基于天線自主跟蹤的中低精度捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)

基于天線自主跟蹤的中低精度捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)

0高清生物基人軌式傳感器系統(tǒng)可靠性檢測(cè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（動(dòng)態(tài)和平均通信系統(tǒng)）對(duì)衛(wèi)星天線的跟蹤提出了特殊要求。另一方面，天線必須快速響應(yīng)，在橋、樹(shù)、建筑物、山脈、隧道等覆蓋后，快速完成對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)的重復(fù)傳輸。另一方面，當(dāng)負(fù)載嚴(yán)重時(shí)，可以準(zhǔn)確自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星目標(biāo)，確保通信質(zhì)量。在動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)中使用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng),是解決上述問(wèn)題的理想選擇。高精度的動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)一般采用偽單脈沖單通道的自動(dòng)跟蹤模式。該模式跟蹤精度高,但信號(hào)一旦因遮擋或顛簸而丟失,自身捕獲衛(wèi)星的時(shí)間較長(zhǎng),一般需數(shù)分鐘。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供車(chē)體的姿態(tài)和航向信息,可以迅速引導(dǎo)天線指向衛(wèi)星目標(biāo),當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入天線電軸的半功率波束寬度內(nèi)(范圍一般為1°),天線控制系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)信息最大化原理捕獲衛(wèi)星目標(biāo)而進(jìn)入高精度自主跟蹤狀態(tài),從而極大地縮短重捕時(shí)間。一旦天線控制系統(tǒng)進(jìn)入自主跟蹤狀態(tài),便可不再使用慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的信息。近年來(lái),高精度的激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已逐步應(yīng)用在一些高端場(chǎng)合,但因成本高而難以普及。中低精度的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)主要存在兩類(lèi)缺陷:1)長(zhǎng)時(shí)間姿態(tài)和航向保持精度不滿(mǎn)足要求。2)陀螺零偏大,不能自主估計(jì)初始航向角,即不具備自對(duì)準(zhǔn)能力。第1)類(lèi)缺陷可通過(guò)與車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)或車(chē)載里程計(jì)構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)得到解決。第2)類(lèi)缺陷通過(guò)附加外部航向測(cè)量設(shè)備解決,如使用GPS雙天線方位測(cè)量?jī)x或在機(jī)載系統(tǒng)中使用磁航向傳感器,也可通過(guò)在慣導(dǎo)系統(tǒng)中增加轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙位置對(duì)準(zhǔn)解決,但都將增加成本和設(shè)備的復(fù)雜程度。本文在建立慣導(dǎo)系統(tǒng)輔助動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,采用天線自主跟蹤狀態(tài)下輸出的碼盤(pán)值反解車(chē)體航向,在不增加任何設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)了中低精度慣導(dǎo)的初始對(duì)準(zhǔn)。1模型的構(gòu)建1.1坐標(biāo)系定義1.1.1地理坐標(biāo)系g系地理坐標(biāo)系為東北天坐標(biāo)系。即原點(diǎn)位于車(chē)體旋轉(zhuǎn)中心,x軸沿緯線方向指向東,y軸沿經(jīng)線方向指向北,z軸指向天。1.1.2物體坐標(biāo)系b系車(chē)體坐標(biāo)系采用右前上坐標(biāo)系。即原點(diǎn)位于車(chē)體旋轉(zhuǎn)中心,x軸沿車(chē)體橫軸指向右,y軸沿縱軸指向前方,z軸沿豎軸向上。1.1.3天氣形勢(shì)分析本坐標(biāo)系與車(chē)載天線波束固聯(lián),以天線的質(zhì)心為原點(diǎn),y軸為天線電軸指向,x軸與電場(chǎng)矢量指向重合,即天線饋源矩形波導(dǎo)口窄邊平行于車(chē)體平面,z軸與x、y軸構(gòu)成右手系。1.1.4車(chē)體系b系與天線坐標(biāo)系的相關(guān)關(guān)系以車(chē)體的旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn),y軸指向所選定的通信衛(wèi)星,x軸與所選定的通信衛(wèi)星的極化方向一致,z軸與x、y軸構(gòu)成右手系。地理系(g系)至車(chē)體坐標(biāo)系(b系)的變換矩陣為Cbg,由俯仰角θI,滾轉(zhuǎn)角γI和航向角ψI唯一確定。根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)原理可知:C1(ψΙ)=[cosψΙ-sinψΙ0sinψΙcosψΙ0001〗(1)C2(θΙ)=[1000cosθΙsinθΙ0-sinθΙcosθΙ〗(2)C3(γΙ)=[cosγΙ0-sinγΙ01sinθΙsinγΙ0cosγΙ〗(3)將式(1)～(3)相乘,則有Cbg=C3(γI)C2(θI)C1(ψI) (4)車(chē)體系(b系)與天線坐標(biāo)系(T系)的關(guān)系可由俯仰碼盤(pán)值θM,極化碼盤(pán)值γM和方位碼盤(pán)值ψM確定,將碼盤(pán)值代入式(4)可得CΤb=C3(γM)C2(θM)C1(ψM) (5)地理系(g系)與理想波束坐標(biāo)系(W系)的關(guān)系可由俯仰角θS、極化角γS和方位角ψS確定,代入式(4)可得CWg=C3(γS)C2(θS)C1(ψS)(6)1.2,l,h轉(zhuǎn)換矩陣通信與廣播衛(wèi)星為地球同步衛(wèi)星,相對(duì)于地球處于靜止?fàn)顟B(tài)。同步衛(wèi)星在地球赤道平面內(nèi)運(yùn)行,且繞地球旋轉(zhuǎn)的周期和方向與地球自轉(zhuǎn)一致,故從地球上看衛(wèi)星是靜止不動(dòng)的。同步衛(wèi)星軌道高度hS一般在35768km左右,緯度為0,地球半徑R≈6371000m。若已知衛(wèi)星所在經(jīng)度為λS,車(chē)體所在點(diǎn)的經(jīng)緯高為(λ,L,h),則理想指向波束相對(duì)于車(chē)體所在點(diǎn)地理系的角度為{ψS=π-tan-1[tan(λS-λ)sinL〗θS=tan-1[cos(λS-λ)cosL-(R+h)(R+h)+hS√1-[cos(λS-λ)cosL]2〗γS=tan-1[sin(λS-λ)tanL〗(7)車(chē)載慣導(dǎo)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)提供姿態(tài)矩陣Cbg,將式(7)計(jì)算的(ψSθSγS)代入式(6)可求得轉(zhuǎn)換矩陣CWg。要使車(chē)載天線波束精確指向通信衛(wèi)星,則天線坐標(biāo)系(T系)應(yīng)與理想指向波束坐標(biāo)系(W系)重合,即有CWg=CΤbCbg(8)式(8)兩邊同時(shí)右乘矩陣Cgb,可得CΤb=CWgCgb=CWg(Cbg)T(9)記,可求得碼盤(pán)值{θΜ=sin-1(Τ23)γΜ=tan-1(-Τ13/Τ33)ψΜ=tan-1(Τ21/Τ22)(10)慣導(dǎo)系統(tǒng)在導(dǎo)航過(guò)程中,提供實(shí)時(shí)的Cbg,并由式(9)、(10)計(jì)算出碼盤(pán)值,車(chē)載天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)根據(jù)碼盤(pán)值驅(qū)動(dòng)控制電機(jī),即可保證車(chē)載天線始終對(duì)準(zhǔn)通信衛(wèi)星。1.3慣導(dǎo)靜基準(zhǔn)粗準(zhǔn)bz由于中低精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)自對(duì)準(zhǔn)能力,需通過(guò)外部輸入航向進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。天線控制系統(tǒng)在高精度自主跟蹤時(shí)可提供碼盤(pán)值,進(jìn)而求出車(chē)體航向。模型推導(dǎo)前首先應(yīng)區(qū)分線極化衛(wèi)星和圓極化衛(wèi)星的差別。極化匹配是接收天線的極化方向應(yīng)與電波的極化方向一致,這時(shí)接收天線能接收電波的全部能量。若接收天線的極化方向與電波的極化方向不一致時(shí),則為極化失配,這時(shí)只能接收部分能量。對(duì)于線極化衛(wèi)星,鎖定狀態(tài)下的天線碼盤(pán)值(ψMθMγM)均為準(zhǔn)確值。對(duì)于圓極化衛(wèi)星,極化角為任意值接收到的能量均相等,即γM可為任意值;故在圓極化情況下,γM不可用。1.2節(jié)所述模型不能用來(lái)反解車(chē)體航向角ψI,需重新建立模型。在慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)前,動(dòng)中通設(shè)備首先自主搜索通信衛(wèi)星,然后根據(jù)信息最大化原理將天線中心指向所選定的衛(wèi)星,處于自跟蹤狀態(tài),并給出自跟蹤狀態(tài)下的碼盤(pán)值(ψMθMγM)。已知衛(wèi)星經(jīng)度和載車(chē)位置,根據(jù)式(7)可求得角度(ψSθSγS)。設(shè)車(chē)體與衛(wèi)星的距離為S,則車(chē)體天線指向衛(wèi)星的向量在地理坐標(biāo)系下的分量為Sg=[SgxSgySgz=[S?cosθS?sinψSS?cosθS?cosψSS?sinθS〗(11)根據(jù)鎖定狀態(tài)下的碼盤(pán)值(ψMθM),則天線指向衛(wèi)星的向量在車(chē)體坐標(biāo)系下的分量為Sb=[SbxSbySbz=[S?cosθΜ?sinψΜS?cosθΜ?cosψΜS?sinθΜ〗(12)易知向量Sg與Sb之間存在如下關(guān)系:Sb=CbgSg(13)將式(4)、(11)和(12)代入式(13)可得[cosθΜ?sinψΜcosθΜ?cosψΜsinθΜ〗=C3(γΙ)C2(θΙ)C1(ψΙ)?[cosθS?sinψScosθS?cosψSsinθS〗(14)在慣導(dǎo)靜基座粗對(duì)準(zhǔn)階段,加速度計(jì)輸出比力與重力加速度g存在如下關(guān)系:fb=[fbxfbyfbz=Cbg[00g=[-gsinγΙcosθΙgsinθΙgcosγΙcosθΙ〗(15)由式(15)可求得{θΙ=sin-1(fbyg)γΙ=tan-1(-fbxfbz)(16)由式(16)可見(jiàn),水平對(duì)準(zhǔn)與方位角無(wú)關(guān)。將水平對(duì)準(zhǔn)得到的θI和γI代入式(2)、(3)中可求得C3(γI)和C2(θI),然后代入式(14)并整理得CΤ2(θΙ)CΤ3(γΙ)[cosθΜ?sinψΜcosθΜ?cosψΜsinθΜ〗=C1(ψΙ)[cosθS?sinψScosθS?cosψSsinθS〗(17)式(17)中等號(hào)左邊均為已知項(xiàng),可記作將式(1)代入式(18),可得通過(guò)式(19)可求得sin(ψS-ψΙ)cos(ψS-ψΙ)=b0b1(20)從而可求出車(chē)體航向角ψI作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的粗對(duì)準(zhǔn)輸入航向ψΙ=ψS-tan-1(b0b1)(21)從推導(dǎo)結(jié)果可知,該方法未使用極化碼盤(pán)值γM,故對(duì)線極化和圓極化通信衛(wèi)星均實(shí)用。2實(shí)驗(yàn)證實(shí)2.1理論輸入誤差仿真仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的車(chē)體理論姿態(tài)角(ψ0Iθ0Iγ0I)和衛(wèi)星位置λS計(jì)算天線跟蹤碼盤(pán)值(ψMθMγM),疊加相應(yīng)誤差后根據(jù)1.3節(jié)所述模型求解初始對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)和航向角(ψIθIγI),并比較對(duì)準(zhǔn)結(jié)果和理論輸入間的誤差。仿真時(shí)取初始對(duì)準(zhǔn)位置經(jīng)緯高為(108.9°,34.2°,400m)(400m為高度),衛(wèi)星經(jīng)度為103°,粗對(duì)準(zhǔn)時(shí)間為60s;初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)車(chē)體俯仰角和橫滾角在-20°～20°之間分布,航向角在-180°～+180°之間分布;加速度計(jì)的隨機(jī)零偏取為1×10-4g,天線碼盤(pán)角度測(cè)量的隨機(jī)誤差為0.1°。對(duì)1000個(gè)樣本進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn),姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)精度在0.01°內(nèi),初始航向角的精度在0.2°內(nèi),可作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的粗對(duì)準(zhǔn)輸入航向使用。由于航向值具有一定的精度,在精對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中可用于估計(jì)陀螺常值漂移。2.2ps組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)車(chē)載實(shí)驗(yàn)在某工程“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)天線控制設(shè)備車(chē)上進(jìn)行,衛(wèi)星天線分別跟蹤中衛(wèi)1號(hào)衛(wèi)星和烽火1號(hào)02星。實(shí)驗(yàn)中使用光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng),陀螺零偏重復(fù)性為3(°)/h,零偏穩(wěn)定性為0.5(°)/h,加速度計(jì)隨機(jī)零偏為1×10-4g,與車(chē)載GPS進(jìn)行組合導(dǎo)航。實(shí)驗(yàn)分為兩類(lèi)進(jìn)行:1)慣導(dǎo)系統(tǒng)按1.3節(jié)所述方法對(duì)準(zhǔn)并進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)后,載車(chē)在視野開(kāi)闊地帶行駛,保證天線始終處于自跟蹤狀態(tài),記錄天線跟蹤的測(cè)量碼盤(pán)值和慣導(dǎo)解算輸出的碼盤(pán)值之差作為跟蹤誤差。該實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了6次,單次實(shí)驗(yàn)時(shí)間不小于1h,計(jì)算每次碼盤(pán)跟蹤誤差的均方根值如表1所示。由表可知,慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的碼盤(pán)跟蹤精度滿(mǎn)足要求。2)慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)并進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)后,載車(chē)在有遮擋物或顛簸路面行駛。在行駛路段有樹(shù)木、隧道和城市建筑物遮擋的條件下,分3天共進(jìn)行4次試驗(yàn),其間讓載車(chē)故意在遮擋區(qū)域活動(dòng)0.5h以上,也曾穿越亞洲最長(zhǎng)的秦嶺終南山隧道,當(dāng)遮擋物消失后,慣導(dǎo)系統(tǒng)可輔助天線立即跟蹤到通訊衛(wèi)星,做到“零秒捕獲”。在建筑工地的復(fù)雜地形條件下試驗(yàn)2次,天線在顛簸和大角速率干擾的條件下不丟失衛(wèi)星信號(hào),通信質(zhì)量良好。3中低精