CN112304339A - 一种卫星移动通信天线的惯导校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星移动通信天线的惯导校准方法,包括在标准室温下,天线放置于水平校准平台上,惯导安装于天线俯仰轴侧边;上电后,采集陀螺传感器数据,控制电机运动,使惯导保持水平状态静态预热;采集陀螺在3个方向轴上的零位数据,采用算术平均滤波法得到零位值;方位电机开始以10°/s的实际速度连续旋转,经上述方式处理得到实际速度;依次旋转电机从20°/s、30°/s、……,直至100°/s,得到采样速度Gz2、Gz3、……、Gz10;根据采样速度与实际速度确定拟合直线斜率k和截距b,减小采样速度与实际速度之间非线性影响,根据以上方法实现横滚、俯仰方向的陀螺校准,降低陀螺的零偏及非线性度实现惯导校准。
Description
技术领域
本发明涉及卫星移动通信领域,尤其涉及一种卫星移动通信天线的惯导校准方法。
背景技术
随着移动载体卫星通信技术的广泛运用,卫星天线的跟踪性能指标对惯导系统的可靠性和精度方面提出了越来越高的要求。目前在大多数天线设计方案中,采用高精度的MEMS陀螺作为测姿传感器,其成本昂贵。且需要满足在一定的环境条件下,对速率转台上的惯导进行零位校准和线性度校准。
另外,由于在卫星天线的信号反馈系统中采用含有MEMS惯性测量单元 (IMU) 的高性能运动控制系统,传感器对准误差常常是其关键考虑之一。对于IMU中的陀螺仪,其对准误差体现在各陀螺仪的旋转轴与系统定义的“惯性参考系”之间的角度差。如图1所示即为陀螺仪相对于其封装边缘(即惯性参考系)的对准误差,实线代表封装内部陀螺仪的各个旋转轴,ψx、ψy、ψz代表三个对准误差项的最大值。一个惯导系统在实际应用中的对准精度取决于两个关键因素:陀螺仪的对准误差和在运行过程中将其固定就位的机械系统的精度。
发明内容
本发明提出了一种卫星移动通信天线的惯导校准方法,通过微机电MEMS(MicroElectron Mechanical System)传感器搭建出具有较高精度的惯导自校准系统,减小了陀螺的零偏误差及非线性度,从而降低了惯导模块的对准误差影响,提高了惯导模块的性能精度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
一种卫星移动通信天线的惯导校准方法,包括以下步骤:
S1、在标准室温环境条件下,将天线放置于水平校准平台上,惯导模块则安装于天线俯仰轴的侧边,并使惯导模块的底面与天线锅面的中轴线在俯仰方向上的夹角为30°~60°,使得天线锅面在跟踪卫星信号时,惯导模块的倾角保证在-60°~60°范围内;
S2、通电后,天线控制器获取惯导模块中加速度传感器采集的锅面倾角数据,控制方位、横滚以及俯仰三个方向上的电机运动,使所述惯导模块保持水平状态,即惯导模块处于零位状态,然后静态预热10~30分钟,以减少惯导模块温度波动对其性能的影响;
S3、天线控制器获取陀螺传感器在方位、横滚以及俯仰三个方向轴上的零位数据,并采用算术平均滤波法得到陀螺传感器在三个方向上的角速度零位值Gx0、Gy0、Gz0;
S4、方位电机控制天线锅面开始以10°/s的速度连续旋转,天线控制器获取陀螺传感器采集到的天线锅面在方位方向上的角速度数据,然后通过算术平均滤波法处理后得到陀螺传感器所采集到的方位方向上的角速度Gz1;
S5、重复步骤S4的方法,天线锅面依次以20°/s、30°/s、40°/s、……、100°/s的速度旋转,陀螺传感器依次采集到天线锅面在方位方向上的相应角速度Gz2、Gz3、Gz4、……、Gz10;
S6、设定陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面在方位方向上的转动速度的拟合直线关系式(1),其中:n=0、1、2、3、……、10,n为自然数,为天线锅面在方位方向上的转动速度,为陀螺传感器在方位方向上的采样速度,b为拟合直线的截距,k为拟合直线的斜率,且(2),其中:、、的展开式分别为,,,将步骤S3~S5测量得到的一系列数据(Gz0,0)、 (Gz1,10)、(Gz2,20)、……、(Gz10,100),先后代入公式(2)及公式(1)后得到斜率k和截距b,从而得到陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面在方位方向上的转动速度的拟合直线关系式;
S7、天线控制器将上述拟合直线关系式存储于天线控制器的内部存储单元中,以减小陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面在方位方向上的实际转动速度之间的非线性度影响;
S8、重复步骤S4~S7的方法,分别得到陀螺传感器在横滚方向上的采样速度与天线锅面在横滚方向上的转动速度的拟合直线关系式,以及陀螺传感器在俯仰方向上的采样速度与天线锅面在俯仰方向上的转动速度的拟合直线关系式,并将其存储于天线控制器的内部存储单元中,用于降低陀螺传感器的采样速度与天线锅面实际的转动速度之间存在的误差;
S9、天线控制器根据惯导模块中陀螺传感器的采样速度与天线锅面实际的转动速度分别在方位、横滚以及俯仰三个方向上的拟合直线关系对陀螺传感器在三个方向轴上采集到的采样速度数据进行校准,即当使用陀螺传感器采集在方位、横滚以及俯仰三个方向上的采样速度时,将三个采样速度分别代入上述三个方向上的拟合直线关系式中,计算得出天线锅面在方位、横滚以及俯仰三个方向上的转动速度,该组转动速度即为陀螺传感器校准后在方位、横滚以及俯仰三个方向上的数据结果。
进一步的,MEMS惯性测量单元 (IMU)即为通常所描述的惯导模块,惯导模块中包括三轴陀螺传感器和三轴加速度传感器,其中:陀螺传感器用于采集方位电机、横滚电机以及俯仰电机在对应方向轴上的角速度,加速度传感器则用于测量天线锅面在横滚、俯仰方向的倾角角度。
与现有技术相比,本发明的优点是通过使用微机电MEMS(Micro ElectronMechanical System)传感器搭建出具有较高精度的惯导自校准系统,减小了陀螺的零偏及非线性度,达到降低惯导模块在天线上安装后带来的对准误差影响。此外,由于惯导模块的底面与锅面中轴线在俯仰方向上的夹角为30°~60°,使得天线锅面在跟踪卫星信号时,保证了惯导模块的倾角在-60°~60°范围内,不会存在倾角翻转90°的问题,且由于倾角值是通过加速度传感器采样后,经过反正弦计算得到,当倾斜角度大于60°时,传感器将变得不灵敏,也使得精度会变差,因此该安装方式倾角精度相对较高,有助于提高陀螺的校准精度。
附图说明
图1为陀螺仪所存在的对准误差的示意图;
图2为本发明的流程图;
图3为惯导模块在卫星天线上的安装示意图。
附图标记说明:
1—天线基座,2—天线锅面,3—锅面支架,4—惯导模块,5—锅面中轴线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
本发明提供的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2所示,一种卫星移动通信天线的惯导校准方法,包括以下步骤:
S1、在标准室温环境条件下,将天线放置于水平校准平台上,惯导模块4则安装于天线俯仰轴的侧边,并使惯导模块4的底面与天线锅面2的中轴线5在俯仰方向上的夹角为30°~60°,使得天线锅面2在跟踪卫星信号时,惯导模块4的倾角保证在-60°~60°范围内;
S2、通电后,天线控制器获取惯导模块4中加速度传感器采集的锅面倾角数据,控制方位、横滚以及俯仰三个方向上的电机运动,使所述惯导模块4保持水平状态,即惯导模块4处于零位状态,然后静态预热10~30分钟,以减少惯导模块4温度波动对其性能的影响;
S3、天线控制器获取陀螺传感器在方位、横滚以及俯仰三个方向轴上的零位数据,并采用算术平均滤波法得到陀螺传感器在三个方向上的角速度零位值Gx0、Gy0、Gz0;
S4、方位电机控制天线锅面2开始以10°/s的速度连续旋转,天线控制器获取陀螺传感器采集到的天线锅面2在方位方向上的角速度数据,然后通过算术平均滤波法处理后得到陀螺传感器所采集到的方位方向上的角速度Gz1;
S5、重复步骤S4的方法,天线锅面2依次以20°/s、30°/s、40°/s、……、100°/s的速度旋转,陀螺传感器依次采集到天线锅面2在方位方向上的相应角速度Gz2、Gz3、Gz4、……、Gz10;
S6、设定陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面2在方位方向上的转动速度的拟合直线关系式(1),其中:n=0、1、2、3、……、10,n为自然数,为天线锅面2在方位方向上的转动速度,为陀螺传感器在方位方向上的采样速度,b为拟合直线的截距,k为拟合直线的斜率,且(2),其中:、、的展开式分别为,,,将步骤S3~S5测量得到的一系列数据(Gz0,0)、 (Gz1,10)、(Gz2,20)、……、(Gz10,100),先后代入公式(2)及公式(1)后得到斜率k和截距b,从而得到陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面2在方位方向上的转动速度的拟合直线关系式;
S7、天线控制器将上述拟合直线关系式存储于天线控制器的内部存储单元中,以减小陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面2在方位方向上的实际转动速度之间的非线性度影响;
S8、重复步骤S4~S7的方法,分别得到陀螺传感器在横滚方向上的采样速度与天线锅面2在横滚方向上的转动速度的拟合直线关系式,以及陀螺传感器在俯仰方向上的采样速度与天线锅面2在俯仰方向上的转动速度的拟合直线关系式,并将其存储于天线控制器的内部存储单元中,用于降低陀螺传感器的采样速度与天线锅面2实际的转动速度之间存在的误差;
S9、天线控制器根据惯导模块4中陀螺传感器的采样速度与天线锅面2实际的转动速度分别在方位、横滚以及俯仰三个方向上的拟合直线关系对陀螺传感器在三个方向轴上采集到的采样速度数据进行校准,即当使用陀螺传感器采集在方位、横滚以及俯仰三个方向上的采样速度时,将三个采样速度分别代入上述三个方向上的拟合直线关系式中,计算得出天线锅面2在方位、横滚以及俯仰三个方向上的转动速度,该组转动速度即为陀螺传感器校准后在方位、横滚以及俯仰三个方向上的数据结果。
如图3所示,图3为本发明的惯导模块4在卫星天线上的安装示意图,其中惯导模块4安装在锅面支架3的侧边,且惯导模块4的侧面与天线锅面中轴线5在俯仰方向上的夹角α为30°~60°。
本方法让卫星移动通信系统上使用的惯导模块4实现高精度校准后,得到更高精度的移动载体或者天线锅面2的运动姿态数据,这样卫星移动通信系统就可以采用更廉价的捷联式惯性导航系统,让卫星移动通信设备更为普及。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式,本发明的保护范围以权利要求书为准,任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种卫星移动通信天线的惯导校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在标准室温环境条件下,将天线放置于水平校准平台上,惯导模块则安装于天线俯仰轴的侧边,并使惯导模块的底面与锅面的中轴线在俯仰方向上的夹角为30°~60°,使得天线锅面在跟踪卫星信号时,惯导模块的倾角保证在-60°~60°范围内;
S2、通电后,天线控制器获取惯导模块中加速度传感器采集的锅面倾角数据,控制方位、横滚以及俯仰三个方向上的电机运动,使所述惯导模块保持水平状态,即惯导模块处于零位状态,然后静态预热10~30分钟,以减少惯导模块温度波动对其性能的影响;
S3、天线控制器获取陀螺传感器采集的在方位、横滚以及俯仰三个方向轴上的零位数据,并采用算术平均滤波法得到陀螺传感器在三个方向上的角速度零位值Gx0、Gy0、Gz0;
S4、方位电机控制天线锅面开始以10°/s的速度连续旋转,天线控制器获取陀螺传感器采集到的天线锅面在方位方向上的角速度数据,然后通过算术平均滤波法处理后得到陀螺传感器所采集到的方位方向上的角速度Gz1;
S5、重复步骤S4的方法,天线锅面依次以20°/s、30°/s、40°/s、……、100°/s的速度旋转,陀螺传感器依次采集到天线锅面在方位方向上的相应角速度Gz2、Gz3、Gz4、……、Gz10;
S6、设定陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面在方位方向上的转动速度的拟合直线关系式(1),其中:n=0、1、2、3、……、10,n为自然数,为天线锅面在方位方向上的转动速度,为陀螺传感器在方位方向上的采样速度,b为拟合直线的截距,k为拟合直线的斜率,且(2),其中:、、的展开式分别为,,,将步骤S3~S5测量得到的一系列数据(Gz0,0)、 (Gz1,10)、(Gz2,20)、……、(Gz10,100),先后代入公式(2)及公式(1)后得到斜率k和截距b,从而得到陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面在方位方向上的转动速度的拟合直线关系式;
S7、天线控制器将上述拟合直线关系式存储于天线控制器的内部存储单元中,以减小陀螺传感器在方位方向上的采样速度与天线锅面在方位方向上的实际转动速度之间的非线性度影响;
S8、重复步骤S4~S7的方法,分别得到陀螺传感器在横滚方向上的采样速度与天线锅面在横滚方向上的转动速度的拟合直线关系式,以及陀螺传感器在俯仰方向上的采样速度与天线锅面在俯仰方向上的转动速度的拟合直线关系式,并将其存储于天线控制器的内部存储单元中,用于降低陀螺传感器的采样速度与天线锅面实际的转动速度之间存在的误差;
S9、天线控制器根据惯导模块中陀螺传感器的采样速度与天线锅面实际的转动速度分别在方位、横滚以及俯仰三个方向上的拟合直线关系对陀螺传感器在三个方向轴上采集到的采样速度数据进行校准,即当使用陀螺传感器采集在方位、横滚以及俯仰三个方向上的采样速度时,将三个采样速度分别代入上述三个方向上的拟合直线关系式中,计算得出天线锅面在方位、横滚以及俯仰三个方向上的转动速度,该组转动速度即为陀螺传感器校准后在方位、横滚以及俯仰三个方向上的数据结果。
2.如权利要求1所述的一种卫星移动通信天线的惯导校准方法,其特征在于:所述惯导模块包括三轴陀螺传感器和三轴加速度传感器,其中:陀螺传感器用于采集方位电机、横滚电机以及俯仰电机在对应方向轴上工作时的角速度,加速度传感器则用于测量天线锅面在横滚方向、俯仰方向的倾角角度。
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