專利名稱：快恢復(fù)型動中通的動中對星方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，屬于慣性導(dǎo)航、天線伺服跟蹤和衛(wèi) 星通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
"動中通" 一詞是"動中不間斷衛(wèi)星通信系統(tǒng)"的簡稱，是一個意義比較廣泛的詞， 本申請文件中所指"動中通"是指適合汽車移動環(huán)境，在汽車移動的過程中，能夠保證衛(wèi) 星通信天線電軸精確對準(zhǔn)同步衛(wèi)星的天線跟蹤平臺。在此平臺上可以實現(xiàn)載體移動過程中 寬帶衛(wèi)星通信、傳輸視頻圖像、語音或/和數(shù)據(jù)信息。
動中對星是指當(dāng)動中通車在運動過程中由于外界干擾或者長時間遮擋或者遭遇停電 等原因造成信號中斷、天線偏離衛(wèi)星，而又無法停車進(jìn)行靜態(tài)對星時，要求動中通車在運 動中自動重新對準(zhǔn)衛(wèi)星并實時跟蹤；當(dāng)緊急情況發(fā)生時，由于應(yīng)急的要求，沒有作靜態(tài)對 準(zhǔn)、靜態(tài)找星等工作的時間，要求動中通車在運動中快速自動完成慣導(dǎo)對準(zhǔn)、天線對星等 功能，保障在應(yīng)急情況下移動衛(wèi)星通信的暢通?，F(xiàn)有技術(shù)中， 一般動中通車都是在靜態(tài)下 對星，運動中跟蹤。
快恢復(fù)型動中通的動中對星方法是指在運動中找星，和在運動中跟蹤。目前，國內(nèi)外 在移動載體的寬帶、大容量不間斷衛(wèi)星通信系統(tǒng)方面的研制手段較多，而且應(yīng)用也逐漸廣 泛。但是，目前應(yīng)用的移用衛(wèi)星通信產(chǎn)品一般都是在靜態(tài)對星后動態(tài)跟蹤，個別單位也開 展了動態(tài)對星的方法研究，由于技術(shù)復(fù)雜，所以在此技術(shù)的研究上還存在不少缺陷，而且 基本上無法達(dá)到實用的狀態(tài)。
移用衛(wèi)星通信系統(tǒng)對衛(wèi)星的實時跟蹤，依靠慣導(dǎo)組合給出載體的姿態(tài)數(shù)據(jù)完成。慣導(dǎo) 系統(tǒng)的初始姿態(tài)角度一般是通過測量地球自轉(zhuǎn)和地球當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊贸龅?，即慣導(dǎo)系 統(tǒng)的靜態(tài)初始對準(zhǔn)，在慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)完成后就可以在動態(tài)條件下實時提供姿態(tài)信息給 控制系統(tǒng)控制天線跟蹤衛(wèi)星。由于慣導(dǎo)初始對準(zhǔn)要求精確測定地球自轉(zhuǎn)角速率和地球重力 加速度，所以慣導(dǎo)快速自對準(zhǔn)一般都是采用靜基座對準(zhǔn)的方法。慣導(dǎo)在動態(tài)條件下完成初 始對準(zhǔn)需要做大量的數(shù)字濾波和誤差修正功能， 一般情況下完成動態(tài)對準(zhǔn)至少需要15分 鐘以上。載體在運動過程中，如果由于長時間遮擋或者干擾信號造成掉星后，控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的找星方式在運動中對星時，載體的運動相當(dāng)于給控制系統(tǒng)一個很大的干擾量，使 控制系統(tǒng)重新找星的過程很長，甚至一直無法重新找到衛(wèi)星?？傊?，目前在載體運動中快 速對準(zhǔn)和快速對星目前是動中通快速響應(yīng)需要解決的一大難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種當(dāng)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運 動中出現(xiàn)信號中斷、斷電重啟或應(yīng)急情況下，要求快速對星、無準(zhǔn)備時間進(jìn)行靜態(tài)對星等 情況時保障系統(tǒng)能夠快速運動中對星，大大加強(qiáng)系統(tǒng)快速反應(yīng)能力的快恢復(fù)型動中通的動 中對星方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，通過引
入高精度GPS信息，用GPS的速度位置等信息作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的參考量，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行信 息融合解算；在原有靜態(tài)對準(zhǔn)動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)上增加動基座對準(zhǔn)技術(shù)，即載車在運動狀態(tài) 下，通過陀螺和加速度計等傳感器的綜合計算，解算出載車相對真北向的方位角和相對水 平面的姿態(tài)角；并采用閉環(huán)極值掃描技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星的捕獲并鎖定，使天線 在動態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定。
現(xiàn)有技術(shù)的動中通系統(tǒng)采用的是靜中對星，運動中跟蹤；本發(fā)明增加了動中對星的功 能。由于快恢復(fù)型動中通在應(yīng)急或者在車隊內(nèi)掉星，又無法停車靜態(tài)對星等情況下，要求 動中通車必須具有運動中找星的功能。動中找星包括兩種情況， 一種是行進(jìn)中由于干擾或 者長時間遮擋等原因掉星，此時慣導(dǎo)工作正常，控制系統(tǒng)在運動中自動完成快速重新對星； 另一種情況是無靜態(tài)對星的準(zhǔn)備時間或者由于行進(jìn)中斷電等原因要求慣導(dǎo)上電啟動，此時 就要求慣導(dǎo)系統(tǒng)完成運動中動基座對準(zhǔn)后控制系統(tǒng)在運動中自動完成快速重新對星。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果 (1)采用激光慣導(dǎo)快速動基座對準(zhǔn)技術(shù)，可以在應(yīng)急情況下在運動中對系統(tǒng)加電， 自動完成慣導(dǎo)系統(tǒng)的動基座對準(zhǔn)功能。
(2) 采用DSP高速數(shù)字控制技術(shù)，克服了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時延，提高了控制系統(tǒng)在動態(tài) 環(huán)境中跟蹤的快速性和精確性。
(3) 采用閉環(huán)極值掃描技術(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星的捕獲并鎖定，并使天線在動 態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定。
(4)激光慣導(dǎo)快速動基座對準(zhǔn)技術(shù)與高速數(shù)字控制技術(shù)、閉環(huán)極值掃描技術(shù)相結(jié)合實 現(xiàn)了動中通系統(tǒng)的快速動中對星，大大提高了動中通系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。

圖1是本發(fā)明快恢復(fù)型動中通慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)定位原理圖2是本發(fā)明快恢復(fù)型動中通的動中對星方法的控制原理圖3是本發(fā)明中控制系統(tǒng)工作流程圖4是本發(fā)明中動態(tài)閉環(huán)極值掃描的工作流程圖5是本發(fā)明中雙環(huán)控制原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及的快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，解決了慣導(dǎo)系統(tǒng)的快速動基座對準(zhǔn)和 動態(tài)環(huán)境下控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)及閉環(huán)掃描問題。
如圖1所示，本發(fā)明涉及的快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，通過引入高精度GPS信 息，用GPS的位置、速度等信息作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的參考量，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行信息融合解算； 在原有靜態(tài)對準(zhǔn)動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)上增加動基座對準(zhǔn)技術(shù)，即載車在運動狀態(tài)下，通過陀螺 和加速度計等傳感器的綜合計算，解算出載車相對真北向的方位角和相對水平面的姿態(tài) 角；并解算出天線方位角、天線俯仰角、天線極化角，傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。
參見圖2，本發(fā)明快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，具體步驟包括
首先，對運動中的動中通系統(tǒng)加電；由慣導(dǎo)獲取陀螺、加表的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行角速率 和加速度計算；然后，慣導(dǎo)對獲取的高精度GPS信息進(jìn)行組合解算，完成動基座對準(zhǔn)；動 基座對準(zhǔn)完成后進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)，通知控制系統(tǒng)開始找星；最后，由控制系統(tǒng)開始進(jìn)行快速 閉環(huán)極值掃描，鎖定衛(wèi)星并精確修正，完成動中找星，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。
本發(fā)明中，不但在慣導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計中采用了創(chuàng)新設(shè)計，還具有以下特點
1、激光慣導(dǎo)快速動基座對準(zhǔn)
慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始姿態(tài)角度一般是通過測量地球自轉(zhuǎn)和地球當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊贸龅模?即慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜態(tài)初始對準(zhǔn)，在慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)完成后就可以在動態(tài)條件下實時提供姿 態(tài)信息給控制系統(tǒng)控制天線跟蹤衛(wèi)星。由于慣導(dǎo)初始對準(zhǔn)要求精確測定地球自轉(zhuǎn)角速率和 地球重力加速度，所以慣導(dǎo)快速自對準(zhǔn)一般都是采用靜基座對準(zhǔn)的方法。
慣導(dǎo)系統(tǒng)(LINS)的動基座對準(zhǔn)一般采用陀螺和加表的實時輸出進(jìn)行導(dǎo)航解算， 一般 要求載車在運動過程中勻速或者有短暫的停車時間，用載車的勻速運動狀態(tài)或者停車時的 零速修正等功能推算出載車的姿態(tài)信息，由于運動狀態(tài)下陀螺加表輸出數(shù)據(jù)的離散度大， 要求參與濾波運算的數(shù)據(jù)量大，因此即使在要求載車勻速或者短暫停車的情況下仍然要15 分鐘以上才能推算出載車的姿態(tài)信息，不能滿足動中通系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求。本發(fā)明在慣
5導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)的原理基礎(chǔ)上，引入高精度GPS信息，用GPS的速度位置等信息作為慣 導(dǎo)系統(tǒng)的參考量，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行信息融合解算，通過航位推算算法和卡爾曼濾波技術(shù)， 能夠在很短時間內(nèi)完成動基座對準(zhǔn)，而且對載車的運動狀態(tài)沒有特殊的要求。
環(huán)形激光陀螺(Ring Laser Gyro, RLG)以其穩(wěn)定性好、壽命長、耐沖擊振動、直接 數(shù)字化輸出、適于批量生產(chǎn)等突出優(yōu)點而成為新一代理想的捷聯(lián)式慣性敏感元件。由其組 成的激光慣導(dǎo)組合(Laser Gyro Inertial Navigation system, LINS)具有啟動快，不需 要預(yù)熱；不受載體運動速度和加速度的影響；測量范圍寬，標(biāo)度因數(shù)線性度和穩(wěn)定性高。 全球定位系統(tǒng)GPS的優(yōu)點是覆蓋世界范圍，24小時有效，定位精度高，但是無法得到實時 的載體姿態(tài)信息。因此，采用LINS/GPS組合導(dǎo)航方式可兼具兩者的優(yōu)點，使其優(yōu)勢互補(bǔ)， 并可完成激光慣導(dǎo)快速動基座對準(zhǔn)的功能。其慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)定位原理參見圖1。
2、 高速數(shù)字控制、閉環(huán)極值掃描技術(shù)
要在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)動中找星必須建立跟蹤過程中的隨動控制方法，同時還必須克服 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時延、閉環(huán)信號受干擾等問題，以達(dá)到在動態(tài)環(huán)境中跟蹤的快速性和精確性， 再通過極值掃描技術(shù)實現(xiàn)對衛(wèi)星的捕獲并鎖定。
控制系統(tǒng)在硬件上，采用了DSP高速數(shù)字處理器。主要以高速數(shù)字信號處理器DSP為 控制核心，DSP處理器與原有的單片機(jī)處理器比較具有工作頻率高、數(shù)據(jù)吞吐量大的特點。 其輸入的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、信標(biāo)信號和輸出的驅(qū)動器控制接口信號都是經(jīng)過數(shù)字化處理，DSP處 理器可以直接和這些信號接口，使采集并處理這些信號的時間大大縮短，整個控制系統(tǒng)運 行處理的速度比原有的控制系統(tǒng)有明顯的改變。
參見圖3和圖4，要實現(xiàn)對衛(wèi)星的動態(tài)捕獲并鎖定，在動態(tài)環(huán)境中對天線實現(xiàn)穩(wěn)定跟 蹤控制的基礎(chǔ)上，還必須疊加上動態(tài)極值掃描技術(shù)。為了能快速有效的捕獲衛(wèi)星，在控制 上采用最優(yōu)的算法，以合理的空間角度軌跡進(jìn)行掃描搜索衛(wèi)星。衛(wèi)星捕獲與否是通過采集 衛(wèi)星信標(biāo)信號來識別的，因此在掃描搜索衛(wèi)星的同時還必須實時采集處理衛(wèi)星信標(biāo)信號。 在動中通實際使用環(huán)境中衛(wèi)星信標(biāo)信號一般疊加有很強(qiáng)的噪聲干擾，為了避免噪聲干擾造 成控制系統(tǒng)誤判鎖定，還必須對信標(biāo)信號進(jìn)行濾波處理，使系統(tǒng)能有效的捕獲并鎖定衛(wèi)星。
動態(tài)閉環(huán)極值掃描技術(shù)是指，載體在運動過程中控制系統(tǒng)在實現(xiàn)原有跟蹤功能的基礎(chǔ) 上疊加閉環(huán)極值掃描?？刂葡到y(tǒng)主要通過這種技術(shù)來實現(xiàn)的動態(tài)找星。原有的控制系統(tǒng)在 找星過程中未加入跟蹤功能，實現(xiàn)的是靜態(tài)閉環(huán)極值掃描，所以只能實現(xiàn)靜態(tài)找星。
3、 在控制算法上采用雙環(huán)控制算法
雙環(huán)控制是指在內(nèi)環(huán)采用角速度控制與調(diào)整，外環(huán)采用角位置閉環(huán)控制調(diào)整的技術(shù)， 通過內(nèi)環(huán)角速度控制調(diào)整實現(xiàn)天線高速跟蹤控制，以解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕量、過渡過程時間以及最大跟蹤角速度等問題，以滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。為此必須對系統(tǒng)閉環(huán)跟蹤 控制的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，角速度穩(wěn)定設(shè)計成一階無差系統(tǒng)， 一階無差系統(tǒng)在？4°°時 (Z4oo的含義是過渡過程結(jié)束)誤差趨于零。通過內(nèi)環(huán)高速的速度閉環(huán)的控制，可以屏
蔽載體在各個空間角度擾動對天線的影響，從而使天線在動態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定。
再通過外環(huán)角位置閉環(huán)與調(diào)整的算法，以解決在內(nèi)環(huán)控制中所產(chǎn)生的角度誤差，來保 證天線跟蹤的精度，其技術(shù)原理框圖如圖5所示。
為了解決系統(tǒng)的時延問題，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，在跟蹤控制環(huán)節(jié)中采用 超調(diào)控制技術(shù)，就是在載體角度變化速度達(dá)到某個數(shù)值的時候控制天線始終比命令值多響 應(yīng)一個角度值，使天線先于命令達(dá)到目的角度，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。
本發(fā)明由于慣導(dǎo)系統(tǒng)在原有靜態(tài)對準(zhǔn)動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)上增加了動基座對準(zhǔn)技術(shù)，在慣 導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)技術(shù)中引入高精度GPS系統(tǒng)進(jìn)行融合解算，使用航位推算算法，用卡爾 曼濾波技術(shù)實現(xiàn)了快速動基座對準(zhǔn)技術(shù)，可以將單純的慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)時間由原來的15 分鐘以上縮短到廣3分鐘，對準(zhǔn)后航向精度小于2度，姿態(tài)精度小于0.5度，能夠滿足動 中通系統(tǒng)的找星要求?？刂葡到y(tǒng)在原有的對星技術(shù)上采用了DSP高速數(shù)字控制方法，并在 運動中采用快速閉環(huán)極值掃描等技術(shù)，在慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)完成后，控制系統(tǒng)只需要10~30 秒就能精確對星并進(jìn)入跟蹤狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)采用的新技術(shù)配合慣導(dǎo)動基座快速對準(zhǔn)技術(shù)一 起實現(xiàn)動態(tài)找星，而且在慣導(dǎo)未重啟時可以實現(xiàn)快速動態(tài)找星。本發(fā)明中采用LINS/GPS 組合導(dǎo)航方式，使用環(huán)形激光陀螺。
權(quán)利要求
1、快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，其特征在于，通過引入高精度GPS信息，用GPS的速度位置等信息作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的參考量，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行信息融合解算；在原有靜態(tài)對準(zhǔn)動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)上增加動基座對準(zhǔn)技術(shù)，即載車在運動狀態(tài)下，通過陀螺和加速度計等傳感器的綜合計算，解算出載車相對真北向的方位角和相對水平面的姿態(tài)角；并采用閉環(huán)極值掃描技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星的捕獲并鎖定，使天線在動態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，其特征在于，具體步驟 包括首先，對運動中的動中通系統(tǒng)加電；由慣導(dǎo)獲取陀螺、加表的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行角速 率和加速度計算；然后，慣導(dǎo)對獲取的高精度GPS信息進(jìn)行組合解算，完成動基座對準(zhǔn)；動基座對準(zhǔn)完 成后進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)，通知控制系統(tǒng)開始找星；最后，由控制系統(tǒng)開始進(jìn)行快速閉環(huán)極值掃描，鎖定衛(wèi)星并精確修正，完成動中找星， 進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，其特征在于，所述控制 系統(tǒng)采用DSP高速數(shù)字處理器；在控制算法上采用雙環(huán)控制內(nèi)環(huán)采用角速度控制與調(diào)整， 外環(huán)采用角位置閉環(huán)控制調(diào)整，通過內(nèi)環(huán)角速度控制調(diào)整實現(xiàn)天線高速跟蹤控制，再通過 外環(huán)角位置閉環(huán)控制來保證天線跟蹤的精度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快恢復(fù)型動中通的動中對星方法，通過引入高精度GPS信息，用GPS的速度位置等信息作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的參考量，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行信息融合解算；在原有靜態(tài)對準(zhǔn)動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)上增加動基座對準(zhǔn)技術(shù)，即載車在運動狀態(tài)下，通過陀螺和加速度計等傳感器的綜合計算，解算出載車相對真北向的方位角和相對水平面的姿態(tài)角；并采用閉環(huán)極值掃描技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星的捕獲并鎖定，使天線在動態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定。本發(fā)明采用激光慣導(dǎo)快速動基座對準(zhǔn)技術(shù)，可自動完成慣導(dǎo)系統(tǒng)的動基座對準(zhǔn)功能；采用閉環(huán)極值掃描技術(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境下對衛(wèi)星的捕獲并鎖定，并使天線在動態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定。而且，大大提高了動中通系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。
文檔編號H01Q3/08GK101505002SQ20091010339
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者偉 劉, 江 劉, 浩 蔣, 琳 馬 申請人:重慶航天新世紀(jì)衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限責(zé)任公司