【doc】中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究

【doc】中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究 中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用 研究 第34卷第1期 2012年02月 压电与声光 PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICS Vo1.34No.1 Feb.2Ol2 文章编号:1004—2474(2012)01—0042—04 中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究 付强文,秦永元 (西北工业大学自动化学院,陕西西安710072) 摘要:中低精度捷联惯导系统陀螺常值漂移大,在动中通系统中使用时无法完成自主对准.在建立惯导系 统和天线控制系统坐标转换模型的基础上,采用天线自主跟踪状态下输出的角度值反解车体航向,在不增加外部 设备的条件下实现了中低精度捷联惯导系统初始对准.仿真实验和车载实验结果表明,该方法正确有效. 关键词:惯性导航;动中通;坐标转换;初始对准 中圈分类号:TN249;V249文献标识码:A StudyonApplicationsofMiddleandLowAccuracySINStoMobileSatellite Communication FUQiangwen,QINYongyuan (CollegeofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China) Abstract:Becauseofitsbiggyroconstantdrifterror,themiddleandlOWaccuracySINScan'tr ealizetheself-a- lignmentwhenitisusedinmobilesatellitecommunication.Afterestablishingthecoordinatet ransformationmodel betweenSINSandantennacontrolsystem,thepaperpresentsaninversesolutionmethodofth ecarheadingbyusing theanglecodeoftheantennasystem.Thismethodmakesitpossibletofulfilltheself-alignmen twithoutauxiliary equipments.Thesimulationresultsandvehicletestsverifiedtheeffectivenessofthemethod. Keywords:inertialnavigation;mobilesatellitecommunication;coordinatetransformation; initialalignment 0引言 移动卫星通信系统(动中通系统)对卫星天线跟 踪提出了特殊要求,一方面要求天线响应快,在桥 梁,树木,建筑物,山体和隧道等遮挡后迅速完成对 卫星目标的重捕,另一方面在载体剧烈扰动时能精 确地自动跟踪卫星目标,保证通信质量.在动中通 天线控制系统中使用捷联惯导系统,是解决上述问 的理想选择uj. 高精度的动中通天线控制系统一般采用伪单脉 冲单通道的自动跟踪模式.该模式跟踪精度高,但 信号一旦因遮挡或颠簸而丢失,自身捕获卫星的时 间较长,一般需数分钟.捷联惯导系统提供车体的 姿态和航向信息,可以迅速引导天线指向卫星目标, 当卫星进入天线电轴的半功率波束宽度内(范围一 般为1.),天线控制系统自动根据信息最大化原理 捕获卫星目标而进入高精度自主跟踪状态,从而极 大地缩短重捕时间[2].一旦天线控制系统进入自 主跟踪状态,便可不再使用惯导系统提供的信息. 近年来,高精度的激光陀螺捷联惯导系统已逐 步应用在一些高端场合lL4],但因成本高而难以普及. 中低精度的光纤陀螺捷联惯导系统主要存在两类缺 陷: 1)长时间姿态和航向保持精度不满足要求. 2)陀螺零偏大,不能自主估计初始航向角,即 不具备自对准能力. 第1)类缺陷可通过与车载导航系统(GPS)或 车载里程计构成组合导航系统得到解决.第2)类 缺陷通过附加外部航向测量设备解决,如使用GPS 双天线方位测量仪或在机载系统中使用磁航向传感 器,也可通过在惯导系统中增加转位机构进行双位 置对准解决,但都将增加成本和设备的复杂程度. 本文在建立惯导系统辅助动中通天线控制系统 模型的基础上,采用天线自主跟踪状态下输出的码 盘值反解车体航向,在不增加任何设备的情况下实 现了中低精度惯导的初始对准. 收稿日期:2011-01-05 作者简介:付强文(1980一),男,四川简阳人,博士,主要从事惯性导航和组合导航技 术的研究.秦永元(1946一),男,教授,博士生导师,主要 从事惯性导航系统及容错导航系统的研究.E-mail:fuqiangwen@126.corn. 第1期付强文等:中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究43 1模型建立 1.1坐标系定义 1.1.1地理坐标系(g系) 地理坐标系为东北天坐标系.即原点位于车体 旋转中心,z轴沿纬线方向指向东,轴沿经线方向 指向北,轴指向天. '1.1.2车体坐标系(6系) 车体坐标系采用右前上坐标系.即原点位于车 体旋转中心,z轴沿车体横轴指向右,Y轴沿纵轴指 向前方,轴沿竖轴向上. 1.1.3车体天线坐标系(T系) 本坐标系与车载天线波束固联,以天线的质心 为原点,Y轴为天线电轴指向,z轴与电场矢量指向 重合,即天线馈源矩形波导口窄边平行于车体平面, 轴与z,Y轴构成右手系. 1.1.4理想指向波束坐标系(w系)[5 以车体的旋转中心为原点,Y轴指向所选定的 通信卫星,z轴与所选定的通信卫星的极化方向一 致,z轴与z,Y轴构成右手系. 地理系(g系)至车体坐标系(6系)的变换矩阵 为,由俯仰角0i,滚转角y和航向角.唯一确 定.根据坐标系旋转原理可知: rcOs一sin-o1 C1(I)IsinCOS5fI10l(1)l o01j r一1o0] C2(I)一10COSIsin0tj(2) t_o—sin0ICOSIJ o_Sm] C3(),1)一101sin0II(3) ),10[_sinCOS),Ij),I),Ij 将式(1),(3)相乘,则有 —C3(7I)C2(I)cl(咖)(4) 车体系(6系)与天线坐标系(T系)的关系可由 俯仰码盘值,极化码盘值yM和方位码盘值M确 定,将码盘值代入式(4)可得 ' 一C3(yM)C2(M)C1(M)(5) 地理系(g系)与理想波束坐标系(W系)的关系 可由俯仰角,极化角y和方位角.确定,代入式 (4)可得 c===G()C2(Os)C1()(6) 1.2根据惯导信息求解天线码盘值 通信与广播卫星为地球同步卫星,相对于地球 处于静止状态.同步卫星在地球赤道平面内运行, 且绕地球旋转的周期和方向与地球自转一致,故从 地球上看卫星是静止不动的. , 同步卫星轨道高度h一般在35768km左右纬度为0,地球半径R?6371000In.若已知卫星 所在经度为,车体所在点的经纬高为(,L,^),则 理想指向波束相对于车体所在点地理系的角度为嘲 f,Os=7c--tan"1[] jOs-----tan-1f-COS(As--A)cosL(R+!h珏)]lL,/1一[cos(As—)COSL]j 【}'s=tan-[] (7) 车载惯导系统可实时提供姿态矩阵,将式 (7)计算的(asYs)代人式(6)可求得转换矩阵 c.要使车载天线波束精确指向通信卫星,则天线 坐标系(T系)应与理想指向波束坐标系(系)重 合,即有 一 -- L T g b(8) 式(8)两边同时右乘矩阵C#,可得 =cTcg:()(9) 广T11T12T,3] 记一』丁2.f,可求得码盘值 LT3zs_J f0M—sin(T23) YM=tan(一Tl3/T33)(10) 【'一tan(T21/T22) 惯导系统在导航过程中,提供实时的,并由 式(9),(to)计算出码盘值,车载天线稳定跟踪系统 根据码盘值驱动控制电机,即可保证车载天线始终 对准通信卫星. 1.3根据码盘值求解初始航向 由于中低精度的惯导系统无自对准能力,需通 过外部输人航向进行对准.天线控制系统在高精度 自主跟踪时可提供码盘值,进而求出车体航向. 模型推导前首先应区分线极化卫星和圆极化卫 星的差别.极化匹配是接收天线的极化方向应与电 波的极化方向一致,这时接收天线能接收电波的全 部能量.若接收天线的极化方向与电波的极化方向 不一致时,则为极化失配,这时只能接收部分能 量[7].对于线极化卫星,锁定状态下的天线码盘值 44压电与声光 rs]Fs?cosOs?sinCs7 sls;I=S.coscosI(11) s: f茎;]一『:三OM."s.inC.MM]2IsIlS?sin0Mj COSM'sinM] l1nj COSs.sin] linJ ^一 篇 n ( ., tan () (I)CT(),I)1cos0M?cosI— linJ IcosOssinCs] lsinsJ ~IL~c~sss— insl . O s SOs(COS~isin i Cs--sin@cosCs)7 Os(sin@sin+cos~ICOSCs)j一bIt,]lcossI—llLsinsJ2j . sin(Cs--~ , ,)一一 bo(20) cos(~s一I)bl 从而可求出车体航向角作为惯导系统的粗对准 输入航向 一Cs,tan(21) 从推导结果可知,该方法未使用极化码盘值 yM,故对线极化和圆极化通信卫星均实用. 2实验验证 2.1仿真实验 仿真实验根据预先设定的车体理论姿态角 ()和卫星位置计算天线跟踪码盘值 (0M‰),叠加相应误差后根据1.3节所述模 型求解初始对准姿态和航向角(0y),并比较 对准结果和理论输入间的误差. 仿真时取初始对准位置经纬高为(108.9., 34.2.,400m)(400In为高度),卫星经度为103.,粗 对准时间为60S;初始对准时车体俯仰角和横滚角 在一2O.,2O.之间分布,航向角在一180.,+180.之 间分布;加速度计的随机零偏取为1×10一g,天线 码盘角度测量的随机误差为0.1..对1000个样本 进行仿真的结果如图1所示.由图1可见,姿态对 准精度在0.01.内,初始航向角的精度在0.2.内,可 作为惯导系统的粗对准输入航向使用.由于航向值 具有一定的精度,在精对准过程中可用于估计陀螺 常值漂移. 第1期付强文等:中低精度捷联惯导在动中通系统中的应用研究45 嫡0.007 0.1 鬈厘_0.3 壤0200400600800l000 仿真次数/(次) (c) 图1姿态航向对准误差角 2.2车载实验 车载实验在某"动中通"通信系统天线控制 设备车上进行,卫星天线分别跟踪中卫1号卫星和 烽火1号O2星.实验中使用光纤捷联惯导系统,陀 螺零偏重复性为3(.)/h,零偏稳定性为0.5(.)/ h,加速度计随机零偏为1×10,g,与车载GPS进 行组合导航.实验分为两类进行: 1)惯导系统按1.3节所述方法对准并进入导 航状态后,载车在视野开阔地带行驶,保证天线始终 处于自跟踪状态,记录天线跟踪的测量码盘值和惯 导解算输出的码盘值之差作为跟踪误差.该实验共 进行了6次,单次实验时间不小于1h,计算每次码 盘跟踪误差的均方根值如表1所示.由表可知,惯 导系统提供的码盘跟踪精度满足要求. 表1车载试验码盘跟踪误差 2)惯导系统对准并进入导航状态后,载车在 有遮挡物或颠簸路面行驶.在行驶路段有树木,隧 道和城市建筑物遮挡的条件下,分3天共进行4次 试验,其间让载车故意在遮挡区域活动0.5h以上, 也曾穿越亚洲最长的秦岭终南山隧道,当遮挡物消 失后,惯导系统可辅助天线立即跟踪到通讯卫星,做 到"零秒捕获".在建筑工地的复杂地形条件下试验 2次,天线在颠簸和大角速率干扰的条件下不丢失 卫星信号,通信质量良好. 3结论 采用本文所述方法,可以将中低精度的惯导系 统应用于动中通天线控制系统.实际使用中应注意 以下几点: 1)惯导系统与天线码盘的安装零位对跟踪精 度影响很大,必须进行补偿. 2)从式(7)可知,当载车长途行驶时应考虑位 置变化对跟踪角度的影响,中低精度惯导系统可与 GPS或车载里程计进行组合,从而确定载车位置. 3)在判断载车直线行驶且天线处于跟踪锁定 状态时,仍可使用1.3节所述方法对惯导系统的航 向角进行阻尼. 参考文献: Eli阮晓刚,汪宏武."动中通"卫星天线技术及产品的应用 [J].卫星与网络,2006,6(3):34—37. RUANXiaogang,WANGHongwu.Thetechniqueand applicationofsatellitecommunicationantennainmo—- tionEJ].Satellite&Network,2006,6(3):34—37. [2]董蓉霞.光纤捷联航姿系统在"动中通"的应用[J].电 子工程,2010,18(5):76—77. DONGRongxia.ApplicationofFOGstrapdownatti— tudeandheadingreferencesystemin-motionsatellite communication[J].ElectronicDesignEngineering, 2O1O,18(5):76—77. [3]尹春华,陆国华,赵来定.基于无刷直流电机控制的船 载动中通伺服系统[J].重庆邮电大学:自然科学 版,2009,21(1):87—91. [43滕云鹤,毛献辉,章燕申,等.移动卫星通信捷联式天线 稳定系统[J].宇航,2002,23(5):72—75. TENGYunhe,MA0Xianhui,ZHANGYanshen,eta1. Astrap—?downstabilizedantennasystemformobilesat—_ ellitecommunications[J].JournalofAstronautics, 2002,23(5):72—75. [5]徐贵民,黄建国."动中通"天线极化轴稳定性研究[J]. 现代电子技术,2008,12(5):116—118. XUGuimin.HUANGJianguo.Researchonstabiliza— tionofantennapolarizationaxisofvehiclesatellite communicationinmotion[J].ModernElectronicsTec— hnique,2008,12(5):116—118. E6]魏英杰.动中通地面站卫星天线伺服控制系统[J].无 线电通信技术,2007,33(3):30—32. WEIYingjie.Theservosystemofsatellitecommunica— tionantennaonthemoverJ].RadioCommunications Technology,2007,33(3):30—32. [7]杨凤梅.卫星电视接收天线的极化匹配问题探析[J]. 中国有线电视,2004,11(24):69—72. YANGFengmei.Analysisofpolarizationmatchingon satelliteTVreceivingantenna~J].ChinaCableTelevi— sion,2004,l1(24):69—72.