[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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

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IMU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。

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：

(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；

(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其中为地垂线的矢量方向在地理坐标系下的坐标，g₀为重力加速度的大小，

γ、θ和ψ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；

(3)驱动动中通天线绕地垂线以γ₃为锥顶角，以γ₀＝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，γ₀为动中通天线绕地垂线进行圆锥旋转已经旋转过的角度；

(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；

(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。

所述的γ₀为矢量S₁X₁和矢量S₁S之间的夹角，S₁O矢量表示重力加速度矢量，平面S₁-X₁S与OS₁垂直，S₁X₁是O-Z-S₁平面与平面S₁-X₁S的交线，S为以γ₃为锥顶角的圆锥面与平面S₁-X₁S的交线上的任意一点，O为载体坐标系的原点。

本发明与现有技术相比的优点在于：