用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于组合导航技术领域，涉及一种船载动中通的自动对星方法。
【背景技术】
[0002] 同步卫星的移动通信应用俗称"动中通"，是当前卫星通信领域需求旺盛、发展迅 速的应用。"动中通"除了具有卫星通信覆盖区域广、不受地形地域限制、传输线路稳定可靠 的优点外，还真正实现了宽带、移动通信的目的。
[0003] 目前，"动中通"系统在海泊摇摆态下搜星有两种方案。第一种是不依靠惯导信息， 直接驱动动中通天线盲扫信标信号，当动中通天线扫到信标信号后停止扫描，然后转入其 特定的跟踪算法跟踪卫星。这种方法在载体静止的情况下颇为有效，但是在海泊摇摆态下， 海面风浪造成船体摇摆，使得该方案对星相当困难。第二种是依靠惯导自对准的对星方法。 这种方法的特点是在海泊摇摆态下，惯导首先进行自对准，惯导自对准后，再根据惯导的姿 态信息驱动动中通天线对星，但这种方案需要惯导具备较高的精度，成本较高。而对于基于 较低成本的MEMS惯导的动中通海泊摇摆态动态对星，目前尚且没有快速、成熟、稳定的方 案。由于MEMS惯导没有有效的自对准方法，基于MEMS惯导的动中通基本靠盲扫方式来驱 动动中通天线搜索卫星，因此很难在较大海上风浪情况下快速完成对星。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于动中通的伪航 向的海泊动态搜星方法，在海上船舶航向角未知的情况下，直接假设横滚角和俯仰角为0， 通过基于卡尔曼滤波的组合导航算法对横滚角和俯仰角的不断修正，同时通过计算任意时 刻地垂线在载体系下的坐标，通过伺服系统快速驱动动中通天线绕地垂线旋转，使动中通 天线旋转不超过一圈，就可以快速捕获卫星；在此基础上通过反算载体航向角来修正頂U 的方位角，并根据IMU的姿态信息和GNSS提供的位置信息控制动中通天线锁定卫星。
[0005] 本发明的技术解决方案是：用于动中通的伪航向的基于卡尔曼滤波的海泊态搜星 方法，包括如下步骤：
[0006] (1)在海上停泊的载体上同时安装MEMS惯导、GNSS和动中通，其中MEMS惯导和 GNSS构成组合导航系统；所述的组合导航系统将GNSS输出的载体速度和位置信息，以及 MEMS惯导输出的载体速度和位置信息进行组合，构成卡尔曼滤波的量测量，通过卡尔曼滤 波组合导航算法，以固定的滤波周期修正MEMS惯导的俯仰角和横滚角；
[0007] (2)利用MEMS惯导实时结算得到的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航获取的俯仰 角和横滚角，计算地垂线在载体坐标系下的坐标，为地垂线的矢 量方向在地理坐标系下的坐标，g。为重力加速度的大小，
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γ、Θ和Φ分别为横滚角、俯仰角和航向角；所述的地理坐标系的原点位于载体质心，三轴 分别指向当地的东、北、天；所述的载体坐标系的原点位于载体的质心，OX轴和OY轴与动中 通天线底座安装基准重合，OZ轴与动中通天线方位轴重合；
[0009] (3)驱动动中通天线绕地垂线以丫3为锥顶角，以γ。= 0为起始位置进行 圆锥旋转一周，将旋转过程中卫星信标强度最大时对应的天线指向作为动中通天线 跟踪卫星的指向，并驱动动中通天线继续旋转到卫星信标强度最大的方向；所述的
> OSatn为地理坐标系下载体的质心与卫星连线的矢量，γ。为动中 通天线绕地垂线进行圆锥旋转已经旋转过的角度；
[0010] (4)利用卫星信标强度最大时动中通天线的指向，反算出载体的航向角并修正 MEMS惯导的航向角；
[0011] (5)利用修正后MEMS惯导的航向角，以及卡尔曼滤波组合导航算法修正后的俯仰 角和横滚角，实现动中通天线对卫星的持续跟踪。
[0012] 所述的γ。为矢量s J1和矢量s j之间的夹角，S1O矢量表不重力加速度矢量，平 面S1-X1S与OS1垂直，S A是O-Z-S i平面与平面S ^X1S的交线，S为以γ 3为锥顶角的圆锥 面与平面S1-X1S的交线上的任意一点，0为载体坐标系的原点。
[0013] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0014] (1)本发明方法通过引入伪航向，利用了在载体地速为0时，忽略地球自转角速度 情况下，组合导航系统的水平姿态误差与航向无关的特点，在海泊态下，不依赖载体航向， 通过基于卡尔曼滤波的组合导航算法直接获取载体的水平姿态，在此基础上结合伪航向， 获取地垂线矢量，并驱动天线绕地垂线矢量旋转搜索到卫星信号，由此实现在了海泊态载 体航向未知的情况下快速准确的搜索到卫星信号；
[0015] (2)本发明方法中，得到海泊态下任意时刻载体水平姿态角后，即可得到任意时刻 地垂线在载体系中的位置，再驱动天线绕地垂线以指定的仰角旋转，即可使天线在海泊态 下旋转不超过一圈就能找到卫星方位，提高了卫星搜索的速度和准确性；
[0016] (3)本发明方法解决了低成本动中通在海泊摇摆态下快速对星的难题，与现有盲 扫的方案相比，在较大海上风浪情况下仍可以快速准确的搜索到卫星信号，相对于依靠惯 导自对准的方法，可以不使用成本较高的高精度惯导即可快速准确对星，降低了动中通系 统的成本，提高了可靠性，为基于较低成本的MEMS惯导的船载动中通海泊摇摆态动态对星 提供了一种可行的解决方案。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明方法的流程框图；
[0018] 图2为本发明搜寻卫星的几何矢量图。
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示，为本发明方法的流程框图。本发明方法采用頂U/GNSS组合导航算法 得到海泊态载体的俯仰角和横滚角，根据俯仰角和横滚角，得到地垂线在载体坐标系下的 坐标。根据地垂线在载体坐标系下的坐标，可驱动动中通天线以固定仰角绕地垂线旋转，在 海面风浪很大的情况下，天线旋转不超过一圈即可捕获卫星。
[0020] 本发明方法中引入的伪航向是在未知海泊态载体航向的情况下，将载体航向设定 为任意值。在地速为〇,忽略地球自转的情况下，基于卡尔曼滤波的INS/GPS组合导航算法 得到的水平姿态角（俯仰角和横滚角）与航向无关。
[0021] 本发明方法的主要步骤如下：
[0022] (1)在海泊态载体（船只）上同时安装MEMS惯导、GNSS和动中通，其中MEMS惯导 和GNSS构成组合导航系统。组合导航系统将GNSS输出的载体速度和位置信息，以及MEMS 惯导输出的载体速度和位置信息进行组合，构成卡尔曼滤波的量测量，通过卡尔曼滤波组 合导航算法，以固定的滤波周期修正MEMS惯导的导航姿态。
[0023] 基于卡尔曼滤波的组合导航算法具体可参见2012年西北工业大学出版社出版 的，由秦永元，张洪钺，汪淑华编著的《卡尔曼滤波与组合导航原理（第2版）》一书。
[0024] (2)在海泊态下，载体速度近似等于0,假设载体的初始航向角、俯仰角、横滚角均 为〇;再通过步骤（1)中的卡尔曼滤波方法修正载体的俯仰角和横滚角，但不修正航向角， 航向角由惯导解算得到。由于该航向角的初始航向设为〇,在卡尔曼滤波过程中，该航向角 处于无修正的自由状态，并不是真正的航向角，故称之为伪航向，与该航向角对应的导航系 称为伪导航系。
[0025] (3)根据步骤⑵中得出的载体航向角（利用MEMS惯导的实时解算值）、俯仰角、 横滚角计算地垂线在载体坐标系下的坐标。
[0026] 载体坐标系的定义同下面的MEMS惯导本体坐标系。
[0027] 地理坐标系的原点位于载体的质心，X轴指向当地的东向，y轴