水平姿态解算定时器LevelCnt和累加和数组变量SUM[2]；读取卫星位置信息，并计算卫星位置矢量S_Sat在惯导系统地理坐标系OXYZ下的投影分量S_p；

(2)水平姿态解算定时器LevelCnt开始计时，同时对船载动中通惯导系统中的两个水平加速度计数据进行累加计算，之后进入步骤(3)；

(3)判断水平姿态解算定时器LevelCnt是否达到预设的定时时间T，如果达到，则解算出惯导系统俯仰角P和滚动角R，之后进入步骤(4)；如果未达到预设的定时时间，则返回步骤(2)；

(4)读取船载动中通天线的方位角和俯仰角，推算出投影分量S_p在载体坐标系下的投影分量S_b，之后进入步骤(5)；

(5)根据惯导系统俯仰角P、滚动角R以及载体坐标系下的投影分量S_b解算出惯导系统的航向主值Y_主和航向象限变量Y_象限，再通过判断航向主值和航向象限变量的值推算出惯导系统的航向真值Y，完成惯导系统初始粗对准过程。

2.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：所述计算卫星位置矢量S_Sat在惯导系统地理坐标系OXYZ下的投影分量S_p具体方法为：

其中λ_Sat为卫星经度，H_Sat为卫星高度，为动中通载体的当地纬度，λ_Ins为动中通载体的当地经度，R_e为地球半径，X_p、Y_p和Z_p分别为惯导系统地理坐标系三轴上的分量。

3.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：所述惯导系统地理坐标系OXYZ定义为：原点O选在动中通载体的重心处，X指向东，Y指向北，Z沿垂线方向指向天。

4.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：步骤(2)中对船载动中通惯导系统中的两个水平加速度计数据进行累加计算具体为：

SUM[0]＝SUM[0]+f_AX

，

SUM[1]＝SUM[1]+f_AY

其中f_AX为载体坐标系下X轴加速度计输出值，f_AY为载体坐标系下Y轴加速度计输出值。

5.根据权利要求4所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：所述载体坐标系是固连在载体上的坐标系，其坐标原点O位于载体的重心处，X₁沿载体横轴指向右，Y₁沿载体纵轴指向前，Z₁垂直于OX₁Y₁，并沿飞行器的竖轴指向上，载体坐标系表示为OX₁Y₁Z₁。

6.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：步骤(3)中解算惯导系统俯仰角P和滚动角R；具体方法为：

其中g为地球重力加速度，P为载体俯仰角，R为载体滚动角。

7.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：所述推算出投影分量S_p在载体坐标系下的投影分量S_b具体方法为：

其中fYaw为天线方位角，fPitch为天线俯仰角，X_b、Y_b和Z_b分别为载体坐标系OX₁Y₁Z₁三轴上的分量。

8.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：解算惯导系统的航向主值Y_主和航向象限变量Y_象限通过如下公式进行：其中，

A₁＝[a₁b₁c₁]和A₂＝[a₂b₂c₂]均为中间变量，

9.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：通过判断航向主值和航向象限变量的值推算出惯导系统的航向角真值Y，具体为：

10.根据权利要求1所述的一种适用于船载动中通的惯导系统快速初始粗对准方法，其特征在于：水平姿态解算定时器LevelCnt和累加和数组变量SUM[2]初值均为0。