CN102520728B - 一种采用双天线gps实现可控翼伞精确定点回收的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用双天线GPS实现可控翼伞精确定点回收的方法，(1)利用双天线GPS接收机内置两个独立的GPS模块，分别获取两个天线的位置信息；主天线和从天线安装位于同一直线上，由主天线指向从天线，该直线指向与可控翼伞模型航向一致，两天线之间安装距离d固定且已知；(2)根据两个天线的位置信息，计算可控翼伞航向角β；(3)进行航向角测量的准确性校验：首先计算两个天线之间的实际距离d1，然后计算d1与d的差值d’，若d’＞s，则航向角测量失效，转步骤(4)；否则，利用航向角β控制翼伞归航；(4)当航向角测量失效，或可控翼伞转弯速率＞90°/s，或一个天线失效时，利用单天线的位置信息，计算翼伞的航迹向角数据，利用该航迹向角控制翼伞归航。

Description

一种采用双天线GPS实现可控翼伞精确定点回收的方法

技术领域

本发明属于航天返回与着陆技术领域，涉及一种应用双天线GPS实现航天器及其它物资乘可控翼伞精确定点回收的方法。

背景技术

返回式航天器返回过程的最终阶段是安全着陆，这也是这类航天器整个飞行任务的最终阶段。随着航天返回与着陆技术的迅速发展，对航天器回收与着陆的精度要求也越来越高，从而对降落伞系统提出了具有滑翔能力和可操作性的技术要求。八十年代中期，美国开始研制用于航天器回收的大型可控翼伞，取得了很好的理论和试验研究成果。翼伞技术进入航天器回收技术领域，使降落伞减速装置由传统的“无控下落”变成“可控滑翔下落至预定区域”，克服了传统降落伞随风飘、着陆点散布大的缺点。冲压翼伞的优异性能预示着它将在航天器回收领域有着广泛的应用前景。为了提高可控翼伞的着陆精度提出了许多方法，如采用地面信标机、磁方向传感器、罗盘、GPS等。其中后两种方法在工程实际中采用较多。地面信标机和磁方向传感器信号覆盖范围较小，且存在盲角，在实际应用中有较大的局限性。罗盘装置受地域的影响较大。传统单天线GPS只能获得翼伞的位置、高度和速度信息，无法获得翼伞的航向角信息，使得可控翼伞的控制精度无法提高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用双天线GPS实现可控翼伞精确定点回收的方法，可以解决实时获取可控翼伞的航向角，实现可控翼伞的精确控制问题。

本发明的技术解决方案是：一种采用双天线GPS实现可控翼伞精确定点回收的方法，步骤如下：

(1)利用双天线GPS接收机内置两个独立的GPS模块，分别获取两个天线B1、B2的位置信息；GPS接收机和双天线的安装方式：双天线中的主天线和从天线安装位于同一直线上，由主天线指向从天线，该直线指向与可控翼伞模型航向一致，两天线之间安装距离d固定且已知；

(2)根据两个天线的位置信息，计算可控翼伞航向角β，具体计算过程如下：假设B1点的经度为X₀₁，纬度为Y₀₁，B2点的经度为X₀₂，纬度为Y₀₂，则：

当β在第一象限时：

β＝arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

当β在第二象限时：

β＝2π+arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

当β在第三、四象限时：

β＝π+arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

其中，X₀₁、Y₀₁、X₀₂、Y₀₂、β的单位均为弧度；

(3)进行航向角测量的准确性校验：首先根据天线B1、B2的位置信息计算两个天线之间的实际距离d1，然后计算d1与d的差值d’，判断d’与预先设定的阈值s之间大小，若d’＞s，则航向角测量失效，转步骤(4)；若d’≤s，则利用步骤(2)计算的航向角β控制翼伞归航，方法结束；

(4)当航向角测量失效，或者可控翼伞转弯速率＞90°/s，或者步骤(1)中的一个天线失效时，利用单天线的位置信息，计算翼伞的航迹向角数据，利用该航迹向角控制翼伞归航。

所述的两天线之间安装距离d取值1m～2m。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)提高可控翼伞归航控制的精度。本发明利用双天线GPS作为翼伞的输入敏感器，不但可以获得翼伞的位置、高度、速度数据，同时可以获得翼伞准确的实时航向角数据，从而对翼伞飞行状态进行更加准确的控制。

(2)提高翼伞归航控制系统的鲁棒性和可靠性。应用本发明可以同时获得翼伞航向与航迹向信息，互为备份。当翼伞转弯速率＞90°/s航向信息失锁时，采用航迹向信息；当翼伞为静态航迹向信息无法获得时，可以采用航向信息；当两者同时有时，优先采用航向信息作为归航控制的依据。另外，由于双天线的GPS接收机内部集成了两个独立的GPS模块和两个天线，当其中一个模块或天线因为意外原因失效时，另外一个模块还是可以为翼伞提供基本导航所需的位置和航迹向信息，使翼伞的导航仍然可以完成。

附图说明

图1为本发明机载设备组成框图；

图2为本发明地面设备组成框图；

图3为本发明航向角和航迹向角的夹角示意图；

图4为本发明双天线GPS接收机和天线在可控翼伞上的安装方式；

图5为本发明航向角的定义示意图；

图6为本发明航迹向角的定义示意图。

具体实施方式

(1)可控翼伞归航控制系统由机载设备和地面设备两部分构成。其中机载部分包括归航控制器、GPS定位定向仪(含GPS接收双天线)、机载数传机(含机载数传天线)、左右电机驱动器、左右电机等。机载设备组成见图1。地面部分包括地面数传机(含数传天线)、地面控制计算机等。地面设备组成见图2。

在可控翼伞回收阶段，归航控制计算机根据GPS定位定向仪接收到的定位、姿态、速度、航向等信息，依据归航算法进行解算，向左右电机驱动器输出控制指令，再由驱动器驱动左右电机控制翼伞的左右操纵绳收紧或放松，使翼伞转向并逼近目标点。同时，归航控制计算机还将GPS接收到的定位信息通过数传机转发到地面，由地面计算机进行实时显示和储存。在人工遥控操纵控制方式时，地面的遥控控制指令通过数传机上传到归航控制计算机，对翼伞进行遥控归航控制。

(2)在可控翼伞归航的过程中，需要获取翼伞的位置、速度、高度、航向角等数据通过运算来确定翼伞左右电机的操纵量。传统方法采用单天线的GPS只能获得翼伞的经度、纬度和高度信息，无法获得翼伞的航向角信息，只能采用航迹向角信息代替航向角信息进行导航。航迹向角与翼伞的真实航向角有一定的误差θ，见图3。从而使得翼伞的导航输入数据无法准确。本发明利用特定的安装方式见图4：GPS两个天线的安装位于同一直线上，由主天线指向从天线，该直线指向与翼伞模型航向指向一致。主天线与从天线的安装距离为一固定数值d(根据经验，d取值1m～2m之间最合适。d的值小于1m则影响测量精度，d的值大于2m则会增加解算时间，影响翼伞响应速度)。GPS的面板朝向主天线方向。两个独立的天线和两个独立的内置GPS模块分别获得天线B1和B2的位置数据，见图5。通过两个天线位置数据的运算可以获得翼伞模型准确的航向角数据。

(3)航向角β的计算方法如下：假设B1点的经度为X₀₁，纬度为Y₀₁。B2点的经度为X₀₂，纬度为Y₀₂。则可控翼伞航向角β为：

当β在第一象限时：

β＝arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

当β在第二象限时：

β＝2π+arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

当β在第三、四象限时：

β＝π+arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

其中，X₀₁、Y₀₁、X₀₂、Y₀₂、β的单位均为弧度。

(4)经过准确性校验可以得知双天线GPS的安装是否正确及航向角β的测量结果是否正确。方法如下：

假设地球半径为r，则B2点和B1点之间的计算距离为d1：

$d1=r*\sqrt{{(X_{02}-X_{01})}^2{\left(\cos Y_{01}\right)}^2+{(Y_{02}-Y_{01})}^2};$

B2与B1点间的真实安装距离d和计算距离d1之间的差值为d’：

d’＝|d1-d|；

d’可应用于准确性校验，如果d’小于固定数值s(s的值可根据GPS的测量精度确定，经验值推荐取0.01m)，则说明航向角测量结果有效。如果d’大于固定数值s，则航向角测量结果无效。需要检查双天线GPS的安装是否正确及GPS的工作是否正常等故障并及时纠正。d、d1、d’、s的单位均为m。

故障原因检查主要检查以下四个方面：

a、两天线间的安装距离是否为d，是否存在误差；

b、两天线连线方向是否与模型航向一致，有无偏差；

c、是否航向指向为从主天线指向从天线，主从天线有没有装反；

d、GPS是否故障。

(5)当翼伞转弯半径大于90°/s，或双天线中有一个天线失效时，仍然可以采用单天线GPS获取的数据计算出航迹向角用于导航，这时导航系统准确性能虽然下降，但仍然能够工作。航迹向角α的计算方法如下：

在翼伞运动的情况下，可以通过在一定的时间段内取翼伞两点的位置信息进行运算，获得翼伞的航迹向角数据，见图6。假设T1时刻翼伞的位置在A1，A1点的经度为X₁，纬度为Y₁。T2时刻翼伞的位置在A2，A2点的经度为X₂，纬度为Y₂。则可控翼伞航迹向角α为：

当α在第一象限时：

α＝arctan[(X₂-X₁)(cosY₁)/(Y₂-Y₁)]；

当α在第二象限时：

α＝2π+arctan[(X₂-X₁)(cosY₁)/(Y₂-Y₁)]；

当α在第三、四象限时：

α＝π+arctan[(X₂-X₁)(cosY₁)/(Y₂-Y₁)]；

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种采用双天线GPS实现可控翼伞精确定点回收的方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用双天线GPS接收机内置两个独立的GPS模块，分别获取两个天线B1、B2的位置信息；GPS接收机和双天线的安装方式：双天线中的主天线和从天线安装位于同一直线上，由主天线指向从天线，该直线指向与可控翼伞模型航向一致，两天线之间安装距离为d；

(2)根据两个天线的位置信息，计算可控翼伞航向角β，具体计算过程如下：假设B1点的经度为X₀₁，纬度为Y₀₁，B2点的经度为X₀₂，纬度为Y₀₂，则：

当β在第一象限时：

β＝arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

当β在第二象限时：

β＝2π+arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

当β在第三、四象限时：

β＝π+arctan[(X₀₂-X₀₁)(cosY₀₁)/(Y₀₂-Y₀₁)]；

其中，X₀₁、Y₀₁、X₀₂、Y₀₂、β的单位均为弧度；

(3)进行航向角测量的准确性校验：根据天线B1、B2的位置信息计算两个天线之间的实际距离d1，然后计算d1与d的差值d’，判断d’与预先设定的阈值s之间大小，s为固定数值，根据GPS的测量精度确定，若d’＞s，则航向角测量失效，转步骤(4)；若d’≤s，则利用步骤(2)计算的航向角β控制翼伞归航，方法结束；计算过程如下：

假设地球半径为r，则B2点和B1点之间的计算距离为d1：

$d1=r^{{*}^{\sqrt{{(X_{02}-X_{01})}^2{\left(\cos Y_{01}\right)}^2+{(Y_{02}-Y_{01})}^2}}};$

安装距离d和计算距离d1之间的差值为d’：

d’＝|d1-d|；

d、d1、d’、s的单位均为m；

(4)当航向角测量失效，或者可控翼伞转弯速率＞90°/s，或者步骤(1)中的一个天线失效时，利用单天线的位置信息，计算翼伞的航迹向角数据，利用该航迹向角控制翼伞归航；所述的两天线之间安装距离d取值1m～2m。

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