[发明专利]基于MEMS惯导的双四元数动中通天线控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种动中通天线控制方法。

背景技术

同步卫星的移动通信应用系统俗称“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，真正实现了宽带、移动通信的目的。

目前，国内基于MEMS惯性导航(简称为MEMS惯导)的动中通系统尚且没有较为成熟的方案。随着MEMS惯性技术的发展，MEMS惯导的精度稳步提升。目前国内动中通系统应用越来越广泛，市场对降低动中通系统的成本提出了迫切需求。因此研究MEMS惯导对动中通天线伺服系统的控制方法具有十分重要的意义。

通常的做法，是利用由捷联惯导解算的导航姿态四元数直接控制天线，在卡尔曼滤波组合导航过程中，状态估计若得到较大的误差估计量，那么在修正估计量的同时，会通过给伺服系统瞬间输入非常大的电流来驱动伺服系统瞬间转动一个较大的角度(角度大小为卡尔曼滤波估计得到的误差估计量)，这样势必会对天线伺服系统造成较大的电学和力学冲击。为了避免这种冲击，只能花费大量时间等待卡尔曼滤波稳定，直到伺服系统能够承受由卡尔曼滤波估计的到的误差修正量所带来的冲击时再启动动中通伺服系统，显然这是有悖于市场对动中通的快速对星需求的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于MEMS惯导的双四元数动中通天线控制方法及系统，通过在传统导航姿态四元数的基础上引入了新的天线控制四元数，从而隔离了卡尔曼滤波修正姿态误差时对动中通天线伺服系统带来的冲击，可以显著缩短动中通系统的对星时间。

本发明的技术解决方案是：一种基于MEMS惯导的双四元数动中通天线控制方法，包括如下步骤：

(1)在载体上同时安装MEMS惯导、GPS和动中通，其中MEMS惯导和GPS构成组合导航系统；

(2)设定天线控制四元数，天线控制四元数的形式为[q'₀ q'₁ q'₂ q'₃]，天线控制四元数中每个参数的含义与捷联惯导解算中获取的导航姿态四元数[q₀ q₁ q₂ q₃]对应一致，天线控制四元数的初值与导航姿态四元数相同；

(3)在捷联惯导导航计算机的每个中断周期里，用载体系相对于理想平台坐标系的旋转矢量分别更新导航姿态四元数和天线控制四元数；

(4)在所述组合导航系统的每个滤波周期内，利用卡尔曼滤波组合导航算法修正MEMS惯导的导航姿态中的水平姿态误差，从而修正导航姿态四元数；

(5)在捷联惯导导航计算机的每个中断周期里，将由导航姿态四元数确定的载体姿态角与由天线控制四元数确定的载体姿态角对应相减，得到姿态角差值，并根据姿态角差值产生用于校正天线控制四元数的三轴指令角速度旋转矢量，具体为：

a.若由天线控制四元数确定的航向角大于由导航姿态四元数确定的航向角，则三轴指令角速度旋转矢量的第三个元素取正的修正指令角速度；

b.若由天线控制四元数确定的航向角小于由导航姿态四元数确定的航向角，则三轴指令角速度旋转矢量的第三个元素取负的修正指令角速度；

c.若由天线控制四元数确定的俯仰角大于由导航姿态四元数确定的俯仰角，则三轴指令角速度旋转矢量的第一个元素取正的修正指令角速度；

d.若由天线控制四元数确定的俯仰角小于由导航姿态四元数确定的俯仰角，则三轴指令角速度旋转矢量的第一个元素取负的修正指令角速度；

e.若由天线控制四元数确定的横滚角大于由导航姿态四元数确定的横滚角，则三轴指令角速度旋转矢量的第二个元素取正的修正指令角速度；

f.若由天线控制四元数确定的横滚角小于由导航姿态四元数确定的横滚角，则三轴指令角速度旋转矢量的第二个元素取负的修正指令角速度；

(6)利用三轴指令角速度旋转矢量校正天线控制四元数，并在校正以后的下一个捷联惯导导航计算机的中断周期，利用校正后的天线控制四元数，解算得到动中通天线的伺服方位角、伺服仰角和伺服极化角，由此获得三个姿态方向所对应的控制量控制动中通天线转动。

GPS:测量获取载体的速度和位置信息并送至动中通天线控制器中的滤波单元；

MEMS陀螺：测量获取载体在三维空间内的角速度信息并送至动中通天线控制器中的惯导解算单元和天线控制四元数计算单元；