动中通天线与载体惯导的安装误差估计方法

秦 超，孙 哲，王一焕

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081; 2.海军驻石家庄地区通信军事代表室，河北 石家庄 050081)

0 引言

动中通[1]是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称。通过动中通系统，车辆、轮船及飞机等移动的载体在运动过程中可实时跟踪卫星等平台，不间断地传递语音、数据及图像等多媒体信息，可满足各种军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。动中通系统是通信领域一次重大的突破，是当前卫星通信领域需求旺盛、发展迅速的应用领域，在军民两个领域都有极为广泛的发展前景。其中，动中通天线是系统的关键组成部分。动中通载体的位置、姿态发生变化时会使天线的波束指向发生偏移，导致天线接收信号变弱，甚至通信中断[2-4]。传统的动中通天线多采用高精度的惯导测量载体的干扰角运动[5]，但其造价高昂，限制了动中通的推广和应用。随着MEMS技术的发展，低成本的惯导系统被广泛应用在动中通天线上[6-7]，但其精度相对较低，相当于为降低成本牺牲了天线的性能。一般大型车辆、舰船等载体都配备高精度的惯导，但惯导的安装位置可能与天线基座相距较远，且两者的安装平面不能保证平行，导致惯导的测量输出不能正确地反应出天线安装平面的姿态信息[8-9]。

本文提出了一种基于传递对准的方法，用来估计载体惯导和动中通天线之间的安装误差。天线使用补偿过安装误差后的载体惯导输出信息，既能降低天线成本，又能保证天线的指向性能。

1 安装误差角模型

1.1 坐标系定义

1.2 安装误差角定义

(1)

图1 安装误差示意图

1.3 安装误差角观测

根据坐标变换关系可知，子惯导的姿态矩阵可表示为[10]：

(2)

ψs=ψ+δψ,

θs=θ+δθ,

γs=γ+δγ，

(3)

式中，ψ,θ,γ为主惯导确定的姿态角度，δψ,δθ,δγ为相应的误差。

记

(4)

则由式(2)～式(4)可得：

(5)

T32+T12φn-T22φe-T31μz+T33μx，

(6)

(7)

将式(5)～式(7)进行泰勒展开并省略二次小量，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，主子惯导输出的角度差包含了安装误差角的信息，可以实现对安装误差角的观测。

2 卡尔曼滤波的设计

通过卡尔曼滤波器估计安装误差角的原理如图2所示。主、子惯导之间的速度、姿态角分别做差后，将偏差送入卡尔曼滤波器进行误差估计。估计出的子惯导的误差项反馈到子惯导进行修正，同时估计出的安装误差角对主惯导的姿态角信息进行补偿后交于天线使用。

图2 卡尔曼滤波器估计安装误差角原理

2.1 系统状态模型

惯性仪表误差和安装误差角建模成随机常数，并把惯性仪表误差、安装误差角(不考虑挠曲变形)扩充到系统方程中去，因此，速度和姿态角匹配传递对准滤波器的数学模型[11-13]为：

(11)

F43=-F34，F53=-F35。

2.2 系统观测模型

以东、北向速度和姿态角为观测量的量测方程为[14-16]：

(12)

3 仿真试验及结果分析

3.1 测试工装和主子惯导

为验证安装误差角的估计精度，建立了半物理仿真实验平台[17-18]，同时设计了带有安装误差的测试工装，如图3和图4所示。子惯导相对于主惯导的安装误差，体现在x轴，设计的安装误差角绝对值为8°和5°。

图3 测试工装

图4 测试工装侧面图

主惯导选用光纤捷联姿态测量系统，子惯导选用MEMS惯性组合导航系统，在测试工装上的实际效果如图5所示。

图5 主子惯导安装示意图

3.2 测试方法

如图5所示，将主惯导与子惯导安装在测试工装上，主惯导安装在水平平面上，并使其方位与子惯导基本一致，子惯导安装在其中一个倾斜平面上；

如图6所示，将安装有主子惯导的测试工装放置在三轴速率台上，并上电。

图6 三轴速率台

按表1对三轴速率台进行设置。

表1 三轴速率台参数设置

方位幅度方位频率俯仰幅度俯仰频率横滚幅度横滚频率8°5 Hz5°10 Hz8°10 Hz

采集主惯导与子惯导的输出，主惯导输出当前的姿态、速度和位置，子惯导输出当前的角速率信息和比力信息，将这些信息保存到文件中。

读取上述文件中的信息并在离线仿真程序中计算，保存计算结果。

3.3 结果分析

为验证安装误差角估计的正确性，依据上述测试方法，进行重复10次测试，计算结果如表2和表3所示。

表2 安装误差角测试结果(实际误差为5°)

X轴安装误差角/(°)Y轴安装误差角/(°)Z轴安装误差角/(°)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 安装误差角测试结果(实际误差为8°)

X轴安装误差角/(°)Y轴安装误差角/(°)Z轴安装误差角/(°)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

主子惯导间安装误差角为5°时，算法估计出的误差角度平均为4.254 4°，占总误差的85%，其标准差为0.078 7；主子惯导间安装误差角为8°时，算法估计出的误差角度平均为7.098 5°，占总误差的89%，其标准差为0.053 1。

4 结束语

为了在降低成本的同时保证动中通天线的指向性能，本文提出了一种基于传递对准的主子惯导安装误差角估计方法，半实物仿真结果表明，对安装误差角的估计能达到实际装误差的80%以上。动中通天线可以使用补偿过安装误差角的主惯导航姿信息，也可以使用补偿过系统误差的低成本子惯导信息，对于动中通天线而言，两者精度均得到了提升，是一种有效提升指向性能和天线可靠性的方法。