CN113985464A - 一种用于车载卫星动中通的零位标定方法及系统 - Google Patents

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CN113985464A CN202111280633.9A CN202111280633A CN113985464A CN 113985464 A CN113985464 A CN 113985464A CN 202111280633 A CN202111280633 A CN 202111280633A CN 113985464 A CN113985464 A CN 113985464A
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Abstract

本发明涉及一种用于车载卫星动中通的零位标定方法及系统。该方法包括：利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值；在卫星对星过程中进行俯仰角静扫确定信号最强的位置的俯仰角；根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差；根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值。本发明提高卫星动中通的天线波束指向的稳定性，提高捕获卫星的可靠性。

Description

一种用于车载卫星动中通的零位标定方法及系统
技术领域
本发明涉及移动卫星通信技术领域，特别是涉及一种用于车载卫星动中通 的零位标定方法及系统。
背景技术
卫星动中通技术是一种宽带卫星移动通信技术，不仅具有卫星通信的优 点，还可以实现快速部署、远程无线多媒体通信，在军事和民用领域都有广阔 的应用前景。卫星动中通，简单的说，就是安装在移动载体(如汽车、火车、 飞机、轮船等)上的固定卫星通信地球站。众所周知，固定卫星站能够与同步 轨道卫星建立通信链路的前提条件是天线波束的方位、俯仰和极化三维对准卫 星，而动中通将固定卫星地球站放置于不停运动的载体上，在此过程中，克服 载体姿态角的变化始终保持天线指向目标卫星就成为卫星动中通系统需要解 决的首要任务。
卫星天线通常安装在方位、俯仰坐架上，为了时刻保持与卫星的指向对准， 需要有相应的姿态角测量设备以及电机驱动装置，通过测量载体的姿态角度变 化，经过补偿计算，得到电机的运动角度，从而驱动电机调整卫星天线的指向， 保持天线波束的惯性空间稳定。姿态角的获取通常采用卫星导航系统/微惯性 测量单元(GNSS/MIMU)融合的组合系统来实现，MIMU误差较大，但是成本 低，对于降低动中通成本来说具有重要的意义。MIMU可以捷联按照在载体上， 也可以安装在天线转台上。当安装于天线转台上时，方位陀螺可以起到惯性测 速机的作用，对于稳定指向来说是极为有利的，同时也减轻了对于陀螺精度的依赖。但是，低精度的GNSS/MIMU系统存在一个突出的问题，即航向角的 估计精度差、收敛慢，甚至在车辆机动情况不强时，会出现航向角度发散等问 题。解决此问题的一个有效的方法就是利用动态情况下GNSS输出的地速航向 角(course angle)来辅助其航向角的获取和修正。但是GNSS获取的地速航向 角是车辆运动正前方与地理正北向的夹角，该角度需要转换到MIMU坐标系 (即i系，如图2所示)，该转换角即为方位角零位A0。此外，对于俯仰电机来说，其控制量为俯仰指向角度的绝对位置，电机的俯仰角度指令必须在俯仰 角机械归零时的角度零位β0精确已知的基础上才可实现精确指向。
传统的方法是通过角度测量设备，在卫星动中通设备安装到载体上之后， 分别测量天线复位之后的方位角和俯仰角的机械结构零位与载体的正前方和 转台水平面之间的夹角，从而实现零位标定。这样的方法，存在以下不足：1) 不论方位角还是俯仰角，角度测量仪器均无法精确测量出天线的电波波束中心 与车辆的正前方和水平夹角，都是一种近似测量。例如，对于俯仰零位标定， 通常依次测量IMU的倾角以及天线面的倾角，而后二者作差得到俯仰零位， 该方法较为粗糙，误差较大；对于航向角标定来说，还需要大致估算车体的正 前方基线，标定精度无法保证；2)由于每套天线的安装位置以及安装形变都 可能不同，因此，每套天线都需要测量人员上至车顶，加电复位而后测量，对 于标定过程来说，极为不便。
针对现有方位角度和俯仰角度零位标定技术的不足，亟需一种全自主零位 标定算法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于车载卫星动中通的零位标定方法及系统，提 高卫星动中通的天线波束指向的稳定性，提高捕获卫星的可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于车载卫星动中通的零位标定方法，包括：
利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单元MIMU输 出的姿态角确定方位角的零位标定值；方位角的零位为车体运动航向角与天线 初始指向之间的夹角；所述天线初始指向为加电复位机械归零的角度指向；
在卫星对星过程中进行俯仰角静扫确定信号最强的位置的俯仰角；
根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差；
根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值。
可选地，所述利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单 元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值，具体包括：
在动中通静态情况下对星，根据车辆直线运动的状态，确定当前MIMU 的输出的姿态角以及GNSS输出的地速航向角；
利用公式
Figure BDA0003330759210000031
确定车体的姿态角；
根据GNSS输出的地速航向角替换姿态角中的航向角，利用公式
Figure BDA0003330759210000032
确定编码器差角的估计值；
根据编码器差角的估计值以及公式
Figure BDA0003330759210000033
更新车 体的姿态角；
迭代计算n次，直到达到设定要求为止，此时的编码器差角的估计值αn即 为目标值；
根据目标值确定方位角的零位；
根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000034
与
Figure BDA0003330759210000035
均为变换矩阵，φ,θ,
Figure BDA0003330759210000036
均为车体的姿态角，α、α1、αn均为编码器差角的估计值，H、P、R均为当前MIMU的输出的姿态角，HGNSS为GNSS输出的地速航向角。
可选地，所述根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定 值，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003330759210000037
确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000038
为方位角的零位标定值，Ai为第i次计算方位角的零位标定值。
可选地，所述根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差，具体 包括：
利用公式
Figure BDA0003330759210000039
确定俯仰角的零位误差；
其中，Δβ为俯仰角的零位误差，E为地理系上对星的俯仰角，βmax为信号 最强的位置的俯仰角编码器角度值，P为通过俯仰角最大信号法反推出的惯导 俯仰角的估计值，γ为极化电机的编码器角度，V为地理坐标系上对星的极化 角，Pa为惯导俯仰角的实际值。
可选地，所述根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值，具体包括：
利用公式β0＝βraw+Δβ确定俯仰角的零位标定值；
其中，β0为俯仰角的零位标定值，βraw为设计零位。
一种用于车载卫星动中通的零位标定系统，包括：
方位角的零位标定值确定模块，用于利用卫星导航设备GNSS输出的地速 航向角和微惯性测量单元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值；方 位角的零位为车体运动航向角与天线初始指向之间的夹角；所述天线初始指向 为加电复位机械归零后的指向角度；
信号最强的位置的俯仰角确定模块，用于在卫星对星过程中进行俯仰角静 扫确定信号最强的位置的俯仰角；
俯仰角的零位误差确定模块，用于根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰 角的零位误差；
俯仰角的零位标定值确定模块，用于根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的 零位标定值。
可选地，所述方位角的零位标定值确定模块具体包括：
MIMU的输出的姿态角以及GNSS输出的地速航向角确定单元，用于在 动中通静态情况下对星，根据车辆直线运动的状态，确定当前MIMU的输出 的姿态角以及GNSS输出的地速航向角；
车体的姿态角确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003330759210000041
确定车体的姿态角；
编码器差角的估计值确定单元，用于根据GNSS输出的地速航向角替换姿 态角中的航向角，利用公式
Figure BDA0003330759210000042
确定编码器差 角的估计值；
车体的姿态角更新单元，用于根据编码器差角的估计值以及公式
Figure BDA0003330759210000043
更新车体的姿态角；
迭代单元，用于迭代计算n次，直到达到设定要求为止，此时的编码器差 角的估计值即为目标值；
方位角的零位确定单元，用于根据目标值确定方位角的零位；
方位角的零位标定值确定单元，用于根据方位角的零位，采用滑动平均法 确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000051
与
Figure BDA0003330759210000052
均为变换矩阵，φ,θ,
Figure BDA0003330759210000053
均为车体的姿态角，α、α1、αn均为编码器差角的估计值，H、P、R均为当前MIMU的输出的姿态角，HGNSS为GNSS输出的地速航向角。
可选地，所述方位角的零位标定值确定单元具体包括：
方位角的零位标定值确定子单元，用于利用公式
Figure BDA0003330759210000054
确定方 位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000055
为方位角的零位标定值，Ai为第i次计算方位角的零位标定值。
可选地，所述俯仰角的零位误差确定模块具体包括：
俯仰角的零位误差确定模块确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003330759210000056
确定俯仰角的零位误差；
其中，Δβ为俯仰角的零位误差，E为地理系上对星的俯仰角，βmax为信号 最强的位置的俯仰角编码器角度值，P为通过俯仰角最大信号法反推出的惯导 俯仰角的估计值，γ为极化电机的编码器角度，V为地理坐标系上对星的极化 角，Pa为惯导俯仰角的实际值。
可选地，所述俯仰角的零位标定值确定模块具体包括：
俯仰角的零位标定值确定单元，用于利用公式β0＝βraw+Δβ确定俯仰角的 零位标定值；
其中，β0为俯仰角的零位标定值，βraw为设计零位。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法及系统，所采用 的方法可以无需专用测量人员、测量仪器以及人工计算等步骤；所采用的标定 方法是以天线电波波束为基准，比人工测量方法相比，更为科学、精确。针对 任何安装车辆和任何使用现场，标定方法均相同，无需对动中通天线的安装位 置等提出额外要求。即本发明步骤简单，设计合理且实现方便，对于车载卫星 动中通的实际使用具有重要的现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法流程示 意图；
图2为(车辆水平情况下)方位角和俯仰角零位示意图；
图3为(车辆水平情况下)方位角零位计算示意图；
图4为倾斜情况下的角度关系示意图；
图5为方位零位标定方法示意图；
图6为俯仰角度误差与零位关系示意图；
图7为俯仰角精对准示意图；
图8为本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统结构示 意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。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。
本发明的目的是提供一种用于车载卫星动中通的零位标定方法及系统，提 高卫星动中通的天线波束指向的稳定性，提高捕获卫星的可靠性。
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。
地速航向角表示的是车体的运动方向，如图2所示，车体运动方向为OYb方向(此方向即地速航向角指向)，而动中通指向卫星方向为OYi方向(此方 向即MIMU的航向角指向)。图中涉及到的三个坐标系分别是i系、b系和n 系，i系表示MIMU所对应的坐标系，b系为车体对应的坐标系，n系表示当 地地理坐标系(东北天坐标系，x指向东向，y指向北向，z指向天向)，其 它两个坐标系的Y轴都指向正前方，X轴指向右，符合右手定则。
假设车体处于绝对水平面上，GNSS测量得到的地速航向角HGNSS，MIMU 的航向角HIMU，二者之间的差角为：
dH＝HIMU-HGNSS；
天线复位归零时，作为初始化的一个环节，方位编码器归零，认为此时为 方位角度机械零位，则当方位转台旋转到天线波束正前方与车体正前方一致 时，此时编码器读数即为需要标定的方位零位M0，该零位的物理意义很明确， 即天线方位转台转动到和车体坐标系完全重合时(OY0于OYb重合)方位编码 器所显示的角度，此时MIMU的姿态角即为车体的姿态角，二者完全一致， 则利用GNSS的地速航向角辅助MIMU成为可能。
假设对准目标卫星时，编码器角度为Mi，则该角度即为天线从机械零位 开始到寻找到目标卫星期间所运动的角度。由于车体水平，故航向角的差角与 编码器的差角都可认为在当地地理坐标系，则航向角之间的差角dH包含了编 码器运动角度Mi以及编码器机械归零位置与车体正前方的夹角A0，因此有：
dH＝Mi+A0；
因此，可以得到：
A0＝(HIMU-HGNSS)-Mi；
有了上述的关系后，就可以得到
HIMU＝HGNSS+(A0+Mi)；
如公式所示，得到了标定方位角零位A0的方法，有了该角度之后，便可 以通过GNSS测量的航向角来推算出当前的组合导航所需要的航向角HIMU，用 于辅助组合导航的初始对准和遮挡情况下的再赋值。
但是，上述的求解过程是在车体处于水平地面的情况，如果车辆不在水平 地面行驶，而是有坡度，则上述的简单关系不再成立。如图4所示，车辆在一 个斜面上行驶，该斜面通过俯仰角P和横滚角R表征。电机编码器所反应出 来的角度均是在斜面上，而GNSS测量的地速航向角以及MIMU的航向角都 是定义在地理系上的(需要投影到水平面)，因此简单的关系式dH＝Mi+A0不 再成立，必须将斜面上的电机编码器角度关系转换到地理系之后才可进行计 算。
图1为本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法流程示 意图，如图1所示，本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法， 包括：
S101，利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单元 MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值；方位角的零位为车体运动航向 角与天线初始指向之间的夹角；所述天线初始指向为加电复位机械归零后的指 向角度；
S101具体包括：
在动中通静态情况下对星，确定当前MIMU的输出的姿态角以及GNSS 输出的地速航向角；
利用公式
Figure BDA0003330759210000081
确定车体的姿态角；
根据GNSS输出的地速航向角替换姿态角中的航向角，利用公式
Figure BDA0003330759210000082
确定编码器差角的估计值；
根据编码器差角的估计值以及公式
Figure BDA0003330759210000083
更新车 体的姿态角；
迭代计算n次，直到达到设定要求为止，此时的编码器差角的估计值即为 目标值；
根据目标值确定方位角的零位；
根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000091
与
Figure BDA0003330759210000092
均为变换矩阵，φ,θ,
Figure BDA0003330759210000093
均为车体的姿态角，α、α1、αn均为编码器差角的估计值，H、P、R均为当前MIMU的输出的姿态角，HGNSS为GNSS输出的地速航向角。
所述根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定值，
具体包括：
利用公式
Figure BDA0003330759210000094
确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000095
为方位角的零位标定值，Ai为第i次计算方位角的零位标定值。
其中具体的推算过程为：
为了标定出方位角度的零位A0，该零位的物理意义为天线波束与车头正 前方一致时的方位角编码器读数，由于载体并非在水平地面上，因此将涉及的 角度都变换到斜面上以方便求解。下面考虑坐标系变换关系：
Figure BDA0003330759210000096
其中的角度H、P、R为惯导输出的姿态角，该姿态角会随着方位转台的 转动而改变，姿态角φ,θ,
Figure BDA0003330759210000097
表示车体的姿态角，其中的
Figure BDA0003330759210000098
表示从地理坐标系(n)变换到惯导坐标系(i)的变换矩阵。其它两个变换矩 阵
Figure BDA0003330759210000099
和
Figure BDA00033307592100000910
与
Figure BDA00033307592100000911
结构一样，只是需要将相应的角度替换。
通过方位扫描，天线对准卫星之后，可以通过几何关系推算出当前的航向 角H。同时，GNSS在车辆运动过程中可以得到车辆的航向角φ，则通过公式 即可解出未知数A0，定义α＝Mi+A0，通过展开该公式，有
Figure BDA0003330759210000101
公式中的cR表示cosR，sR表示sinR。由以上方程求解α较为复杂，因此 这里提出采用迭代求解方法，计算过程如下表1所示：
表1
Figure BDA0003330759210000102
其原理为：首先假设在水平面上，此时α＝H-φ,θ＝P,
Figure RE-GDA0003367867950000112
但是由 于存在倾斜，即P、R不为0，斜面上旋转α角度之后，根据坐标系关系 计算出来的俯仰角θ和横滚角
Figure RE-GDA0003367867950000113
必定发生变化(例如，当α＝0°时， θ＝P,
Figure RE-GDA0003367867950000114
而当α＝90°时，θ＝R,
Figure RE-GDA0003367867950000115
)。由于车体并不水平，故 α≠H-φ，通过α＝H-φ计算出来的φ1、θ1、
Figure RE-GDA0003367867950000116
也存在误差，此时将GNSS 得到的正确的HGNSS替换掉有误差的φ1，可以反推出更加接近真实值的α1， 经过这样的多次递推，最终可以得到精度较高的估计值。下面以一个具体 的算例来说明上述计算过程，并大致确定n的数值。
以亚洲7号卫星为例，在西安地区其对星角度为：方位角186.1°，俯仰角 50.0°，极化角-5.0°。假设动中通对星成功之后惯导的姿态角为H＝190.0°，P＝20.0°，R＝-5.0°，GNSS给出的地速航向角为HGNSS＝65.5°，如表2所示，下 面来计算标定值：
表2
Figure BDA0003330759210000111
通过上表可以发现，初始的角度α0＝H-φ0＝124.5°，载体的姿态角只有航 向角可以通过GNSS得到，而俯仰角和横滚角均未知，假设为0，而后迭代计 算，经过3次迭代之后，精确已经达到0.01°，可以认为迭代计算的次数n＝3 即可满足精度。上述的算例可以看出，按照载体水平的假设得到的dH＝124.5°， 而实际计算出来的编码器差角应该为Mi+A0＝127.24°，显然二者并不相等，相 差有2.75°之多，故整体的方位零位A0的标定过程应该充分考虑车辆的倾斜情 况。综上所述，方位零位的标定方法应该修正为首先通过上述迭代算法得到编 码器差角α，而后减去方位编码器当前的读取Mi，即A0＝α-Mi。
具体的标定方法还要考虑GNSS的有效性，因此对标定方法还要求车辆能 够有一段有效的直行行驶，且还要充分考虑到GNSS数据的测量误差，故除了 上述具体算法之外，还要对车辆运动情况以及数据误差做简单处理，因此，方 位零位的标定方法总结，如图5所示：
1)动中通静态情况下对星，得到此时MIMU的姿态角H、P、R；
2)为了利用GNSS测量的地速航向角，尽量选择开阔路面，车辆近似直 线行驶超过1分钟，车速超过5m/s。当判断地速航向角有效输出超过10s之后 开始平滑滤波，滤波器选择为简单的二阶butterworth滤波器(滤波器截止频 率可设定为0.5Hz)，并开始计时；
3)计时5s之后，滤波器基本稳定，开始将滤波之后的航向角带入到前述 的迭代算法一(如表1所示)，计算方位角零位估计值A0，每一次迭代的次 数设定为n＝3；
4)再次计时30s，在此过程中通过滑动平均法来进一步提高最终的标定 精度，即：假设第i次计算得到的标定值记为Ai，则标定值的估计值表示为
Figure BDA0003330759210000121
计时结束后，将最终得到的标定值
Figure BDA0003330759210000122
写入Flash，结束标定 过程。
上述标定过程可以得到较高精度的方位零位标定值，且充分考虑了车体在 各种路面的情况以及测量误差等。
S102，在卫星对星过程中进行俯仰角静扫确定信号最强的位置的俯仰角；
在车体静态情况下，通过加速度计的重力矢量测量可以计算出当前的惯导 俯仰角，而天线对准目标卫星之后，通过此时的俯仰角编码器角度也可以反推 出当前的惯导俯仰角。如果俯仰角零位存在误差，则反推出来的俯仰角与通过 加速度计测量得到的真实俯仰角不一致，通过二者的关系即可完成标定。
在载体静止情况下，加速度计通过重力测量值可计算出转台的俯仰角，
Figure BDA0003330759210000123
上式中的ay为MIMU内部三个正交放置的加速度计中y轴加速度计的测 量值，g为重力加速度值。下面看如何通过对准卫星反推出当前的MIMU俯仰 角。
对准卫星的第一步是搜索卫星。初始寻星开始时，根据惯导给出的俯仰角 和横滚角值，将天线的俯仰角和极化角调整到位，而后方位旋转扫描寻星，通 过卫星信号寻找目标卫星。对准卫星之后，如果俯仰角无误差，则此时卫星信 号为最大值，即对准了卫星。如果俯仰角零位有误差，则此时的俯仰角电机指 令角与实际天线的空间指向角度不符，会带来电机在空间中的绝对指向偏差， 可能无法搜索到卫星信号。如图6所示，例如，设计βraw＝2.0°，而实际的零位 为β0＝3.5°，则当计算出来的俯仰角指令β＝50.5°，此时电机运动到编码器指示 为50.5°时并不能对准卫星，而应该调整到βmax＝52°才可。通过上述的例子，很容易发现，电机调整的角度是以零位角度为参考，一旦该参考有误，则最后的 指令角也会出现相应的误差。如果这个差距过大，则俯仰角指向可能偏离出卫 星波束，无法找到卫星。
因此，在寻星过程中需要动态调整俯仰角度，具体方法为：旋转方位角一 周之后，若无法根据卫星信标接收机信号锁定卫星，锁定卫星的标准是接收到 的卫星信号强度要大于卫星捕获阈值XT(该阈值通常根据信标接收机的特性 根据经验选定)，则调整俯仰角角度为β+(-1)n2n(n为旋转圈数，考虑一般 常用的卫星动中通均为小口径天线，俯仰角波束宽度一般为3°至5°，这里选 择每一个调整步长为2°)，继续旋转方位角寻星，直到对准目标卫星。
上述为对星过程中俯仰角的大范围扫描，可以克服零位误差造成的方位旋 转搜星无法找到卫星信号的问题，如果要求精确指向卫星，则还需要进行俯仰 角的精确扫描。由于天线波束对称，如图6所示，在当前俯仰角的基础上，驱 动俯仰电机上下运动扫描，记下到达信号强度Ee的上下两个角度βe1、βe2，则 信号最大值对应的俯仰角度即为
Figure BDA0003330759210000131
通过上述方法即可实现俯仰 的精对准。
此时，天线精确对准卫星，通过坐标系变换关系可得各角度之间的关系为
Figure BDA0003330759210000132
这里的s表示天线波束坐标系，角度β,γ分别表示从安装惯导的转台坐标 系到天线波束坐标系的变换角，实际上就是动中通天线的驱动电机需要调整的 角度。注意到这里的方位角为0，并不是编码器角度为0，而是因为惯导安装 在天线转台上(如图2、3所示)，惯导坐标系i系到波束坐标系s系之间并 无方位角差角，只有俯仰角和极化角。其中的
Figure BDA0003330759210000141
表示从地理坐标系到 天线波束坐标系的变换矩阵，三个角度方位角A、俯仰角E、极化角V可以通 过当前的地理位置与目标卫星之间的地理位置的关系得到，这三个角度实际上 就是在地面固定的卫星天线对星的三个角度。式的物理意义即，先从地理系n 利用矩阵
Figure BDA0003330759210000142
变换到惯导系i，而后再经过惯导系i利用
Figure BDA0003330759210000143
变换 到波束坐标系s，与从地理系i直接利用
Figure BDA0003330759210000144
变换到波束系s是等价的， 该方程表明了动中通的基本原理。
将式变换一下得到
Figure BDA0003330759210000145
展开之后：
Figure BDA0003330759210000146
只考虑第二行第三列包含有sinP的项，得到：
sP＝-sγ·sβmax·sV·cE+cβmax·sE-cγ·sβmax·cV·cE
进一步，sinP＝sinEcosβmax-cosEsinβmaxcos(γ-V)；
如果γ-V＝0，显然有sinP＝sin(E-βmax)，即P＝E-βmax，这是车体水平情况下 的直接变换关系，即惯导的俯仰角等于地理对星俯仰角减去当前俯仰编码器角 度。通过式，可以通过βmax求出惯导俯仰角P的估计值。
S103，根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差；
S103具体包括：
利用公式
Figure BDA0003330759210000147
确定俯仰角的零位误差；
其中，Δβ为俯仰角的零位误差，E为地理系上对星的俯仰角，βmax为信号 最强的位置的俯仰角编码器角度值，P为通过俯仰角最大信号法反推出的惯导 俯仰角的估计值，γ为极化电机的编码器角度，V为地理系上对星的极化角，Pa为惯导俯仰角的实际值。
S103具体的推导过程为：
Δβ＝βmax-β＝β0-βraw，故：
β0＝βraw+Δβ＝βraw+(βmax-β)；
根据真实惯导俯仰角Pa以及设计零位βraw计算得到的对星俯仰角为β，而 根据最大信号修正过后的俯仰角为βmax，反推出的惯导俯仰角为P，上述的关 系可以通过式写为：
Figure BDA0003330759210000151
上述两式相减，得：
sinPa-sinP＝sinE(cosβmax-cosβ)-cosEcos(γ-V)(sinβmax-sinβ)；
考虑到设计零位与真实零位之间的差距通常小于5°，利用小角度近似， 式进一步：
(cosP)(Pa-P)＝-sinE·sinβmax·Δβ-cosE·cosβmaxcos(γ-V)·Δβ；
因此，最后得到俯仰角零位误差为：
Figure BDA0003330759210000152
仍然考虑式时的特例情况，即γ-V＝0，有P＝E-βmax，则变为Δβ＝(Pa-P)， 显然符合直观理解。
S104，根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值。
S104所述根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值，具体包括：
利用公式β0＝βraw+Δβ确定俯仰角的零位标定值；
其中，β0为俯仰角的零位标定值，βraw为设计零位。
图8为本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统结构示 意图，如图8所示，本发明所提供的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统， 包括：
方位角的零位标定值确定模块801，用于利用卫星导航设备GNSS输出的 地速航向角和微惯性测量单元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值； 方位角的零位为车体运动航向角与天线初始指向之间的夹角；所述天线初始指 向为加电复位机械归零后的指向角度；
信号最强的位置的俯仰角确定模块802，用于在卫星对星过程中进行俯仰 角静扫确定信号最强的位置的俯仰角；
俯仰角的零位误差确定模块803，用于根据信号最强的位置的俯仰角确定 俯仰角的零位误差；
俯仰角的零位标定值确定模块804，用于根据俯仰角的零位误差确定俯仰 角的零位标定值。
所述方位角的零位标定值确定模块801具体包括：
MIMU的输出的姿态角以及GNSS输出的地速航向角确定单元，用于在 动中通静态情况下对星，确定当前MIMU的输出的姿态角以及GNSS输出的 地速航向角；
车体的姿态角确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003330759210000161
确定 车体的姿态角；
编码器差角的估计值确定单元，用于根据GNSS输出的地速航向角替换姿 态角中的航向角，利用公式
Figure BDA0003330759210000162
确定编码器差 角的估计值；
车体的姿态角更新单元，用于根据编码器差角的估计值以及公式
Figure BDA0003330759210000163
更新车体的姿态角；
迭代单元，用于迭代计算n次，直到达到设定要求为止，此时的编码器差 角的估计值即为目标值；
方位角的零位确定单元，用于根据目标值确定方位角的零位；
方位角的零位标定值确定单元，用于根据方位角的零位，采用滑动平均法 确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000171
与
Figure BDA0003330759210000172
均为变换矩阵，φ,θ,
Figure BDA0003330759210000173
均为车体的姿态角，α、α1、αn均为编码器差角的估计值，H、P、R均为当前MIMU的输出的姿态角，HGNSS为GNSS输出的地速航向角。
所述方位角的零位标定值确定单元具体包括：
方位角的零位标定值确定子单元，用于利用公式
Figure BDA0003330759210000174
确定方 位角的零位标定值；
其中，
Figure BDA0003330759210000175
为方位角的零位标定值，Ai为第i次计算方位角的零位标定值。
所述俯仰角的零位误差确定模块803具体包括：
俯仰角的零位误差确定模块确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003330759210000176
确定俯仰角的零位误差；
其中，Δβ为俯仰角的零位误差，E为地理系上对星的俯仰角，βmax为信号 最强的位置的俯仰角编码器角度值，P为通过俯仰角最大信号法反推出的惯导 俯仰角的估计值，γ为极化电机的编码器角度，V为地理系上对星的极化角，Pa为惯导俯仰角的实际值。
所述俯仰角的零位标定值确定模块804具体包括：
俯仰角的零位标定值确定单元，用于利用公式β0＝βraw+Δβ确定俯仰角的 零位标定值；
其中，β0为俯仰角的零位标定值，βraw为设计零位。
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。对于 实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较 简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于车载卫星动中通的零位标定方法，其特征在于，包括：
利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值；方位角的零位为车体运动航向角与天线初始指向之间的夹角；所述天线初始指向为加电复位机械归零后的指向角度；
在卫星对星过程中进行俯仰角静扫确定信号最强的位置的俯仰角；
根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差；
根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值。
2.根据权利要求1所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法，其特征在于，所述利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值，具体包括：
在动中通静态情况下对星，确定当前MIMU的输出的姿态角以及GNSS输出的地速航向角；
利用公式
Figure FDA0003330759200000011
确定车体的姿态角；
根据GNSS输出的地速航向角替换姿态角中的航向角，利用公式
Figure FDA0003330759200000012
确定编码器差角的估计值；
根据编码器差角的估计值以及公式
Figure FDA0003330759200000013
更新车体的姿态角；
迭代计算n次，直到达到设定要求为止，此时的编码器差角的估计值即为目标值；
根据目标值确定方位角的零位；
根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure FDA0003330759200000014
与
Figure FDA0003330759200000015
均为变换矩阵，φ,θ,
Figure FDA0003330759200000016
均为车体的姿态角，α、α1、αn均为编码器差角的估计值，H、P、R均为当前MIMU的输出的姿态角，HGNSS为GNSS输出的地速航向角。
3.根据权利要求2所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法，其特征在于，所述根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定值，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003330759200000021
确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure FDA0003330759200000022
为方位角的零位标定值，Ai为第i次计算方位角的零位标定值。
4.根据权利要求1所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法，其特征在于，所述根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003330759200000023
确定俯仰角的零位误差；
其中，Δβ为俯仰角的零位误差，E为地理系上对星的俯仰角，βmax为信号最强的位置的俯仰角编码器角度值，P为通过俯仰角最大信号法反推出的惯导俯仰角的估计值，γ为极化电机的编码器角度，V为地理系上对星的极化角，Pa为惯导俯仰角的实际值。
5.根据权利要求4所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定方法，其特征在于，所述根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值，具体包括：
利用公式β0＝βraw+Δβ确定俯仰角的零位标定值；
其中，β0为俯仰角的零位标定值，βraw为设计零位。
6.一种用于车载卫星动中通的零位标定系统，其特征在于，包括：
方位角的零位标定值确定模块，用于利用卫星导航设备GNSS输出的地速航向角和微惯性测量单元MIMU输出的姿态角确定方位角的零位标定值；方位角的零位为车体运动航向角与天线初始指向之间的夹角；所述天线初始指向为加电复位机械归零后的指向角度；
信号最强的位置的俯仰角确定模块，用于在卫星对星过程中进行俯仰角静扫确定信号最强的位置的俯仰角；
俯仰角的零位误差确定模块，用于根据信号最强的位置的俯仰角确定俯仰角的零位误差；
俯仰角的零位标定值确定模块，用于根据俯仰角的零位误差确定俯仰角的零位标定值。
7.根据权利要求6所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统，其特征在于，所述方位角的零位标定值确定模块具体包括：
MIMU的输出的姿态角以及GNSS输出的地速航向角确定单元，用于在动中通静态情况下对星，确定当前MIMU的输出的姿态角以及GNSS输出的地速航向角；
车体的姿态角确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003330759200000031
确定车体的姿态角；
编码器差角的估计值确定单元，用于根据GNSS输出的地速航向角替换姿态角中的航向角，利用公式
Figure FDA0003330759200000032
确定编码器差角的估计值；
车体的姿态角更新单元，用于根据编码器差角的估计值以及公式
Figure FDA0003330759200000033
更新车体的姿态角；
迭代单元，用于迭代计算n次，直到达到设定要求为止，此时的编码器差角的估计值即为目标值；
方位角的零位确定单元，用于根据目标值确定方位角的零位；
方位角的零位标定值确定单元，用于根据方位角的零位，采用滑动平均法确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure FDA0003330759200000034
与
Figure FDA0003330759200000035
均为变换矩阵，φ,θ,
Figure FDA0003330759200000036
均为车体的姿态角，α、α1、αn均为编码器差角的估计值，H、P、R均为当前MIMU的输出的姿态角，HGNSS为GNSS输出的地速航向角。
8.根据权利要求7所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统，其特征在于，所述方位角的零位标定值确定单元具体包括：
方位角的零位标定值确定子单元，用于利用公式
Figure FDA0003330759200000037
确定方位角的零位标定值；
其中，
Figure FDA0003330759200000038
为方位角的零位标定值，Ai为第i次计算方位角的零位标定值。
9.根据权利要求6所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统，其特征在于，所述俯仰角的零位误差确定模块具体包括：
俯仰角的零位误差确定模块确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003330759200000041
确定俯仰角的零位误差；
其中，Δβ为俯仰角的零位误差，E为地理系上对星的俯仰角，βmax为信号最强的位置的俯仰角编码器角度值，P为通过俯仰角最大信号法反推出的惯导俯仰角的估计值，γ为极化电机的编码器角度，V为地理系上对星的极化角，Pa为惯导俯仰角的实际值。
10.根据权利要求9所述的一种用于车载卫星动中通的零位标定系统，其特征在于，所述俯仰角的零位标定值确定模块具体包括：
俯仰角的零位标定值确定单元，用于利用公式β0＝βraw+Δβ确定俯仰角的零位标定值；
其中，β0为俯仰角的零位标定值，βraw为设计零位。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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