[发明专利]基于单轴加速度传感器的姿态测量系统及其姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及载体姿态测量技术，特别涉及一种基于单轴加速度传感器和三轴磁场传感器的姿态测量系统及其姿态测量方法，尤其适用于卫星静中通通信、快速部署的低速度运动（时速不超过20km）车载卫星动中通通信等领域。

背景技术

卫星通信由于覆盖范围广，信号质量稳定的特点，可以为地面固定、地面移动、航空和海事用户提供无缝隙的通信服务。按照我国2013年由工业和信息化部无线电管理局发布的《卫星固定业务通信网内设置使用移动平台地球站管理暂行办法》（以下简称《办法》）规定，“移动平台地球站是指使用卫星固定业务C频段或Ku频段，安装在机动车、列车、船舶、航空器等可移动平台上，可在移动中或在停止状态下与卫星进行无线电通信的地球站。移动平台地球站可分为车载、船载、机载、可搬移式或便携式地球站等类型”。《办法》还规定“移动平台地球站指向目标卫星天线主瓣轴的指向误差应小于0.2度。在工作中，一旦指向目标卫星的天线主瓣轴误差大于0.5度，应该在100毫秒内自动停止一切信号发射，直至误差恢复至小于0.2度时，方可继续发射信号。”

一个典型的移动平台地球站至少应包括：天线分系统、通信分系统、控制分系统、电源分系统。其中，控制分系统的功能主要在于实现终端姿态测量和天线指向保持，《办法》对控制分系统的控制精度提出了具体要求。对于移动平台地球站而言，一般需要配备捷联式的测姿系统、GNSS模块和卫星信标接收机。捷联式的测姿系统可以测量出移动平台地球站的俯仰角、横滚角和磁方位角，GNSS模块可以测得移动平台地球站的地理位置和海拔高度，结合通信卫星的空间位置，控制分系统可以计算出移动平台地球站通信天线在自身轴系上的方位轴角、俯仰轴角和极化轴角；卫星信标接收机可以接收通信卫星广播的信标信号，信标信号的电平值是通信天线精确对准卫星的重要参考，可以通过细调移动平台地球站的方位轴角和俯仰轴角来搜索最大的信标电平值。

随着科学技术的不断发展，加速度传感器和磁场传感器的配置方案较多的出现在低成本的固定平台地球站测姿系统中。目前常见的类似测姿模块至少配备两轴加速度传感器和三轴磁场传感器。通常的双轴加速度传感器采用X-Y型配置方案，即：X轴和载体前进方向重合，Y轴指向载体前进方向右侧，在确定载体姿态的整个过程中，要保证X-Y型加速度传感器处于静止状态，直接测量出载体的横滚角和俯仰角，然后通过三轴磁场传感器的测量数据，解算出磁航向角。在此类测姿模块工作的过程中，较小的前向加速度就会引起较大的仰角误差，例如：1m·s^-2的前向加速度将会导致约5.7°俯仰角误差，进而降低横滚角测量精度，最终大大影响磁航向角测量的精度。同时，两轴加速度传感器引入了两次测量噪声，会对倾角的测量精度带来一定的影响。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于单轴加速度传感器和三轴磁场传感器的姿态测量系统及其姿态测量方法，适用于固定平台和移动平台地球站。

经分析发现，地面载体发生加减速运动时加速度直接作用在载体前进轴上，不会影响与前进轴正交布置的Z轴向加速度传感器的测量。但由于地球自转的影响，运动载体还将受到哥氏加速度的作用。将哥氏加速度的计算加以适当简化，默认地球绕自转轴的转速恒定不变，则哥氏加速度的大小与载体运动速度呈线性关系，方向与载体速度、地轴构成的平面正交。

本发明提供的一种基于单轴加速度传感器的姿态测量系统，该系统包括：加速度传感器、三轴磁场传感器、GNSS模块和数据处理模块；其特征在于，

所述的加速度传感器为与前进轴正交布置的Z轴向单轴加速度传感器；用于测量重力加速度分量，得到地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系；

所述的三轴磁场传感器，用于测量载体坐标系下地磁场的三个分量阵列；

所述的GNSS模块，用于测量地理位置和海拔高度；

所述的数据处理模块，用于根据位置信息查表获取地磁场模、地磁倾角信息和地磁偏角信息，结合地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系以及载体坐标系下地磁场的三个分量阵列最终解算出航向角、俯仰角和横滚角。

所述三轴磁场传感器为磁通门传感器或磁阻传感器。

所述加速度传感器和三轴磁场传感器的位置满足以下方式：三轴磁场传感器的x轴和载体纵轴重合，且正方向和载体前进方向重合，y轴和载体横轴重合，且正方向指向载体前进方向的右侧；z轴和x、y构成右手坐标系；加速度传感器的z轴正方向和三轴磁场传感器的z轴正向平行。

所述数据处理模块为单片机、MCU或CPU。