動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的自適應組合導航天線波束控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線波束控制技術領域，涉及一種天線波束控制方法， 具體涉及一種動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的自適應組合導航天線波束控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著信息化時代的到來和新軍事革命的迅猛發(fā)展，人們對通信的需求不斷增大， 人們迫切需求在移動中實現(xiàn)高速率、高帶寬通信。然而，移動衛(wèi)星通信頻段資源有限、通信 速率緩慢、服務費用高昂，嚴重限制了移動通信的進一步發(fā)展，這極大地刺激了一種新式衛(wèi) 星通信終端一動中通的發(fā)展。動中通是衛(wèi)星通信的重要分支，其旨在利用價格低、頻率資源 豐富的固定衛(wèi)星通信服務頻段衛(wèi)星資源為地面載體提供優(yōu)于移動衛(wèi)星通信頻段的通信服 務，具有通信機動性強、不受區(qū)域限制、安全保密性好等優(yōu)點，在民事應用方面，動中通是重 大自然災害應急通信的重要保障，是大型活動安保通信的有力保證，是信息時代實現(xiàn)寬帶 移動通信、提高生活質(zhì)量的有效措施。在軍事應用方面，動中通是適應信息化戰(zhàn)爭條件下作 戰(zhàn)的有力保障，是確保安全保密通信的有效手段，是實現(xiàn)機動作戰(zhàn)指揮的重要途徑。
[0003] 動中通系統(tǒng)的特點是基于FSS頻段實現(xiàn)移動衛(wèi)星通信，其整套設備需要安裝在移 動的載體上。因此，動中通應該具有較小的輪廓，通過性好，減小戰(zhàn)場暴露目標的幾率；應該 具有相對較低的成本，加速擴大動中通的應用范圍；應該具有良好的適用性，滿足人們對移 動中寬帶高速率通信的需求；應該具有良好的持續(xù)性，使動中通地面站在移動中實現(xiàn)雙向、 穩(wěn)定、高速率通信。動中通正常通信的前提是天線波束在方位、俯仰、極化三個方向與目標 衛(wèi)星對準，但是由于動中通安裝于移動載體上，路面的顛簸、載體行駛狀態(tài)的改變都會影響 天線波束指向，因此有效的姿態(tài)估計方案是有效隔離載體運動對天線波束指向干擾確保有 效通信的關鍵。
[0004] 動中通測控技術決定了整個動中通系統(tǒng)的成本和性能，是實現(xiàn)動中通移動中衛(wèi)星 通信的關鍵技術。動中通測控技術是的主要目的是獲得實時、高精度的姿態(tài)測量，對天線波 束指向進行實時的控制，確保波束實時、精確對準目標衛(wèi)星。對于低成本動中通而言，由于 系統(tǒng)采用微機械傳感器，其姿態(tài)角輸出存在累積誤差、測量精度低，且對于運動中的載體而 言，姿態(tài)角的變化復雜，因此設計適用于低成本測控系統(tǒng)的、能夠?qū)崟r估計載體姿態(tài)的姿態(tài) 估計算法變得尤為重要。目前，應用于動中通低成本姿態(tài)估計的算法有傳感器直接融合算 法，互補濾波算法等。多傳感器直接融合姿態(tài)估計算法易受機動加速度和側(cè)滑角等外界因 素干擾、姿態(tài)估計誤差難以完全校正，姿態(tài)估計的精度受限。互補濾波是一個常增益卡爾曼 濾波器，姿態(tài)估計精度與基于非線性濾波器的傳感器融合算法相近。組合導航是動中通姿 態(tài)估計領域新興的姿態(tài)估計算法，它克服了傳感器直接融合姿態(tài)估計算法易受側(cè)滑角、載 體的機動加速度影響的缺點，計算簡便，適用于實時的姿態(tài)測量系統(tǒng)，為降低動中通測控系 統(tǒng)成本，基于微機械慣性傳感器和GPS的組合導航成為姿態(tài)估計領域研究的熱點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的 自適應組合導航天線波束控制方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)天線與衛(wèi)星的準確對準，并且成本低。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的自適應組合導航天線波束 控制方法包括以下步驟：
[0007] 1)建立動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方程，其中，組合導航姿態(tài)估計系統(tǒng)的狀態(tài)量 x選取為載體的位置誤差量Sr、載體的速度誤差量SV及載體的姿態(tài)角誤差量！Kx= [Sr，SV，也]1，同時主控制器設定動中通組合導航姿態(tài)估計的觀測量Zk，其中，設定組合導 航姿態(tài)估計的觀測量4為微機械陀螺和微機械加速度計輸出的位置rINS和速度vINS與單基 線GPS輸出的位置rSPS和速度vSPS的差值，即
[0008]
[0009]其中，的、5、XINS、hIN#P約奶、Xeps、1^分別為微機械慣性測量單元和GPS測得 的煒度、經(jīng)度和高程信息；
[0010] 2)建立動中通組合導航量測方程，求解動中通組合導航量測方程，得量測方程系 數(shù)矩陣Hk;
[0011] 3)然后根據(jù)動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方程、量測方程系數(shù)矩陣Hk、以及主控制 器設定動中通組合導航姿態(tài)估計的觀測量Zk使用擴展卡爾曼濾波進行姿態(tài)解算，得載體的 三維姿態(tài)角，然后根據(jù)載體的三維姿態(tài)角控制三個電機調(diào)整天線波束的方向，是天線對準 衛(wèi)星。
[0012] 當組合導航姿態(tài)估計系統(tǒng)的狀態(tài)量x選取為載體的位置誤差量Sr、載體的 速度誤差量SV及載體的姿態(tài)角誤差量！D時，中動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方程為： 土 = ，.其中：
1^為 位置與位置的自相關系數(shù)，位置與速度的互相關系數(shù)，F(xiàn)vv為速度與速度的自相關系 數(shù)，F(xiàn)w為速度與位置的互相關系數(shù)，F(xiàn)為姿態(tài)與位置間的互相關系數(shù)，F(xiàn) 姿態(tài)與速度間 的互相關系數(shù)，C為方向余弦矩陣，Sfb為載體系比力測量誤差，為慣性系與地理系間 的相對角速率誤差。
[0013]當單基線GPS收星數(shù)目大于6時，量測方程系數(shù)矩陣為
I3X3為3X3的單位陣，03X3為3X3的零矩陣。
[0014]當單基線GPS收星數(shù)目大于4小于6時，量測方程系數(shù)矩陣Hk的表達式為：
，eN、eE及eD分別為姿態(tài)角在N方向、E方向及D方向的 誤差。
[0015] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)自適應組合導航天線波束控制方法在操作時， 根據(jù)系統(tǒng)方程、觀測量及量測方程系數(shù)矩陣使用擴展卡爾曼濾波進行姿態(tài)解算，得載體的 三維姿態(tài)角，根據(jù)所述三維姿態(tài)角實現(xiàn)天線與衛(wèi)星的對準，并且組合導航姿態(tài)估計的觀測 量Zk采用微機械陀螺和微機械加速度計計算的rINS和vINS與單基線GPS輸出的rSpjPvSPS， 從而有效的降低成本，采用擴展卡爾曼濾波進行姿態(tài)解算，有效的提高對準的精度，操作性 極強，并且性能穩(wěn)定、可靠，極大的促進了動中通的推廣及應用，并且無需考慮機動加速度、 側(cè)滑角等外界因素的干擾。本發(fā)明基于航向角輔助的組合導航算法簡單易行，克服了傳感 器直接融合姿態(tài)估計算法易受外界因素干擾、估計誤差難以校正的缺點，姿態(tài)估計精度高， 很好地滿足了動中通天線波束指向需求。
[0017] 進一步，在獲取量測方程系數(shù)矩陣時，根據(jù)單基線GPS收星數(shù)目的多少，確定對應 的量測方程系數(shù)矩陣，從而有效的提高天線對應衛(wèi)星的精度。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明中動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：
[0020] 參考圖1，本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的自適應組合導航天線波束控制方 法包括以下步驟：
[0021] 1)建立動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方程，組合導航姿態(tài)估計系統(tǒng)的狀態(tài)量 x選取為載體的