[發明專利]基于MEMS慣導的雙四元數動中通天線控制方法及系統

有效

• 申請號: 201410265808.2
• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN104064869A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 于清波;門吉卓;趙書倫;郎嶸;劉曉濱;楊春香
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: H01Q3/02
• 分類號: H01Q3/02;G01C21/16
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

技術領域

本發明涉及一種動中通天線控制方法。

背景技術

同步衛星的移動通信應用系統俗稱“動中通”，是當前衛星通信領域需求旺盛、發展迅速的應用。“動中通”除了具有衛星通信覆蓋區域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩定可靠的優點外，真正實現了寬帶、移動通信的目的。

目前，國內基于MEMS慣性導航(簡稱為MEMS慣導)的動中通系統尚且沒有較為成熟的方案。隨著MEMS慣性技術的發展，MEMS慣導的精度穩步提升。目前國內動中通系統應用越來越廣泛，市場對降低動中通系統的成本提出了迫切需求。因此研究MEMS慣導對動中通天線伺服系統的控制方法具有十分重要的意義。

通常的做法，是利用由捷聯慣導解算的導航姿態四元數直接控制天線，在卡爾曼濾波組合導航過程中，狀態估計若得到較大的誤差估計量，那么在修正估計量的同時，會通過給伺服系統瞬間輸入非常大的電流來驅動伺服系統瞬間轉動一個較大的角度(角度大小為卡爾曼濾波估計得到的誤差估計量)，這樣勢必會對天線伺服系統造成較大的電學和力學沖擊。為了避免這種沖擊，只能花費大量時間等待卡爾曼濾波穩定，直到伺服系統能夠承受由卡爾曼濾波估計的到的誤差修正量所帶來的沖擊時再啟動動中通伺服系統，顯然這是有悖于市場對動中通的快速對星需求的。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于MEMS慣導的雙四元數動中通天線控制方法及系統，通過在傳統導航姿態四元數的基礎上引入了新的天線控制四元數，從而隔離了卡爾曼濾波修正姿態誤差時對動中通天線伺服系統帶來的沖擊，可以顯著縮短動中通系統的對星時間。

本發明的技術解決方案是：一種基于MEMS慣導的雙四元數動中通天線控制方法，包括如下步驟：

(1)在載體上同時安裝MEMS慣導、GPS和動中通，其中MEMS慣導和GPS構成組合導航系統；

(2)設定天線控制四元數，天線控制四元數的形式為[q'₀ q'₁ q'₂ q'₃]，天線控制四元數中每個參數的含義與捷聯慣導解算中獲取的導航姿態四元數[q₀ q₁ q₂ q₃]對應一致，天線控制四元數的初值與導航姿態四元數相同；

(3)在捷聯慣導導航計算機的每個中斷周期里，用載體系相對于理想平臺坐標系的旋轉矢量分別更新導航姿態四元數和天線控制四元數；

(4)在所述組合導航系統的每個濾波周期內，利用卡爾曼濾波組合導航算法修正MEMS慣導的導航姿態中的水平姿態誤差，從而修正導航姿態四元數；

(5)在捷聯慣導導航計算機的每個中斷周期里，將由導航姿態四元數確定的載體姿態角與由天線控制四元數確定的載體姿態角對應相減，得到姿態角差值，并根據姿態角差值產生用于校正天線控制四元數的三軸指令角速度旋轉矢量，具體為：

a.若由天線控制四元數確定的航向角大于由導航姿態四元數確定的航向角，則三軸指令角速度旋轉矢量的第三個元素取正的修正指令角速度；

b.若由天線控制四元數確定的航向角小于由導航姿態四元數確定的航向角，則三軸指令角速度旋轉矢量的第三個元素取負的修正指令角速度；

c.若由天線控制四元數確定的俯仰角大于由導航姿態四元數確定的俯仰角，則三軸指令角速度旋轉矢量的第一個元素取正的修正指令角速度；

d.若由天線控制四元數確定的俯仰角小于由導航姿態四元數確定的俯仰角，則三軸指令角速度旋轉矢量的第一個元素取負的修正指令角速度；

e.若由天線控制四元數確定的橫滾角大于由導航姿態四元數確定的橫滾角，則三軸指令角速度旋轉矢量的第二個元素取正的修正指令角速度；

f.若由天線控制四元數確定的橫滾角小于由導航姿態四元數確定的橫滾角，則三軸指令角速度旋轉矢量的第二個元素取負的修正指令角速度；

(6)利用三軸指令角速度旋轉矢量校正天線控制四元數，并在校正以后的下一個捷聯慣導導航計算機的中斷周期，利用校正后的天線控制四元數，解算得到動中通天線的伺服方位角、伺服仰角和伺服極化角，由此獲得三個姿態方向所對應的控制量控制動中通天線轉動。

GPS:測量獲取載體的速度和位置信息并送至動中通天線控制器中的濾波單元；

MEMS陀螺：測量獲取載體在三維空間內的角速度信息并送至動中通天線控制器中的慣導解算單元和天線控制四元數計算單元；