組合導航的衛星通信論文范文
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1坐標系及姿態表示方法
姿態的表示有多種方法，如歐拉角法、方向余弦法、四元數法和羅德里格斯參數法等。四元數法只需要解四個微分方程，不涉及三角函數運算，計算量小，是姿態控制領域廣泛應用的姿態描述參數。由于四元數用四維向量來表示三維姿態角，因此，四元數四個元素間不是相互獨立的。此外，四元數必須滿足單位化限制1Tqq，存在加權均值計算和協方差奇異問題，會給姿態估計造成影響。
為降低系統實現的復雜程度，采用位置和速度的松組合模式，這種模式有兩個優點：（1）動中通姿態估計系統工程實現容易，組合導航算法的計算量小、實時性好；（2）GPS和INS兩個系統保持獨立工作，當其中某個系統出現故障時，系統可繼續保持工作，有效地保證了算法的連續性。選取慣性導航系統的基本方程和四元數隨時間的更新方程作為系統方程。系統的可觀性是考察卡爾曼濾波器性能的重要方法，對于一個完全可觀測的系統，狀態估計的效果取決于系統噪聲和測量噪聲；然而對于狀態不可觀測的系統，即使噪聲的影響很小甚至可以忽略時，仍然得不到狀態的精確估計。由組合導航姿態估計的速度誤差方程可知，橫滾角和俯仰角可以通過位置和速度信息間接可觀，而航向角的可觀性取決于載體的機動特性。因此，組合導航姿態估計航向角可觀性弱，姿態角估計精度低、易發散，僅使用組合導航算法無法獲得精確的姿態角估計值。單基線GPS在路況較好的情況下可以提供精確的航向信息[10]，因此，當單基線GPS有效時，可以利用單基線GPS航向角作為外部觀測量，改善航向角的可觀性，提高航向角的估計精度。
3算法實現
3.1開關自適應UKF組合姿態估計算法單基線GPS對空視環境提出了嚴格要求，當移動衛星地球站在行駛過程中GPS信號受到遮擋時，單基線無法輸出精確的航向角。若單基線GPS中的一個GPS天線可以輸出速率信息，此時，可以利用單天線GPS的航跡角進行輔助。在載體直線行駛時，單天線GPS測量得到的航跡角與載體的航向角一致，但是當載體轉彎時，側滑角會對航向角估計值產生干擾，使得航跡角與真實航向角之間產生偏差，此時，不可以使用單基線GPS的航跡角作為輔助手段。當檢測到載體轉彎時，可以通過陀螺積分短時間維持姿態角的有效輸出。綜上所述，根據GPS的使用特點和移動衛星地球站載體的行駛路況，設計自適應組合導航算法，判斷規則。當單基線GPS收星數目大于，即能夠提供航向信息時，算法通過單基線GPS航向角輔助進行姿態估計；當單基線GPS收星數目小于，即單基線GPS不能提供航向信息時，利用GPS航跡角輔助觀測；當單基線輸出信息全部無效時，利用陀螺的短時精度保持系統的有效輸出，系統的原理如圖2所示。
3.2參數切換UKF組合姿態估計算法擴展卡爾曼濾波（ExtendedKalmanFilter,EKF）是姿態估計領域應用最為廣泛、最為成熟的非線性濾波方法，但是其存在線性化誤差，且當線性化假設不成立或初始誤差較大時，濾波器性能會下降甚至發散。此外，EKF需要計算狀態方程的雅可比矩陣，計算復雜、不易實現。無跡卡爾曼濾波（UnscensedKalmanFilter,UKF）是一個以最優高斯近似的卡爾曼濾波器架構為基礎所發展的遞歸式最小均方根誤差估計器，估計精度高，無需計算雅克比矩陣、計算量適中，滿足動中通天線波束指向要求，因此選取UKF作為姿態估計算法。UKF濾波算法是基于UT變換的卡爾曼濾波算法，其基本思想是用一定數量的樣本通過UT去近似系統的真實分布，由被估計量的先驗均值和方差產生一批離散的與被估計量具有相同的概率統計的采樣點，其經過非線性變換后，生成后驗的均值和方差，基于參數切換的組合導航采用UKF算法步驟如下。
4實驗分析
為驗證算法的有效性，選取北京星網宇達科技開發公司的慣性測量單元XW-IMU5220和GPS定位定向模塊XW-ADU3601作為實驗平臺，同時將高精度姿態方位組合導航系統XW-ADU7612作為驗證算法的基準。XW-ADU3601由兩個GPS接收機和以嵌入式處理器為核心的計算機組成，既可以獨立使用也可以與其它的系統聯合使用，其給出的速度精度小于0.02m/s。慣性測量單元XW-IMU5220產品選用低成本高可靠性的微機械慣性器件，由三個微機械陀螺和三個微機械加速度計組成，可實現對載體角運動、線運動的實時測量，以100Hz的數據更新速率穩定的輸出加速度值和角速率值。選擇鄉村土石路進行實驗，移動衛星通信載體的姿態的動態變化范圍大，車輛行駛機動狀況復雜，存在載體的強機動加減速、轉彎等各種突發干擾因素，可以驗證算法的有效性。實驗載體及設備安裝如圖3所示。GPS收星數目如圖4所示，GPS定位定向模塊XW-ADU3601收星數目均在5顆以上。由實際跑車經驗得知：XW-ADU3601收星數目大于6時，可以輸出航向角；當收星數目大于4時，可以輸出GPS航跡角；當收星數目小于4時，無法利用GPS的測量信息。因此，可以充分利用單基線GPS定位定向模塊的輸出數據，通過組合導航算法得到姿態角的估計值。直接使用基于擴展卡爾曼濾波的組合導航算法的實驗結果如圖5、圖6和圖7所示。
作者：趙建偉賈維敏金偉田方浩熊雄單位：第二炮兵工程大學907教研室第二炮兵工程大學403教研室
