组合导航的卫星通信论文范文

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1坐标系及姿态表示方法

姿态的表示有多种方法，如欧拉角法、方向余弦法、四元数法和罗德里格斯参数法等。四元数法只需要解四个微分方程，不涉及三角函数运算，计算量小，是姿态控制领域广泛应用的姿态描述参数。由于四元数用四维向量来表示三维姿态角，因此，四元数四个元素间不是相互独立的。此外，四元数必须满足单位化限制1Tqq，存在加权均值计算和协方差奇异问题，会给姿态估计造成影响。

2组合导航姿态估计模型的建立

为降低系统实现的复杂程度，采用位置和速度的松组合模式，这种模式有两个优点：（1）动中通姿态估计系统工程实现容易，组合导航算法的计算量小、实时性好；（2）GPS和INS两个系统保持独立工作，当其中某个系统出现故障时，系统可继续保持工作，有效地保证了算法的连续性。选取惯性导航系统的基本方程和四元数随时间的更新方程作为系统方程。系统的可观性是考察卡尔曼滤波器性能的重要方法，对于一个完全可观测的系统，状态估计的效果取决于系统噪声和测量噪声；然而对于状态不可观测的系统，即使噪声的影响很小甚至可以忽略时，仍然得不到状态的精确估计。由组合导航姿态估计的速度误差方程可知，横滚角和俯仰角可以通过位置和速度信息间接可观，而航向角的可观性取决于载体的机动特性。因此，组合导航姿态估计航向角可观性弱，姿态角估计精度低、易发散，仅使用组合导航算法无法获得精确的姿态角估计值。单基线GPS在路况较好的情况下可以提供精确的航向信息[10]，因此，当单基线GPS有效时，可以利用单基线GPS航向角作为外部观测量，改善航向角的可观性，提高航向角的估计精度。

3算法实现

3.1开关自适应UKF组合姿态估计算法单基线GPS对空视环境提出了严格要求，当移动卫星地球站在行驶过程中GPS信号受到遮挡时，单基线无法输出精确的航向角。若单基线GPS中的一个GPS天线可以输出速率信息，此时，可以利用单天线GPS的航迹角进行辅助。在载体直线行驶时，单天线GPS测量得到的航迹角与载体的航向角一致，但是当载体转弯时，侧滑角会对航向角估计值产生干扰，使得航迹角与真实航向角之间产生偏差，此时，不可以使用单基线GPS的航迹角作为辅助手段。当检测到载体转弯时，可以通过陀螺积分短时间维持姿态角的有效输出。综上所述，根据GPS的使用特点和移动卫星地球站载体的行驶路况，设计自适应组合导航算法，判断规则。当单基线GPS收星数目大于，即能够提供航向信息时，算法通过单基线GPS航向角辅助进行姿态估计；当单基线GPS收星数目小于，即单基线GPS不能提供航向信息时，利用GPS航迹角辅助观测；当单基线输出信息全部无效时，利用陀螺的短时精度保持系统的有效输出，系统的原理如图2所示。

3.2参数切换UKF组合姿态估计算法扩展卡尔曼滤波（ExtendedKalmanFilter,EKF）是姿态估计领域应用最为广泛、最为成熟的非线性滤波方法，但是其存在线性化误差，且当线性化假设不成立或初始误差较大时，滤波器性能会下降甚至发散。此外，EKF需要计算状态方程的雅可比矩阵，计算复杂、不易实现。无迹卡尔曼滤波（UnscensedKalmanFilter,UKF）是一个以最优高斯近似的卡尔曼滤波器架构为基础所发展的递归式最小均方根误差估计器，估计精度高，无需计算雅克比矩阵、计算量适中，满足动中通天线波束指向要求，因此选取UKF作为姿态估计算法。UKF滤波算法是基于UT变换的卡尔曼滤波算法，其基本思想是用一定数量的样本通过UT去近似系统的真实分布，由被估计量的先验均值和方差产生一批离散的与被估计量具有相同的概率统计的采样点，其经过非线性变换后，生成后验的均值和方差，基于参数切换的组合导航采用UKF算法步骤如下。

4实验分析

为验证算法的有效性，选取北京星网宇达科技开发公司的惯性测量单元XW-IMU5220和GPS定位定向模块XW-ADU3601作为实验平台，同时将高精度姿态方位组合导航系统XW-ADU7612作为验证算法的基准。XW-ADU3601由两个GPS接收机和以嵌入式处理器为核心的计算机组成，既可以独立使用也可以与其它的系统联合使用，其给出的速度精度小于0.02m/s。惯性测量单元XW-IMU5220产品选用低成本高可靠性的微机械惯性器件，由三个微机械陀螺和三个微机械加速度计组成，可实现对载体角运动、线运动的实时测量，以100Hz的数据更新速率稳定的输出加速度值和角速率值。选择乡村土石路进行实验，移动卫星通信载体的姿态的动态变化范围大，车辆行驶机动状况复杂，存在载体的强机动加减速、转弯等各种突发干扰因素，可以验证算法的有效性。实验载体及设备安装如图3所示。GPS收星数目如图4所示，GPS定位定向模块XW-ADU3601收星数目均在5颗以上。由实际跑车经验得知：XW-ADU3601收星数目大于6时，可以输出航向角；当收星数目大于4时，可以输出GPS航迹角；当收星数目小于4时，无法利用GPS的测量信息。因此，可以充分利用单基线GPS定位定向模块的输出数据，通过组合导航算法得到姿态角的估计值。直接使用基于扩展卡尔曼滤波的组合导航算法的实验结果如图5、图6和图7所示。

作者：赵建伟贾维敏金伟田方浩熊雄单位：第二炮兵工程大学907教研室第二炮兵工程大学403教研室