动中通卫星通信系统的自适应组合导航天线波束控制方法

文档序号:9289912
动中通卫星通信系统的自适应组合导航天线波束控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星通信系统天线波束控制技术领域,涉及一种天线波束控制方法, 具体涉及一种动中通卫星通信系统的自适应组合导航天线波束控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息化时代的到来和新军事革命的迅猛发展,人们对通信的需求不断增大, 人们迫切需求在移动中实现高速率、高带宽通信。然而,移动卫星通信频段资源有限、通信 速率缓慢、服务费用高昂,严重限制了移动通信的进一步发展,这极大地刺激了一种新式卫 星通信终端一动中通的发展。动中通是卫星通信的重要分支,其旨在利用价格低、频率资源 丰富的固定卫星通信服务频段卫星资源为地面载体提供优于移动卫星通信频段的通信服 务,具有通信机动性强、不受区域限制、安全保密性好等优点,在民事应用方面,动中通是重 大自然灾害应急通信的重要保障,是大型活动安保通信的有力保证,是信息时代实现宽带 移动通信、提高生活质量的有效措施。在军事应用方面,动中通是适应信息化战争条件下作 战的有力保障,是确保安全保密通信的有效手段,是实现机动作战指挥的重要途径。
[0003] 动中通系统的特点是基于FSS频段实现移动卫星通信,其整套设备需要安装在移 动的载体上。因此,动中通应该具有较小的轮廓,通过性好,减小战场暴露目标的几率;应该 具有相对较低的成本,加速扩大动中通的应用范围;应该具有良好的适用性,满足人们对移 动中宽带高速率通信的需求;应该具有良好的持续性,使动中通地面站在移动中实现双向、 稳定、高速率通信。动中通正常通信的前提是天线波束在方位、俯仰、极化三个方向与目标 卫星对准,但是由于动中通安装于移动载体上,路面的颠簸、载体行驶状态的改变都会影响 天线波束指向,因此有效的姿态估计方案是有效隔离载体运动对天线波束指向干扰确保有 效通信的关键。
[0004] 动中通测控技术决定了整个动中通系统的成本和性能,是实现动中通移动中卫星 通信的关键技术。动中通测控技术是的主要目的是获得实时、高精度的姿态测量,对天线波 束指向进行实时的控制,确保波束实时、精确对准目标卫星。对于低成本动中通而言,由于 系统采用微机械传感器,其姿态角输出存在累积误差、测量精度低,且对于运动中的载体而 言,姿态角的变化复杂,因此设计适用于低成本测控系统的、能够实时估计载体姿态的姿态 估计算法变得尤为重要。目前,应用于动中通低成本姿态估计的算法有传感器直接融合算 法,互补滤波算法等。多传感器直接融合姿态估计算法易受机动加速度和侧滑角等外界因 素干扰、姿态估计误差难以完全校正,姿态估计的精度受限。互补滤波是一个常增益卡尔曼 滤波器,姿态估计精度与基于非线性滤波器的传感器融合算法相近。组合导航是动中通姿 态估计领域新兴的姿态估计算法,它克服了传感器直接融合姿态估计算法易受侧滑角、载 体的机动加速度影响的缺点,计算简便,适用于实时的姿态测量系统,为降低动中通测控系 统成本,基于微机械惯性传感器和GPS的组合导航成为姿态估计领域研究的热点。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种动中通卫星通信系统的 自适应组合导航天线波束控制方法,该方法能够实现天线与卫星的准确对准,并且成本低。
[0006] 为达到上述目的,本发明所述的动中通卫星通信系统的自适应组合导航天线波束 控制方法包括以下步骤:
[0007] 1)建立动中通卫星通信系统的系统方程,其中,组合导航姿态估计系统的状态量 x选取为载体的位置误差量Sr、载体的速度误差量SV及载体的姿态角误差量!Kx= [Sr,SV,也]1,同时主控制器设定动中通组合导航姿态估计的观测量Zk,其中,设定组合导 航姿态估计的观测量4为微机械陀螺和微机械加速度计输出的位置rINS和速度vINS与单基 线GPS输出的位置rSPS和速度vSPS的差值,即
[0008]
[0009]其中,的、5、XINS、hIN#P约奶、Xeps、1^分别为微机械惯性测量单元和GPS测得 的炜度、经度和高程信息;
[0010] 2)建立动中通组合导航量测方程,求解动中通组合导航量测方程,得量测方程系 数矩阵Hk;
[0011] 3)然后根据动中通卫星通信系统的系统方程、量测方程系数矩阵Hk、以及主控制 器设定动中通组合导航姿态估计的观测量Zk使用扩展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方向,是天线对准 卫星。
[0012] 当组合导航姿态估计系统的状态量x选取为载体的位置误差量Sr、载体的 速度误差量SV及载体的姿态角误差量!D时,中动中通卫星通信系统的系统方程为: 土 = ,.其中:
1^为 位置与位置的自相关系数,位置与速度的互相关系数,Fvv为速度与速度的自相关系 数,Fw为速度与位置的互相关系数,F为姿态与位置间的互相关系数,F 姿态与速度间 的互相关系数,C为方向余弦矩阵,Sfb为载体系比力测量误差,为惯性系与地理系间 的相对角速率误差。
[0013]当单基线GPS收星数目大于6时,量测方程系数矩阵为
I3X3为3X3的单位阵,03X3为3X3的零矩阵。
[0014]当单基线GPS收星数目大于4小于6时,量测方程系数矩阵Hk的表达式为:
,eN、eE及eD分别为姿态角在N方向、E方向及D方向的 误差。
[0015] 本发明具有以下有益效果:
[0016] 本发明所述的动中通卫星通信系统自适应组合导航天线波束控制方法在操作时, 根据系统方程、观测量及量测方程系数矩阵使用扩展卡尔曼滤波进行姿态解算,得载体的 三维姿态角,根据所述三维姿态角实现天线与卫星的对准,并且组合导航姿态估计的观测 量Zk采用微机械陀螺和微机械加速度计计算的rINS和vINS与单基线GPS输出的rSpjPvSPS, 从而有效的降低成本,采用扩展卡尔曼滤波进行姿态解算,有效的提高对准的精度,操作性 极强,并且性能稳定、可靠,极大的促进了动中通的推广及应用,并且无需考虑机动加速度、 侧滑角等外界因素的干扰。本发明基于航向角辅助的组合导航算法简单易行,克服了传感 器直接融合姿态估计算法易受外界因素干扰、估计误差难以校正的缺点,姿态估计精度高, 很好地满足了动中通天线波束指向需求。
[0017] 进一步,在获取量测方程系数矩阵时,根据单基线GPS收星数目的多少,确定对应 的量测方程系数矩阵,从而有效的提高天线对应卫星的精度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明中动中通卫星通信系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0020] 参考图1,本发明所述的动中通卫星通信系统的自适应组合导航天线波束控制方 法包括以下步骤:
[0021] 1)建立动中通卫星通信系统的系统方程,组合导航姿态估计系统的状态量 x选取为载体的
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