動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)級(jí)聯(lián)卡爾曼濾波載體姿態(tài)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線波束控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng) 級(jí)聯(lián)卡爾曼濾波載體姿態(tài)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 古往今來，信息對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)的重要性人所共知。無論是烽火臺(tái)、信號(hào)旗、消息樹，還是 雷達(dá)站、無線電、GPS/北斗，盡管手段不一，但是目的相同，那就是為指戰(zhàn)員們"通風(fēng)報(bào)信"。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高射速武器以及遠(yuǎn)程精確武器不斷出現(xiàn)，一方面要求作戰(zhàn)部隊(duì)分散 部署、靈活機(jī)動(dòng)來提高生存能力；另一方面，武器系統(tǒng)產(chǎn)生了分化，出現(xiàn)了專門負(fù)責(zé)態(tài)勢(shì)感 知的傳感器平臺(tái)、專門負(fù)責(zé)打擊的武器平臺(tái)以及兼有傳感器和武器功能的作戰(zhàn)平臺(tái)。武器 系統(tǒng)的分化與作戰(zhàn)部隊(duì)的分散、機(jī)動(dòng)成為一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，如何在機(jī)動(dòng)、分散部署的同 時(shí)遂行有效作戰(zhàn)成為軍事理論和武器發(fā)展過程中亟需解決的新問題。解決該問題的核心就 在于建立聯(lián)接傳感器平臺(tái)與武器平臺(tái)的軍事信息與通信網(wǎng)絡(luò)，軍事需求的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)催生了 動(dòng)中通的誕生和發(fā)展。
[0003] 動(dòng)中通就是利用固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星資源和安裝于載體上的天線系統(tǒng)，在靜止和運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)下建立和保持載體與目標(biāo)衛(wèi)星之間衛(wèi)星鏈路的寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其實(shí)質(zhì)就是在運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)下，滿足和保持FSS頻段衛(wèi)星通信的使用條件：時(shí)刻保持方位、俯仰、極化三維對(duì)準(zhǔn) 衛(wèi)星。這對(duì)于安裝在移動(dòng)載體上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。測(cè)控系統(tǒng)是車載 衛(wèi)星動(dòng)中通系統(tǒng)終端保持與目標(biāo)衛(wèi)星之間通信鏈路通暢的關(guān)鍵，決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 但是測(cè)控系統(tǒng)往往需要昂貴的姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（AHRS)來得到載體姿態(tài)，進(jìn)而補(bǔ)償天線 由于載體姿態(tài)變化引起的擾動(dòng)，始終保持與目標(biāo)衛(wèi)星的三維對(duì)準(zhǔn)。這些高精度的AHRS造價(jià) 不菲，動(dòng)輒數(shù)十萬甚至百萬的造價(jià)往往占到整個(gè)衛(wèi)星動(dòng)中通系統(tǒng)成本的60~70%，因此， 尋找低廉而有效的AHRS替代產(chǎn)品，已經(jīng)成為當(dāng)前動(dòng)中通系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。
[0004] 目前，應(yīng)用于動(dòng)中通低成本姿態(tài)估計(jì)的算法有傳感器直接融合算法，互補(bǔ)濾波算 法等。多傳感器直接融合姿態(tài)估計(jì)算法易受機(jī)動(dòng)加速度和側(cè)滑角等外界因素干擾、姿態(tài)估 計(jì)誤差難以完全校正，姿態(tài)估計(jì)的精度受限?；パa(bǔ)濾波是一個(gè)常增益卡爾曼濾波器，姿態(tài)估 計(jì)精度與基于非線性濾波器的傳感器融合算法相近。GPS/INS組合導(dǎo)航算法融合了 GPS和 INS的信息，提供了更為精確和可靠的導(dǎo)航信息，已經(jīng)成為導(dǎo)航領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)算法以及互補(bǔ)信 息融合的典范，廣泛應(yīng)用于各種需要可靠的位置、速度以及姿態(tài)信息的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系 統(tǒng)中。采用成本低、可大批量生產(chǎn)的微機(jī)械傳感器作為測(cè)控系統(tǒng)的硬件測(cè)量部分，利用GPS 作為輔助傳感器，基于組合導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)姿態(tài)估計(jì)可以克服傳感器直接融合算法易受機(jī)動(dòng)加速 度和側(cè)滑角等外界因素干擾、估計(jì)誤差大且難以校正的問題，在姿態(tài)估計(jì)領(lǐng)域具有良好的 應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)級(jí) 聯(lián)卡爾曼濾波載體姿態(tài)估計(jì)方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)天線與衛(wèi)星的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，并且成本低。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)級(jí)聯(lián)卡爾曼濾波載體姿態(tài)估 計(jì)方法包括以下步驟：
[0007] 包括以下步驟：
[0008] 1)主控制器設(shè)定組合導(dǎo)航姿態(tài)估計(jì)算法，得航向角單獨(dú)估計(jì)的卡爾曼濾波系統(tǒng)方 程，然后建立航向角單獨(dú)估計(jì)的卡爾曼濾波量測(cè)方程It ni= Φ SPS+v，其中，Itni為航向角單獨(dú) 估計(jì)的卡爾曼濾波量測(cè)值，Φμ為單天線GPS測(cè)量得到的偽航向角，V為零均值高斯白噪 聲；
[0009] 2)通過航向角陀螺去除航向角單獨(dú)估計(jì)中的側(cè)滑角，則卡爾曼濾波器中偽航向角 觀測(cè)噪聲方差設(shè)定倡
，其中，μ為加權(quán)開關(guān)，
，<#為單天線 GPS航向角的實(shí)際測(cè)量方差，ωζ(τ)為航向角陀螺測(cè)量值，K為轉(zhuǎn)彎判斷閾值；
[0010] 3)根據(jù)卡爾曼濾波器中偽航向角觀測(cè)噪聲方差設(shè)定值、加權(quán)開關(guān)μ、航向角單獨(dú) 估計(jì)的卡爾曼濾波系統(tǒng)方程以及航向角單獨(dú)估計(jì)的卡爾曼濾波量測(cè)方程使用擴(kuò)展卡爾曼 濾波進(jìn)行姿態(tài)解算，得載體的三維姿態(tài)角，然后根據(jù)載體的三維姿態(tài)角控制電機(jī)調(diào)整天線 波束的指向，使天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。
[0011] 步驟1)中主控制器設(shè)定組合導(dǎo)航姿態(tài)估計(jì)算法包括動(dòng)中通組合導(dǎo)航系統(tǒng)方程建 立、動(dòng)中通組合導(dǎo)航姿態(tài)估計(jì)算法觀測(cè)量設(shè)置以及動(dòng)中通組合導(dǎo)航量測(cè)方程建立。
[0012] 動(dòng)中通組合導(dǎo)航系統(tǒng)方程建立的具體過程為：
[0013] 設(shè)將組合導(dǎo)航姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)量X為載體的位置誤差δ r、速度誤差δ V和姿 態(tài)角誤差Φ，即X= [Sr, δ ν，φ]Τ，則動(dòng)中通組合導(dǎo)航系統(tǒng)方程為：

?其中，《4為i系相對(duì)于b系的旋轉(zhuǎn)角速率，Cf為b系到η系的方向余 弦矩陣，及分別為i系相對(duì)于e系的旋轉(zhuǎn)角速率、e系相對(duì)于η系的旋轉(zhuǎn)角速率、 i系相對(duì)于η系的旋轉(zhuǎn)角速率，爐及f η分別為b系和η系下的比力測(cè)量值，g η為重力加速 度向量。
[0014] 動(dòng)中通組合導(dǎo)航姿態(tài)估計(jì)算法觀測(cè)量設(shè)置的具體操作為：設(shè)動(dòng)中通組合導(dǎo)航姿態(tài) 估計(jì)算法觀測(cè)量Z k為微機(jī)械陀螺解算的載體的位置r INS和速度V INS分別與單天線GPS輸出 的載體的位置Aps和速度V (；ps的差值，即
P
[0015] 動(dòng)中通組合導(dǎo)航量測(cè)方程為：zk= Hkxk+ek，其中，Zk為動(dòng)中通組合導(dǎo)航量測(cè)值，
，I3x3為3X3單位陣，O3x3為3X3零矩陣，e k為量測(cè)噪聲。
[0016] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0017] 本發(fā)明所述的動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)級(jí)聯(lián)卡爾曼濾波載體姿態(tài)估計(jì)方法在實(shí)現(xiàn)天 線與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)時(shí)，通過根據(jù)卡爾曼濾波器中偽航向角觀測(cè)噪聲方差設(shè)定值、加權(quán)開關(guān)、航向 角單獨(dú)估計(jì)的卡爾曼濾波系統(tǒng)方程以及航向角單獨(dú)估計(jì)的卡爾曼濾波量測(cè)方程使用擴(kuò)展 卡爾曼濾波進(jìn)行姿態(tài)解算，得載體的三維姿態(tài)角，然后再根據(jù)三維姿態(tài)角實(shí)現(xiàn)天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi) 星。通過航向角陀螺去除航向角單獨(dú)估計(jì)中的側(cè)滑角，提高了天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的精度。同時(shí)， 航向角的單獨(dú)解算解決了航向角可觀性低對(duì)姿態(tài)估計(jì)精度造成的影響，克服了傳感器直接 融合姿態(tài)估計(jì)算法易受外界因素干擾、估計(jì)誤差難以校正的缺點(diǎn)，姿態(tài)估計(jì)精度高，很好地 滿足了動(dòng)中通天線波束指向需求。另外，本發(fā)明簡(jiǎn)便易行，成本低，有效促進(jìn)了動(dòng)中通的推 廣和應(yīng)用，能夠很好地滿足動(dòng)中通天線波束指向需求。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明中動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
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