CN109443385B - 一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，包括以下步骤：(A)将动中通天线固定在室外摇摆台或载车上，动中通天线跟踪卫星后，启动摇摆台或载车；(B)将陀螺角速率投影到天线的方位轴、俯仰轴和极化轴，对动中通天线进行速度稳定，同时通过圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪方式对卫星进行位置跟踪；(C)计算递推最小二乘估计器的观测值和观测矩阵；(D)估计惯导安装误差和陀螺零偏，并进行反馈修正。本发明可以自动标定惯导的安装误差，降低对装配人员技术水平要求，减小现场维修难度。

Description

一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法

技术领域

本发明属于导航领域，具体涉及一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法。

背景技术

动中通天线配置在各种移动载体上，载体在运动过程中，动中通天线能自动搜索、识别、锁定并实时精确跟踪同步轨道卫星，保持与卫星建立可靠的通信链路，实现运动中的宽带卫星通信，满足动态条件下不间断的数据、语音、视频、图像、传真等多媒体数据传输需求，广泛用于军队、应急救灾、反恐、政府等部门。

在载体在运动过程中，动中通天线需要通过惯导测量载体扰动，控制天线隔离载体扰动，实现动中通天线指向稳定，保持天线对卫星的精确跟踪。动中通天线的惯导一般安装在天线底座，惯导的安装误差将引起卫星跟踪误差，安装误差达到一定程度将丢失卫星，因此要求惯导的安装精度控制在一定误差范围内。目前，一般动中通天线需要先标定IMU与惯导壳体误差，然后通过在天线底座加工高精度安装靠面，来确保惯导的安装精度，这种方法对惯导安装面的机械加工精度和装配人员技术水平要求较高，在实际批量生产过程中，经常出现部分产品的惯导安装误差超标，需要利用专用仪器测量安装误差，进行人工标定，而且在现场维修更换惯导时，因缺少专业工具，人工更换惯导工作难度更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，解决动中通天线惯导不便安装和维修更换工作难度大的问题，实现惯导安装误差的自动标定。

本申请的核心设计是：本发明根据动中通工作原理，推导了惯导安装误差的传递方程，设计了递推最小二乘估计器，对安装误差进行递推估计，递推过程中采用反馈修正方法，实时修正安装误差，实现了安装误差的自动标定。

本发明技术解决方案是：一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)、将待标定的动中通天线固定在室外摇摆台或载车上，天线跟踪卫星后，启动摇摆台或载车。

由于惯导存在安装误差，且陀螺存在零偏，因此摇摆台或载车的震动幅度和频率不宜太大，否则将会引起丢失卫星，造成自动标定过程失败，本发明中摇摆台三轴摇摆幅度设定为5°，摇摆周期设定为5秒，或载车在碎石路面行驶，速度限定在10km/h左右。

(B)、获取当前第n个伺服控制周期的惯导三轴角速率测量值

将三轴角速率进行坐标变换，投影到载体坐标系(b系)，其中n表示第n个伺服控制周期数。

进一步，本发明中惯导的“X-Y-Z”三轴分别对应动中通天线的“右-前-上”。天线的方位零位为动中通天线的正前方，顺时针方位角为正。纵倾角为绕X轴旋转的角度，抬头为正，范围为-90～+90°。横滚角为绕Y轴旋转的角度，右倾为正，范围为-180～+180°。航向角为绕Z轴旋转的角度，北偏西为正，范围为-180～+180°。根据陀螺的工作机理，仅考虑陀螺的主要测量误差，所述“X-Y-Z”三轴角速率测量值

可以建模为：

式(1)中

表示惯导“X-Y-Z”三轴角速率的真实值，

为惯导“X-Y-Z”三轴陀螺的零偏在惯导坐标系(g系)中的投影。

假设当前已知的惯导安装误差的欧拉角分别为航向误差角

横滚误差角

纵倾误差角

通过惯导靠面安装惯导，安装误差可以控制在小角度范围内，因此

忽略小角度正弦值的乘积项，则惯导坐标系(g系)到载体坐标系(b系)的方向余弦矩阵近似为

由于惯导坐标系(g系)到载体坐标系(b系)为固定连接，不存在转动，因此惯导坐标系(g系)相对于载体坐标系(b系)的旋转角速率

进一步可得载体坐标系(b系)相对于惯性坐标系(i系)的旋转角速率在g系中的投影为

将

投影到载体坐标系(b系)中，投影公式为：

式(3)中

为惯导三轴陀螺零偏在载体坐标系(b系)中的投影。

(C)、将角速率

进行坐标变换，投影到天线的方位轴、俯仰轴和极化轴。

进一步的，步骤(C)中将惯导测量的“X-Y-Z”三轴角速率投影到天线的方位轴、俯仰轴和极化轴，投影公式为

公式(4)中

和

表示投影到天线方位轴、俯仰轴和极化轴的扰动角速率，ξ_a(n)和ξ_f(n)表示天线当前的方位角和俯仰角。

(D)、将式(4)中得到的

和

角速率分别叠加到天线伺服系统的方位轴、俯仰轴和极化轴角速率指令中，对动中通天线进行角速率稳定，同时通过圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪方式对卫星进行位置跟踪。

(E)、对式(4)中得到的

和

角速率进行积分，记录角速度指令之和，同时记录相关中间变量。

进一步，步骤(E)中

和

天线角速率进行积分公式如下

其中τ为动中通天线伺服控制周期，N为圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪工作周期内的天线伺服控制周期数，τ为伺服控制周期，在本发明中天线伺服控制周期τ＝0.005s，圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪工作周期为1s，因此N＝1/0.005＝200。

进一步，步骤(E)中需要记录的相关中间变量的计算公式如下

(F)、判断是否完成本次圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪，如果未完成则转步骤(B)，否则转步骤(G)。

(G)、获得圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪算法的方位修正角Δξ_a和俯仰修正角Δξ_f，分别将方位修正角Δξ_a和俯仰修正角Δξ_f叠加到天线伺服系统的方位轴和俯仰轴位置指令中，校正天线空间指向误差。

(H)利用递推最小二乘估计器，估计惯导安装误差和陀螺零偏。

进一步的，递推最小二乘估计器，其具体过程如下：

(H1)第k步稳定角速率积分的真实值可以表示为式(8)，其推导过程与式(5)类似

其中Δ_ψ、Δ_γ和Δ_θ分别为惯导安装误差航向误差角、横滚误差角和纵倾误差角的真实值，

和

分别为惯导三轴陀螺零偏在载体坐标系(b系)中投影的真实值。

(H2)获得观测向量和状态转移矩阵。

进一步，式(8)中

和

均为惯导安装误差和三轴陀螺零偏的线性函数，因此可以采用递推最小二乘法估计惯导安装误差和陀螺零偏。递推最小二乘估计器观测方程为：

z_k＝H_kx_k+v_k 式(9)

其中v_k为测量噪声，

为第k步的递推最小二乘估计器的观测向量，在本发明中观测量可以通过

获得。式(9)中状态向量x_k可以表示为

式(10)中x_Δ,k＝[Δ_θ,k Δ_γ,k Δ_ψ,k]^T为惯导安装误差向量，

为陀螺零偏向量，通过将式(6)和(7)代入式(11)可以获得观测矩阵H_k

(H3)利用最小二乘估计算法迭代估计惯导安装误差和陀螺零偏。

进一步，第k步的最小二乘估计器的迭代步骤如下

其中选择初始值状态x₀＝0_6×1，P_k为状态估计误差的协方差矩阵，初始值P₀＝μI_6×6，这里μ为正实数，本发明选择μ＝1.5。

(H4)对稳定方程进行反馈修正。

进一步，利用式(12)的状态估计值，按式(13)和(14)计算

和

将式(13)和(14)计算结果代入式(3)，实现对稳定方程的反馈修正。

(I)判断是否达到设定的标定时间T，如果未达到标定时间则转步骤(B)，否则完成标定过程，x_k即为得到的惯导安装误差和陀螺零偏的标定值，在本发明中标定时间设置为T＝300s。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，该方法采用如下步骤：

(A)、将待标定的动中通天线固定在室外摇摆台或载车上，天线跟踪卫星后，摇摆台三轴摇摆幅度设定为5°，摇摆周期设定为5秒，启动摇摆台，或载车在碎石路面行驶，速度限定在10km/h左右。

(B)、获取当前第n个伺服控制周期的惯导三轴角速率测量值

将三轴角速率进行坐标变换，投影到载体坐标系(b系)，投影公式如下

式(15)中

和

为惯导安装误差的航向误差角、横滚误差角和纵倾误差角，

为惯导三轴陀螺零偏在载体坐标系(b系)中的投影。

(C)、按式(16)将角速率

进行坐标变换，投影到天线的方位轴、俯仰轴和极化轴。

(D)、将式(16)中得到的

和

角速率分别叠加到天线伺服系统的方位轴、俯仰轴和极化轴角速率指令中，对动中通天线进行角速率稳定，同时通过圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪方式对卫星进行位置跟踪。

(E)、对式(16)中得到的

和

角速率按式(17)进行积分，记录角速度指令之和，同时按式(18)和(19)记录相关中间变量。

其中τ为动中通天线伺服控制周期，N为圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪工作周期内的天线伺服控制周期数，τ为天线伺服控制周期，在本发明中天线伺服控制周期τ＝0.005s，圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪工作周期为1s，因此N＝1/0.005＝200。

进一步，步骤(E)中记录的相关中间变量如下

(F)、判断是否完成本次圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪，如果未完成则转步骤(B)，否则转步骤(G)。

(G)、获得圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪的方位修正角Δξ_a和俯仰修正角Δξ_f，分别将方位修正角Δξ_a和俯仰修正角Δξ_f叠加到天线伺服系统的方位轴和俯仰轴位置指令中，校正天线空间指向误差。

(H)利用递推最小二乘估计器，估计惯导安装误差和陀螺零偏。

(H1)获得观测向量和状态转移矩阵。

进一步，递推最小二乘法估计器观测方程为

z_k＝H_kx_k+v_k 式(20)

其中v_k为测量噪声，

为第k步的递推最小二乘估计器的观测向量，在本发明中观测量可以通过

获得。式(20)中x_k状态向量，表示为

式(21)中x_Δ,k＝[Δ_θ,k Δ_γ,k Δ_ψ,k]^T为安装误差向量，

为陀螺零偏向量，通过将式(18)和(19)代入式(22)可以获得观测矩阵H_k，

(H2)利用最小二乘估计算法迭代估计惯导安装误差和陀螺零偏。

进一步，第k步的最小二乘估计估计器的迭代步骤如下

其中选择初始值状态x₀＝0_6×1，P_k为状态估计误差的协方差矩阵，初始值P₀＝μI_6×6，这里μ为正实数，本发明选择μ＝1.5。

(H3)对稳定方程进行反馈修正。

进一步，利用式(23)的状态估计值，按式(24)和(25)计算

和

将式(24)和(25)计算结果代入式(15)，实现对稳定方程的反馈修正。

(I)判断是否达到设定的标定时间T，如果未达到标定时间则转步骤(B)，否则完成标定过程，x_k即为得到的惯导安装误差和陀螺零偏的标定值，在本发明中标定时间T＝300s。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，其特征在于,包括如下步骤：

(A)、将动中通天线固定在室外摇摆台或载车上，动中通天线跟踪卫星后，启动摇摆台或载车；

(B)、将当前第n个伺服控制周期的惯导角速率

投影到天线的方位轴、俯仰轴和极化轴，并分别叠加到伺服系统的方位轴、俯仰轴和极化轴角速率指令中，对动中通天线进行角速率稳定，同时通过圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪方式对卫星进行位置跟踪；

(C)、计算递推最小二乘估计器的观测值z_k和观测矩阵H_k；

递推最小二乘估计器的观测值z_k为：

其中

Δξ_a和Δξ_f为通过圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪算法获得的方位修正角和俯仰修正角，

和

分别为方位和俯仰稳定角速率的积分值，

其中，

和

表示b系坐标下“X-Y-Z”三轴角速率测量值，其中τ为动中通天线伺服控制周期，N为圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪工作周期内的天线伺服控制周期数，动中通天线伺服控制周期τ＝0.005s，圆锥扫描跟踪或单脉冲跟踪工作周期为1s，因此N＝1/0.005＝200；

递推最小二乘估计器的测量方程中观测矩阵H_k为：

其中观测矩阵H_k中的变量为

(D)、利用递推最小二乘估计器，估计惯导安装误差和陀螺零偏。

2.根据权利要求1所述的一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，其特征在于，步骤(B)中角速率

为

其中

和

为惯导安装误差的航向误差角、横滚误差角和纵倾误差角，

和

为“X-Y-Z”三轴角速率测量值，

为惯导三轴陀螺零偏在载体坐标系，即b系中的投影。

3.根据权利要求2所述的一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，其特征在于，对惯导安装误差和陀螺零偏进行反馈修正的方法为：根据最小二乘估计结果，计算

其中

表示惯导坐标系即g系到载体坐标系即b系的方向余弦矩阵，Δ_ψ,k、Δ_γ,k、Δ_θ,k为惯导安装航向误差角、横滚误差角和纵倾误差角的估计值，

为陀螺零偏向量的估计值，将上述

和

的估计结果代入步骤(B)中，实现对惯导安装误差和陀螺零偏的反馈修正。

4.根据权利要求1所述的一种动中通天线的惯导安装误差自动标定方法，其特征在于，步骤(D)中利用递推最小二乘估计器，估计惯导安装误差和陀螺零偏的同时，对惯导安装误差和陀螺零偏进行了反馈修正。

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