基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其姿態(tài)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及載體姿態(tài)測量技術(shù)，特別涉及一種基于單軸加速度傳感器和三軸磁場 傳感器的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其姿態(tài)測量方法，尤其適用于衛(wèi)星靜中通通信、快速部署的低速 度運動（時速不超過20km)車載衛(wèi)星動中通通信等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信由于覆蓋范圍廣，信號質(zhì)量穩(wěn)定的特點，可以為地面固定、地面移動、航 空和海事用戶提供無縫隙的通信服務(wù)。按照我國2013年由工業(yè)和信息化部無線電管理局 發(fā)布的《衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信網(wǎng)內(nèi)設(shè)置使用移動平臺地球站管理暫行辦法》（以下簡稱《辦 法》)規(guī)定，"移動平臺地球站是指使用衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)C頻段或Ku頻段，安裝在機動車、列車、 船舶、航空器等可移動平臺上，可在移動中或在停止狀態(tài)下與衛(wèi)星進行無線電通信的地球 站。移動平臺地球站可分為車載、船載、機載、可搬移式或便攜式地球站等類型"。《辦法》還 規(guī)定"移動平臺地球站指向目標衛(wèi)星天線主瓣軸的指向誤差應(yīng)小于0.2度。在工作中，一旦 指向目標衛(wèi)星的天線主瓣軸誤差大于〇. 5度，應(yīng)該在100毫秒內(nèi)自動停止一切信號發(fā)射，直 至誤差恢復(fù)至小于〇. 2度時，方可繼續(xù)發(fā)射信號。"
[0003] 一個典型的移動平臺地球站至少應(yīng)包括：天線分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、 電源分系統(tǒng)。其中，控制分系統(tǒng)的功能主要在于實現(xiàn)終端姿態(tài)測量和天線指向保持，《辦法》 對控制分系統(tǒng)的控制精度提出了具體要求。對于移動平臺地球站而言，一般需要配備捷聯(lián) 式的測姿系統(tǒng)、GNSS模塊和衛(wèi)星信標接收機。捷聯(lián)式的測姿系統(tǒng)可以測量出移動平臺地球 站的俯仰角、橫滾角和磁方位角，GNSS模塊可以測得移動平臺地球站的地理位置和海拔高 度，結(jié)合通信衛(wèi)星的空間位置，控制分系統(tǒng)可以計算出移動平臺地球站通信天線在自身軸 系上的方位軸角、俯仰軸角和極化軸角；衛(wèi)星信標接收機可以接收通信衛(wèi)星廣播的信標信 號，信標信號的電平值是通信天線精確對準衛(wèi)星的重要參考，可以通過細調(diào)移動平臺地球 站的方位軸角和俯仰軸角來搜索最大的信標電平值。
[0004] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，加速度傳感器和磁場傳感器的配置方案較多的出現(xiàn)在 低成本的固定平臺地球站測姿系統(tǒng)中。目前常見的類似測姿模塊至少配備兩軸加速度傳感 器和三軸磁場傳感器。通常的雙軸加速度傳感器采用X-Y型配置方案，即：X軸和載體前進 方向重合，Y軸指向載體前進方向右側(cè)，在確定載體姿態(tài)的整個過程中，要保證X-Y型加速 度傳感器處于靜止狀態(tài)，直接測量出載體的橫滾角和俯仰角，然后通過三軸磁場傳感器的 測量數(shù)據(jù)，解算出磁航向角。在此類測姿模塊工作的過程中，較小的前向加速度就會引起較 大的仰角誤差，例如：1m ? f的前向加速度將會導(dǎo)致約5. 7°俯仰角誤差，進而降低橫滾角 測量精度，最終大大影響磁航向角測量的精度。同時，兩軸加速度傳感器引入了兩次測量噪 聲，會對傾角的測量精度帶來一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，提供一種基于單軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器的姿態(tài)測量 系統(tǒng)及其姿態(tài)測量方法，適用于固定平臺和移動平臺地球站。
[0006]經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，地面載體發(fā)生加減速運動時加速度直接作用在載體前進軸上，不會 影響與前進軸正交布置的Z軸向加速度傳感器的測量。但由于地球自轉(zhuǎn)的影響，運動載體 還將受到哥氏加速度的作用。將哥氏加速度的計算加以適當簡化，默認地球繞自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 速恒定不變，則哥氏加速度的大小與載體運動速度呈線性關(guān)系，方向與載體速度、地軸構(gòu)成 的平面正交。
[0007] 本發(fā)明提供的一種基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：加速度 傳感器、三軸磁場傳感器、GNSS模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；其特征在于，
[0008] 所述的加速度傳感器為與前進軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器；用于測量 重力加速度分量，得到地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系；
[0009] 所述的三軸磁場傳感器，用于測量載體坐標系下地磁場的三個分量陣列；
[0010] 所述的GNSS模塊，用于測量地理位置和海拔高度；
[0011] 所述的數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)位置信息查表獲取地磁場模、地磁傾角信息和地 磁偏角信息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標系下地磁場的三個 分量陣列最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。
[0012] 所述三軸磁場傳感器為磁通門傳感器或磁阻傳感器。
[0013] 所述加速度傳感器和三軸磁場傳感器的位置滿足以下方式：三軸磁場傳感器的X 軸和載體縱軸重合，且正方向和載體前進方向重合，y軸和載體橫軸重合，且正方向指向載 體前進方向的右側(cè)；z軸和x、y構(gòu)成右手坐標系；加速度傳感器的z軸正方向和三軸磁場傳 感器的z軸正向平行。
[0014] 所述數(shù)據(jù)處理模塊為單片機、MCU或CPU。
[0015] 本申請利用和地面載體方位旋轉(zhuǎn)軸平行的單軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器 組成測量傳感器，其中，單軸加速度傳感器測量重力加速度分量，可以得到地面載體的橫滾 角和俯仰角的三角關(guān)系，但不能唯一的確定載體橫滾角和俯仰角；三軸磁場傳感器測量地 磁場在體坐標系下的三個分量，可以列出三個和載體姿態(tài)角相關(guān)的方程，考慮到方程的相 關(guān)性，不能獨立解算出載體磁航向角、橫滾角和俯仰角。因此，為了達到解算載體姿態(tài)角的 目的，本發(fā)明提出一種利用單軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器的姿態(tài)測量新方法，該方 法能夠在載體靜止或低速移動狀態(tài)下實現(xiàn)載體姿態(tài)角的準確解算。
[0016] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于單軸加速度傳感器的姿態(tài)測量方法，該方法 中所述的加速度傳感器為與前進軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感器；所述的方法具體 包括以下步驟：
[0017] 步驟1)單軸加速度傳感器測量重力加速度在載體坐標系Z軸向上的分量，得到地 面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系；
[0018] 步驟2)磁場傳感器的三軸正交工作，測試載體坐標系上的地磁場三分量陣列；
[0019] 步驟3) GNSS模塊用來提供載體的地理位置信息和高程信息；
[0020] 步驟4)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)位置信息查表獲取地磁場模、地磁傾角信息和地磁偏角 信息，結(jié)合地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標系下地磁場的三個分量陣 列最終解算出航向角、俯仰角和橫滾角。
[0021] 所述步驟1)的加速度傳感器輸出的測量信號為數(shù)字信號或模擬信號，該模擬信號 通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0022] 所述步驟1)的Z向加速度傳感器的輸出值是由重力加速度'、載體運動引起的離 心加速度a、科式加速度a。的投影分量組成；
[0023] A)對于靜止于地球表面的載體，a和a。兩項恒為〇;
[0024] B)載體存在運動時，其中,美"由地心引力引