基于数字罗盘/GPS的定向控制姿态解算算法

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【摘 要】本文提出了一种基于数字罗盘/gps的移动载体卫星天线定向控制系统的姿态解算算法，利用数字罗盘敏感出载体的航向角、俯仰角和横滚角等姿态信息，利用GPS信号测得载体的经度和纬度等方位信息，将地理坐标系中的天线方位角和仰角转换到载体坐标系中的方位角和仰角，保证平台控制器自动调整三轴姿态角，始终指向目标同步卫星。实验和工程实践表明，该算法能够保证移动载体天线平台具有稳定的定向控制能力。

【关键词】卫星通讯 数字罗盘/GPS组合 姿态解算 定向控制

一、引言

移动载体卫星通讯可应用于海上气象卫星云图接收，野外作业车、卫星电视、卫星上网、视频电话以及军事部队“动中通” 等非常广泛的领域[1]。卫星天线定向技术是实现移动载体卫星通讯的关键技术。LOS平台定向稳定算法对传感器参数漂移影响定向稳定进行了补偿，该算法在一定程度上降低了系统定向误差，提高了系统定向精度。利用现有的姿态和航向传感器直接提供载体姿态信息，利用GPS信号测得载体的方位信息，令姿态解算算法得以简化，增强系统鲁棒性，降低了定向伺服系统迟滞时间。

二、定向控制姿态解算算法原理

（一）坐标系选择

在算法的设计中，需要用到两种坐标系：地理坐标系和载体坐标系。

1.地理坐标系――

地理直角坐标系的原点o选在载体（汽车、舰船等）重心处，OZt轴与通过o点的重垂线相重合，即OZt轴垂直于该点的大地水平面，向上为正。XtOYt平面与原点的大地水平面相重合，OXt指向正北，OYt指向正东。通常称为北东天坐标系。

2.载体坐标系――OXbYbZb

载体坐标系OXbYbZb的原点是载体重心o，横轴OXb沿载体首尾方向指向头部，纵轴OYb指向载体右侧，OZb垂直于载体平面，OXbYbZb坐标系构成左手直角坐标系。当载体没有纵摇和横滚运动时，XbOYb平面即为水平面，OZb轴沿铅垂线指向天顶。当载体出现纵摇和横滚运动时，载体坐标系OXbYbZb随着载体发生纵摇和横滚。

（二）姿态解算

设在地理坐标系 ―和载体坐标系―下，由数字罗盘测得的三姿态分别为：H（方位），P（俯仰），R（横滚）。假定开始时载体坐标系和地理坐标系重合，由于载体运动，载体姿态发生变化，因其两坐标原点始终不变（载体重心），相当于载体坐标系绕原点经过方位，俯仰和横滚进行三次旋转。则由H 、P 、R 求出转换矩阵（姿态矩阵） 如下：

根据以上式子，求得载体坐标系下天线的方位角和俯仰角如下：

三、仿真分析及实验

采用此算法，在Simulink环境下对系统全数字仿真。仿真条件为，以亚太2号同步卫星为定向控制目标点，可知载体的姿态扰动为：转动平台的3轴带宽分别为3.3Hz、3Hz和3Hz，仿真时间为200s。数字罗盘的角度精度为±0.02°；随动平台的角速度测量精度为±0.3°；载体的姿态角测量精度为±0.5°。取80s到120s，仿真得到天线3轴姿态角误差为±0.2°，满足设计要求。

四、结束语

结果表明，采用该算法的系统具有较好的跟踪定向能力。另一方面，由于数字罗盘易受到铁磁性物体干扰以及其本身响应频率较低的缺点，导致实际环境下的姿态角误差比仿真环境下大，系统在非理想环境下（周围磁场干扰、载体震动频率等）如何进行误差补偿仍值得进一步研究。

参考文献：

[1] 万晖.自抗扰控制器的稳定性分析及应用[D].北京：中国科学院系统科学研究所博士论文， 2001： 41-50.

[2] 孙小松，杨涤，耿云海，杨旭.中继卫星天线指向控制策略研究[J].航空学报，2004， 25（4）： 376-380.

[3] 陈哲. 捷联惯导系统原理[M].北京：宇航出版社， 2001.

[4] 周瑞青，吕善伟，刘新华.捷联式天线平台的稳定性研究[J].北京：航空航天大学学报，2003，29（6）：509-511.