CN106602263A - 基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统 - Google Patents

基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，通过驱动电机、与所述驱动电机连接的滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构及设置于万向支架结构上的天线；设置于稳定平台的基座上的组合导航系统测量得到载机的三维位置、速度和姿态信息并实时传输给伺服控制系统，使系统结构更加紧凑，有利于在小型化的情况下实现稳定指向；伺服控制系统控制天线伺服机构的驱动电机带动万向支架结构进行天线的运动，从而达到隔离载体平台的姿态变化对波束指向的影响来保证天线姿态和波束指向的稳定，本发明低成本实现载体挂飞时SAR高分辨成像进行运动补偿的一体化设计平台，保证在机载工作状态下的高精度稳定指向性能。

Description

基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统
技术领域
本发明涉及到SAR成像运动补偿的稳定去扰领域，或涉及机载稳像、吊舱稳定等类似平台的技术领域，特别涉及一种基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统。
背景技术
随着SAR日益广泛的应用,特别是在中、低空的轻型飞机、无人机等平台上装配的SAR系统。为了提高 SAR 成像分辨率，基于运动传感器测量的补偿技术成为该项目的关键技术途径。
基于运动传感器的补偿技术早期是直接采用飞机主惯导的导航数据，但是由于飞机的主惯导是按照飞机导航要求设计的，而且距离天线的相位中心又较远，所以无法完全真实地测量天线的运动状态。后来高分辨率机载 SAR 系统中又增添了专门用于测量天线相位中心运动误差的惯性测量单元（IMU），由于惯性测量单元作为一种惯性测量元件，它的长期累积误差随着时间而发散，这严重影响了 SAR 的成像分辨率，甚至导致无法成像。
基于速率陀螺稳定指向的方案即将速率陀螺安装在伺服机构设计的稳定平台或者是回波天线背面正交处，直接测量天线在各个方向上的空间角速度，通过驱动机构天线向扰动相反的方向旋转来达到在空间指向的稳定。这种方案多应用于在雷达稳定跟踪状态下的天线波束稳定场景，对于SAR成像系统没有跟踪目标的情况下稳定回路的零位漂移随着时间推移造成波束偏离太大无法起到空间波束稳定的作用。
为了解决以上问题，目前采用的是基于组合导航GPS/IMU解算的运动补偿方案。在运动方向的两轴向处安装姿态传感器，在天线中心安装GPS/IMU组合导航产品进行位置、速度、加速度等的运动参数来完成天线平台的运动补偿。该结构形式和运动传感器的使用带来的代价就是价格昂贵，体积较大难以完成平台的一体化，集成化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，能够保证在机载工作状态下的高精度稳定指向性能。
为解决上述问题，本发明提供一种基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，包括：
天线伺服机构，采取滚转俯仰两轴的稳定平台，其中，稳定平台包括驱动电机、与所述驱动电机连接的包括滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构及设置于所述万向支架结构上的天线；
组合导航系统，设置于稳定平台的基座上，组合导航系统包括运动传感器，用于测量得到载机的三维位置、速度和姿态信息并实时传输给伺服控制系统；
伺服控制系统，用于通过稳定控制算法控制天线伺服机构的驱动电机带动所述万向支架结构进行天线的运动。
进一步的，在上述系统中，所述组合导航系统，利用最优滤波算法完成系统的定位定姿精度补偿。
进一步的，在上述系统中，所述伺服控制系统采用标准的422串口通信电气接口进行数据传输和控制。
进一步的，在上述系统中，所述滚转外框架的滚转轴通过一级减速比与载体纵轴连接，所述俯仰内框架的俯仰轴与滚转外框架的滚转轴正交。
进一步的，在上述系统中，所述俯仰轴的高低运动轴向为Y’轴线，所述滚转轴的运动轴向为Z’轴线。
进一步的，在上述系统中，组合导航系统的测量载机飞行状态的航向角为载机纵轴线与正北向之间的夹角，水平面中以顺时针为正，旋转轴为Z轴线；俯仰角为载机纵轴面与水平面之间的夹角，在垂直面中飞机抬头为正，旋转轴为X轴线；横滚角为载机横轴与水平面之间的夹角，从尾部向前看机翼左侧抬起为正，旋转轴为Y轴线。
进一步的，在上述系统中，俯仰角的X轴线与所述滚转轴的Z’轴线平行，横滚方向的Y轴线与所述俯仰轴的Y’轴线平行。
与现有技术相比，本发明通过天线伺服机构，采取滚转俯仰两轴的稳定平台，其中，稳定平台包括驱动电机、与所述驱动电机连接的滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构及设置于所述万向支架结构上的天线；组合导航系统，设置于稳定平台的基座上，组合导航系统包括运动传感器，用于测量得到载机的三维位置、速度和姿态信息并实时传输给伺服控制系统，通过在稳定平台基座安装组合导航系统形成捷联式平台，这样系统结构更加紧凑，有利于在小型化的情况下实现稳定指向； 伺服控制系统，用于通过稳定控制算法控制天线伺服机构的驱动电机带动所述万向支架结构进行天线的运动，从而达到隔离载体平台的姿态变化对波束指向的影响来保证天线姿态和波束指向的稳定，本发明克服现有SAR运动补偿方案的成本昂贵、无法集成进行一体化小型化的不足，提供了一种低成本，捷联式的稳定平台方式来满足系统要求，实现载体挂飞时SAR高分辨成像进行运动补偿的一体化设计平台，同时保证在机载工作状态下的高精度稳定指向性能。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统的结构组装主视图；
图2是本发明一实施例的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统的结构组装侧视图；
图3是本发明一实施例的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统的组合导航敏感轴的定义方向图；
图4是本发明一实施例的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统的控制原理框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，包括：
天线伺服机构1，采取滚转俯仰两轴的稳定平台，其中，稳定平台包括驱动电机、与所述驱动电机连接的包括滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构及设置于所述万向支架结构上的天线2；具体的，天线伺服机构包括：天线座、驱动电机、测速机和测角传感器，其机构的设计不在本发明范畴内；
组合导航系统3，设置于稳定平台的基座上，组合导航系统包括运动传感器，用于测量得到载机的三维位置、速度和姿态信息并实时传输给伺服控制系统；在此，通过在稳定平台基座安装组合导航系统形成捷联式平台，这样系统结构更加紧凑，有利于在小型化的情况下实现稳定指向；具体的，姿态敏感器件即由组合导航系统（IMU/GPS）来完成载机的运动姿态测试；
伺服控制系统4，用于通过稳定控制算法控制天线伺服机构的驱动电机带动所述万向支架结构进行天线的运动，从而达到隔离载体平台的姿态变化对波束指向的影响来保证天线姿态和波束指向的稳定。具体的，所述伺服控制系统包括有驱动电路、控制电路以及二次电源模块5；其它微波系统模块6、把手7以及系统二次电源5也不在本发明范畴内。本发明克服现有SAR运动补偿方案的成本昂贵、无法集成进行一体化小型化的不足，提供了一种低成本，捷联式的稳定平台方式来满足系统要求，实现载体挂飞时SAR高分辨成像进行运动补偿的一体化设计平台，同时保证在机载工作状态下的高精度稳定指向性能。
优选的，所述组合导航系统为一款MEMS惯性/卫星组合导航系统，采用双卫星导航天线和扁平外形结构，具有精度较高，功耗低、性价比高等特点，核心部件采用MEMS陀螺仪和加速度计、高性能卫星导航接收机，通过公司独特的全温惯性仪表补偿算法及卡尔曼滤波组合导航算法，能够输出位置、速度、航向角、姿态角、三轴加速度和角速度的功能导航信息，具有很高的性价比。相对于以往的SAR运动补偿稳定平台方式，本发明充分利用MEMS惯性器件体积小的特点完成稳定平台的一体化、小型化集成，并使用低成本组合导航系统通过捷联式稳定算法完成高精度的空间稳定指向。具体的，将双天线GNSS/INS的组合导航系统，安装于万向支架结构的基座下，通过组合导航系统测量载体的航向角、姿态角信息，通过伺服控制系统对测量的信号进行坐标系转化重构空间角度指向信息，通过天线运动完成空间指向的不变从而达到去除载体飞行过程中对天线波束的扰动。本发明首次使用双天线GNSS/INS的组合导航系统，安装于天线伺服机构底部构成捷联式稳定去耦平台来隔离载机的扰动，完成天线波束的高精度稳定指向。实现了稳定平台的一体化和小型化，成为SAR高分辨率成像有效的一种运动补偿技术途径。本实施例充分利用稳定平台结合MEMS惯性组合导航的特点完成整个平台的一体化集成化，这样的安装位置为系统算法的坐标解算提供了更精确合理的途径。
优选的，所述组合导航系统，利用最优滤波算法完成系统的定位定姿精度补偿，大大的降低了硬件成本。
优选的，所述伺服控制系统采用标准的422串口通信电气接口进行数据传输和控制。
优选的，所述天线伺服机构采取滚转俯仰两轴的稳定平台，其中，采用滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构，其中，所述滚转外框架的滚转轴通过一级减速比与载体纵轴连接，可通过旋转来完成方位角度的实现，所述俯仰内框架的俯仰轴与滚转外框架的滚转轴正交，通过双驱动电机的直接驱动可实现相关的角度运动来实现俯仰角度的转动。如图1所述，天线伺服机构放置在基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统的最上端形成活动机构，天线伺服机构下端放置伺服控制系统以及集成的组合导航系统固联在底端。试验安装时二次电源底板底端与载机通过工装转接进行安装，从而形成控制电路、组合导航系统、二次电源等组件与载机进行刚性连接，而天线伺服机构可以进行二维空间的自由活动。
优选的，所述俯仰轴的高低运动轴向定义为Y’轴线，所述滚转轴的运动轴向定义为Z’轴线。如图3所示，为了正确实现捷联式安装，首先定义组合导航系统的敏感方向，组合导航系统测量载机飞行状态的航向角为载机纵轴线与正北向之间的夹角，水平面中以顺时针为正，旋转轴为Z轴线；俯仰角为载机纵轴面与水平面之间的夹角，在垂直面中飞机抬头为正，旋转轴为X轴线；横滚角为载机横轴与水平面之间的夹角，从尾部向前看机翼左侧抬起为正，旋转轴为Y轴线。
优选的，基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统进行捷联安装时，考虑组合导航系统的敏感角速度的三个轴向要分别平行天线伺服机构的运动轴线，其中，俯仰角的X轴线与所述滚转轴的Z’轴线平行，横滚方向的Y轴线与所述俯仰轴的Y’轴线平行。
如图4所示，基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统的核心解算由伺服控制系统的数字控制器完成稳定控制算法。在指令信号输入为0，当载体飞行扰动下天线波束在惯性空间转动的角度为0或尽可能小就可以实现捷联稳定的作用。天线坐标系下的天线方位、俯仰角信号由框架上的角位置传感器测量，在惯性坐标系下组合导航系统测量载体飞行时的角速度信号以及姿态和航向角信息。通过对惯性坐标系下的姿态角和航向角进行坐标系转换同一为天线执行坐标系下角度的信号，然后送入数字信号处理器，通过相关的控制算法处理，经放大驱动形成实时控制指令信号驱动电机转动，从而隔离载体扰动，实现空间指向稳定。
综上所述，本发明通过天线伺服机构，采取滚转俯仰两轴的稳定平台，其中，稳定平台包括驱动电机、与所述驱动电机连接的滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构及设置于所述万向支架结构上的天线；组合导航系统，设置于稳定平台的基座上，组合导航系统包括运动传感器，用于测量得到载机的三维位置、速度和姿态信息并实时传输给伺服控制系统，通过在稳定平台基座安装组合导航系统形成捷联式平台，这样系统结构更加紧凑，有利于在小型化的情况下实现稳定指向； 伺服控制系统，用于通过稳定控制算法控制天线伺服机构的驱动电机带动所述万向支架结构进行天线的运动，从而达到隔离载体平台的姿态变化对波束指向的影响来保证天线姿态和波束指向的稳定，本发明克服现有SAR运动补偿方案的成本昂贵、无法集成进行一体化小型化的不足，提供了一种低成本，捷联式的稳定平台方式来满足系统要求，实现载体挂飞时SAR高分辨成像进行运动补偿的一体化设计平台，同时保证在机载工作状态下的高精度稳定指向性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，包括：
天线伺服机构，采取滚转俯仰两轴的稳定平台，其中，稳定平台包括驱动电机、与所述驱动电机连接的包括滚转外框架、俯仰内框架式的万向支架结构及设置于所述万向支架结构上的天线；
组合导航系统，设置于稳定平台的基座上，组合导航系统包括运动传感器，用于测量得到载机的三维位置、速度和姿态信息并实时传输给伺服控制系统；
伺服控制系统，用于通过稳定控制算法控制天线伺服机构的驱动电机带动所述万向支架结构进行天线的运动。
2.如权利要求1所述的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，所述组合导航系统，利用最优滤波算法完成系统的定位定姿精度补偿。
3.如权利要求1所述的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，所述伺服控制系统采用标准的422串口通信电气接口进行数据传输和控制。
4.如权利要求1所述的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，所述滚转外框架的滚转轴通过一级减速比与载体纵轴连接，所述俯仰内框架的俯仰轴与滚转外框架的滚转轴正交。
5.如权利要求4所述的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，所述俯仰轴的高低运动轴向为Y’轴线，所述滚转轴的运动轴向为Z’轴线。
6.如权利要求5所述的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，组合导航系统的测量载机飞行状态的航向角为载机纵轴线与正北向之间的夹角，水平面中以顺时针为正，旋转轴为Z轴线；俯仰角为载机纵轴面与水平面之间的夹角，在垂直面中飞机抬头为正，旋转轴为X轴线；横滚角为载机横轴与水平面之间的夹角，从尾部向前看机翼左侧抬起为正，旋转轴为Y轴线。
7.如权利要求6所述的基于组合导航构建的捷联式高精度稳定平台系统，其特征在于，俯仰角的X轴线与所述滚转轴的Z’轴线平行，横滚方向的Y轴线与所述俯仰轴的Y’轴线平行。
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