袁丁 #
西北工业大学 #
动中通(宽带移动卫星通信系统)广泛应用于媒体应急通信、救灾抢险、消防、反恐与国防等领域,是所有移动通信中的保底通信。随着6G通信网络的规划与新一代高通量及低轨卫星的大量部署,面向多轨通信卫星的低成本、高可靠性动中通系统亟需实现技术突破,以满足迅速增长的推广应用需求。测控系统作为下一代动中通的关键技术,是动中通建立高质量通信链路的前提,也是提升系统可靠性与低成本化的关键突破口。论文针对新一代面向多轨通信卫星的低成本动中通测控系统进行了深入的研究,主要工作与研究成果包括: 1、研究了面向多轨通信卫星动中通系统的基本工作原理和主要组成。在分析动中通测控系统工作原理的基础之上,设计了低成本、高可靠性测控系统实现的总体思路:利用传感器数据融合算法,挖掘数据的潜能,来弥补低成本器件性能的不足和可靠性降低。根据测控系统的可靠性与精度挑战,采用数据融合的办法,对同源冗余信息以及非同源互补特性信息进行组合,分别解决动中通测控系统中“信息源”、“航姿估计”与“位置估计”的可靠性与精度问题,作用于面向多轨通信卫星的动中通,提升其整体性能与可靠性。 2、针对传统MEMS陀螺成本与性能之间的矛盾,提出了一种基于误差对消与自适应加权的阵列陀螺信号融合方法,在对温度敏感与加速度敏感零偏进行对消设计的基础之上,采用反馈加权的自适应融合技术,实时估计动态下的阵列陀螺中陀螺的误差方差,实现了动态下的阵列陀螺最优加权融合,在提升阵列陀螺静态零偏稳定性基础之上,进一步提升了阵列陀螺的温度稳定性,减小动态下外力对MEMS陀螺的影响,全面提升了陀螺的性能。最后通过实验验证了该方法的有效性,融合输出的角速度零偏不稳定性可达1°/h,解决了高性能、高可靠性动中通中“信息源”的问题。 3、结合混合式惯性导航系统,将动中通系统的惯性测量单元安装在处于惯性稳定的方位转台上,提出了一种基于混合式惯性/GNSS组合导航下的航姿估计算法。在研究混合式组合导航的工作原理基础之上,对航姿等状态的可观性进行了分析,得出了方位转台处于惯性稳定下方位可观性降低的特点;而后结合动中通对目标卫星信号扫描跟踪以得到方位误差的手段,对算法中的方位进行自适应的修正,构建了基于扩展卡尔曼滤波器的混合式惯性/GNSS组合导航下的航姿估计系统。最后,通过高速低动态以及复杂路况的路试实验,验证了该系统的有效性,实测航姿估计精度优于0.2°,可在GNSS有效的情况下满足动中通于各种动态下的航姿估计精度要求。 4、应对GNSS无效的情况,提出了一种基于多状态惯性约束下非线性优化的航姿估计算法。基于滑窗内非线性优化的状态估计办法可有效地减小非线性误差、系统模型误差的影响,有更好的鲁棒性;且为了避免优化过程中重积分,提出了一种考虑了地球自转等误差因素的高精度航姿增量预积分,将其作为优化中的航姿状态之间的惯性约束,与重力观测及扫描跟踪误差一起进行非线性优化;对滑窗内的状态通过流型上的加权最小二乘更新得到当前航姿的实时状态,用于动中通波束指向与稳定的实时控制。最后通过与高精度参考对比实验及动中通适配实验,验证了该算法的有效性,实测姿态估计精度优于0.5°,方位估计精度优于0.2°,可满足动中通在各种动态与环境下的精度与可靠性要求。 5、为了确保动中通在GNSS无效情况下进行跨区域机动时保持高质量通信链路,提出一种利用卫星下行的信标信号在载体运动时会产生与载体位置及速度相关的多普勒频率,用于修正由惯性导航产生的积累误差的组合定位算法。算法分别采用基于扩展卡尔曼滤波器的滤波式和基于图优化的非线性优化方式进行组合导航,以达到在GNSS中断的情况下进行应急定位的目的。最后通过动中通实测跑车实验验证了该方法的有效性,可以满足动中通在GNSS长时间中断情况下的可靠工作,解决了动中通对实时位置估计的精度与可靠性问题。 6、设计并实现了面向多轨通信卫星的动中通测控系统。该系统利用基于TLE轨道预测报的低轨卫星指向模型、低轨卫星运动时动中通在惯性空间波束对卫星实时角速度跟踪模型,以及动中通对低轨卫星的扫描跟踪模型,结合传统动中通天线波束的动态隔离方程、波束稳定与指向控制模型实现了对低轨卫星的指向、稳定与跟踪功能。最后通过实验验证了所设计的面向多轨通信卫星的动中通测控系统,可在动态下对低轨卫星进行准确、稳定的指向与跟踪,为动中通向下一代移动卫星通信平台的升级提供了理论与实践支撑。
- 专辑：信息科技
- 专题：电信技术
- DOI：10.27406/d.cnki.gxbgu.2021.000211
- 分类号：TN927.23