動中通天線與載體慣導的安裝誤差估計方法

秦 超，孫 哲，王一煥

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081; 2.海軍駐石家莊地區(qū)通信軍事代表室，河北 石家莊 050081)

0 引言

動中通[1]是“移動中的衛(wèi)星地面站通信系統”的簡稱。通過動中通系統，車輛、輪船及飛機等移動的載體在運動過程中可實時跟蹤衛(wèi)星等平臺，不間斷地傳遞語音、數據及圖像等多媒體信息，可滿足各種軍民用應急通信和移動條件下的多媒體通信的需要。動中通系統是通信領域一次重大的突破，是當前衛(wèi)星通信領域需求旺盛、發(fā)展迅速的應用領域，在軍民兩個領域都有極為廣泛的發(fā)展前景。其中，動中通天線是系統的關鍵組成部分。動中通載體的位置、姿態(tài)發(fā)生變化時會使天線的波束指向發(fā)生偏移，導致天線接收信號變弱，甚至通信中斷[2-4]。傳統的動中通天線多采用高精度的慣導測量載體的干擾角運動[5]，但其造價高昂，限制了動中通的推廣和應用。隨著MEMS技術的發(fā)展，低成本的慣導系統被廣泛應用在動中通天線上[6-7]，但其精度相對較低，相當于為降低成本犧牲了天線的性能。一般大型車輛、艦船等載體都配備高精度的慣導，但慣導的安裝位置可能與天線基座相距較遠，且兩者的安裝平面不能保證平行，導致慣導的測量輸出不能正確地反應出天線安裝平面的姿態(tài)信息[8-9]。

本文提出了一種基于傳遞對準的方法，用來估計載體慣導和動中通天線之間的安裝誤差。天線使用補償過安裝誤差后的載體慣導輸出信息，既能降低天線成本，又能保證天線的指向性能。

1 安裝誤差角模型

1.1 坐標系定義

1.2 安裝誤差角定義

(1)

圖1 安裝誤差示意圖

1.3 安裝誤差角觀測

根據坐標變換關系可知，子慣導的姿態(tài)矩陣可表示為[10]：

(2)

ψs=ψ+δψ,

θs=θ+δθ,

γs=γ+δγ，

(3)

式中，ψ,θ,γ為主慣導確定的姿態(tài)角度，δψ,δθ,δγ為相應的誤差。

記

(4)

則由式(2)～式(4)可得：

(5)

T32+T12φn-T22φe-T31μz+T33μx，

(6)

(7)

將式(5)～式(7)進行泰勒展開并省略二次小量，可得：

(8)

(9)

(10)

其中，

Mψ1=-T32T22，

Mψ2=-T12T32，

Mψ3=T13T22+T23T12，

Mψ4=T11T21+T11T22，

Mγ1=T21T33-T23T31，

Mγ2=T13T31-T11T33，

Mγ3=T32T31，

Mγ4=-T32T33。

由式(8)～式(10)可得，主子慣導輸出的角度差包含了安裝誤差角的信息，可以實現對安裝誤差角的觀測。

2 卡爾曼濾波的設計

通過卡爾曼濾波器估計安裝誤差角的原理如圖2所示。主、子慣導之間的速度、姿態(tài)角分別做差后，將偏差送入卡爾曼濾波器進行誤差估計。估計出的子慣導的誤差項反饋到子慣導進行修正，同時估計出的安裝誤差角對主慣導的姿態(tài)角信息進行補償后交于天線使用。

圖2 卡爾曼濾波器估計安裝誤差角原理

2.1 系統狀態(tài)模型

慣性儀表誤差和安裝誤差角建模成隨機常數，并把慣性儀表誤差、安裝誤差角(不考慮撓曲變形)擴充到系統方程中去，因此，速度和姿態(tài)角匹配傳遞對準濾波器的數學模型[11-13]為：

(11)

F43=-F34，F53=-F35。

2.2 系統觀測模型

以東、北向速度和姿態(tài)角為觀測量的量測方程為[14-16]：

(12)

3 仿真試驗及結果分析

3.1 測試工裝和主子慣導

為驗證安裝誤差角的估計精度，建立了半物理仿真實驗平臺[17-18]，同時設計了帶有安裝誤差的測試工裝，如圖3和圖4所示。子慣導相對于主慣導的安裝誤差，體現在x軸，設計的安裝誤差角絕對值為8°和5°。

圖3 測試工裝

圖4 測試工裝側面圖

主慣導選用光纖捷聯姿態(tài)測量系統，子慣導選用MEMS慣性組合導航系統，在測試工裝上的實際效果如圖5所示。

圖5 主子慣導安裝示意圖

3.2 測試方法

如圖5所示，將主慣導與子慣導安裝在測試工裝上，主慣導安裝在水平平面上，并使其方位與子慣導基本一致，子慣導安裝在其中一個傾斜平面上；

如圖6所示，將安裝有主子慣導的測試工裝放置在三軸速率臺上，并上電。

圖6 三軸速率臺

按表1對三軸速率臺進行設置。

表1 三軸速率臺參數設置

方位幅度方位頻率俯仰幅度俯仰頻率橫滾幅度橫滾頻率8°5 Hz5°10 Hz8°10 Hz

采集主慣導與子慣導的輸出，主慣導輸出當前的姿態(tài)、速度和位置，子慣導輸出當前的角速率信息和比力信息，將這些信息保存到文件中。

讀取上述文件中的信息并在離線仿真程序中計算，保存計算結果。

3.3 結果分析

為驗證安裝誤差角估計的正確性，依據上述測試方法，進行重復10次測試，計算結果如表2和表3所示。

表2 安裝誤差角測試結果(實際誤差為5°)

X軸安裝誤差角/(°)Y軸安裝誤差角/(°)Z軸安裝誤差角/(°)4.352 40.171 9-0.056 04.178 80.272 7-0.081 24.208 70.117 00.018 04.135 90.127 60.007 74.266 30.062 30.101 44.264 40.287 8-0.128 14.342 40.308 30.132 94.236 20.220 70.062 34.193 70.310 50.024 74.365 40.136 2-0.043 2

表3 安裝誤差角測試結果(實際誤差為8°)

X軸安裝誤差角/(°)Y軸安裝誤差角/(°)Z軸安裝誤差角/(°)7.121 10.252 30.088 27.028 60.283 80.103 27.065 60.223 0-0.067 37.024 50.240 5-0.098 47.114 70.302 80.130 57.198 20.293 60.143 77.137 10.352 50.110 97.071 20.290 80.070 97.129 40.332 4-0.064 17.094 50.245 60.124 5

主子慣導間安裝誤差角為5°時，算法估計出的誤差角度平均為4.254 4°，占總誤差的85%，其標準差為0.078 7；主子慣導間安裝誤差角為8°時，算法估計出的誤差角度平均為7.098 5°，占總誤差的89%，其標準差為0.053 1。

4 結束語

為了在降低成本的同時保證動中通天線的指向性能，本文提出了一種基于傳遞對準的主子慣導安裝誤差角估計方法，半實物仿真結果表明，對安裝誤差角的估計能達到實際裝誤差的80%以上。動中通天線可以使用補償過安裝誤差角的主慣導航姿信息，也可以使用補償過系統誤差的低成本子慣導信息，對于動中通天線而言，兩者精度均得到了提升，是一種有效提升指向性能和天線可靠性的方法。