一种低成本动中通测控系统天线姿态估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星通信系统天线姿态估计技术领域，涉及一种低成本动中通测控系 统天线姿态估计方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济全球化和信息化的发展，人们迫切需要在旅途中及特殊情况时如抗震救 灾等的任何地方、任何时间都能实时传递或接收宽带、大容量的语音、数据、图像、视频等多 媒体信息，以便更快、更准确地掌握瞬息万变的时局。卫星通信是唯一能在不同环境下同时 提供不同业务需求的通信系统。但由于ITU分配给卫星移动业务的带宽较低，很难满足宽 带通信业务的需求。基于卫星固定业务的"动中通"通信系统为这一理想的实现提供了可 能。动中通卫星通信系统是指安装卫星天线的移动载体（如汽车、火车、飞机、轮船等）能够 与静止卫星（即同步轨道卫星一目标卫星）建立通信链路并能够在载体快速运动的过程中 保持通信链路的畅通以实现实时通信的系统。由于静止卫星距地面的距离很远（约36000 公里），因此要实现移动载体与静止卫星间的宽带多媒体通信，就必须采用高增益的定向天 线。由于这种天线的波束很窄，要保证移动载体在快速运动过程中能够与静止卫星进行正 常不间断的通信，则必须靠测控系统使天线波束始终以一定的精度对准卫星。
[0003] 实际使用过程中，影响动中通卫星通信系统性能的主要原因是载体姿态实时不间 断的变化，要想实现卫星通信在运动过程中始终正常通信，动中通卫星测控系统的天线波 束必须在方位、俯仰和极化三个轴同时进行精密跟踪控制。
[0004] 载体的姿态估计是一个典型的非线性问题，但在非线性估计领域还没有一种方法 能兼顾估计精度、实现难易程度、数值稳健性及计算量等各种指标，因此必须根据具体应用 场合、条件及传感器的选择综合权衡。本文针对降低动中通成本和满足天线波束对准精度 要求，提出一种基于UKF方法的，融合单基线GPS、微机械陀螺和加速度计信息进行实时的 姿态估计方法。该方法以微机械陀螺输出信息作为算法的状态量，加速度计和单基线GPS 的输出信息作为算法的观测量，并利用单基线GPS测量的速度信息和侧滑角信息进行机动 加速度补偿和侧滑角补偿。通过无迹卡尔曼滤波器对姿态和陀螺漂移误差进行实时估计。 为了降低计算复杂度，使用超球体采样减少传统UKF的采样点数，提高方法的实时性，在 不影响精度的前提下，有效地降低了方法的计算量。2011年8月17日公开的发明专利申 请CN102157790A(专利申请号为CN201010109461. 4)利用卡尔曼滤波方法融合姿态测量， 对磁强信息、加速度信息和角速率信息组合进行估计。但是，由于低成本陀螺漂移较大、速 度计测量噪声较大以及磁阻传感器易受电磁干扰的影响，限制了测控系统的性能及使用条 件，使载体不能与目标卫星准确的对准。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低成本动中通测控系统 天线姿态估计方法，该方法可以准确的使载体与目标卫星准确对准，并且成本低。
[0006] 为达到上述目的，本发明所述的低成本动中通测控系统天线姿态估计方法包括以 下步骤：
[0007] 1)主控制器向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器根据所述控制指令控制电机 使动中通移动卫星通信系统中天线的波束指向，使动中通移动卫星通信系统天线的波束指 向对准目标卫星；
[0008] 2)姿态测量传感器置于载体上，当载体行驶状态的改变时，微机械陀螺、微机械加 速度计和单基线GPS测量的载体姿态发生变化，微机械陀螺测量载体的角速率信息wb，然后 根据微机械陀螺测量得到的载体的角速率信息wb得载体的姿态角微分方程；
[0009] 3)三轴微机械加速度计测量载体的加速度信息，所述载体的加速度信息为重力矢 量g在载体坐标系下的分量，根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息得载 体的俯仰角吣及横滚角小
[0010] 4)设单基线GPS的两端各有一根天线，根据两根天线接收的GPS载波相位差得载 体的航向角也，根据载体的航向角也得载体的速度信息，根据载体的速度信息得载体的伪 航向角iK;
[0011] 5)根据步骤2)得到的载体的姿态角微分方程、步骤3)得到的载体的俯仰角0" 及横滚角（})"、以及步骤4)得到的载体的伪航向角！K使用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算， 得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电机调整天线波束的指向，使 天线对准目标卫星。
[0012] 所述微机械陀螺测量出载体的角速率信息^基于欧拉角的姿态更新形式为：
[0013]
[0014] 其中Q和Ce分别为俯仰角和横滚角对应的方向余弦矩阵，《 x、《y、《z为微机 械陀螺输出的角速率在载体坐标系下的坐标，#、4 #分别为载体的航向角速率、俯仰角 速率及横滚角速率；
[0015] 由式（1)得载体的姿态角微分方程为：
[0016]
[0017] 步骤4)中载体的伪航向角1K为：
[0018]
[0019] 其中，^分别为单基线GPS输出的地理坐标系下载体的东向速度及北向速度， 也s为载体的速度，a为三轴微机械加速度计测量的载体的加速度信息。
[0020] 根据三轴微机械加速度计测量得到的载体的加速度信息估计载体的俯仰角0及 横滚角巾，然后对估计得到的载体的俯仰角0及横滚角巾进行补偿修正，得载体的俯仰角 9 "及横滚角n。
[0021] 本发明具有以下有益效果：
[0022] 本发明所述的低成本动中通测控系统天线姿态估计方法在使天线对准目标卫星 时，通过微机械陀螺测得信息获取载体的姿态角微分方程，通过三轴微机械加速度计测得 到信息获取载体的俯仰角和横滚角，通过单基线GPS测量的信息获取载体的伪航向角，从 而降低控制的成本，然后根据载体的姿态角微分方程、俯仰角、横滚角及伪航向角使用无迹 卡尔曼滤波进行姿态解算，得载体的三维姿态角，然后根据载体的三维姿态角控制三个电 机使天线对准目标卫星，其中采用无迹卡尔曼滤波进行姿态解算，从而有效地提高天线对 准目标卫星的精度，本发明设计合理，姿态估计效果好、精度高、估计速度快且简单易行、实 现方便，系统计算量降低，运算效率高，有效克服了动中通通信系统中天线姿态估计时所存 在的精度不够，实时性差，滤波易发散，抗扰动性能弱等缺陷和不足。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明中动中通测控系统的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0025] 参考图1，本发明所述的低成本动中通测控系统天线姿态估计方法包括以下步 骤：
[0026] 1)主控制器向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器根据所述控制指令控制电机 使动中通移动卫星通信系统中天线的波束指向，使动中通移动卫星通信系统天线的波束指 向对准目标卫星；
[0027] 2)姿态测量传感器置于载体上，当载体行驶状态的改变时，微机械陀螺、微机械加 速度计和单基线GPS测量的载体姿态发生变化，微机械陀螺测量载体的角速率信息w b，然后 根据微机械陀螺测量得到的载体的角速率信息wb得载体的姿态角微分方程；