CN103728647A - 一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法，属于卫星导航接收机技术领域。针对炮弹及火箭弹平台旋转弹体的旋转速度和滚转角姿态实时精确测量问题，本发明对卫星视线角进行估计，通过卫星接收机基带信号进行处理，实时提取出载波调制信号并进行特性分析；同时，精确估计出弹体的天线中心过零时刻，并外推每一时刻的弹体滚转角，并利用卫星星历解算的信息对滚转角量测结果进行修正；最后，基于多星量测信息融合提升滚转角测量的精度和可靠性。本发明解算的弹体旋转速度及滚转角，适于二维弹道精确修正。

Description

一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法

技术领域

本发明属于卫星导航接收机技术领域，涉及一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法，能够利用弹载卫星接收机的信号特性解算出高速旋转弹体的旋转方向、速度及滚转角，适于二维弹道精确修正。

背景技术

旋转弹的弹体滚转角测量技术是实现二维弹道精确修正的核心技术。由于旋转弹发射过程的高旋转、高过载、高动态、小型化等严苛条件，使得常用的陀螺仪、加速度计等姿态测量传感器在抗过载、量程、精度等方面很难满足工程实际要求。地磁传感器利用地球磁场在不同经纬度的场强特性，具有低成本、抗冲击强的优点，目前多用于测量弹体滚转角；但是，地磁传感器对地球磁场方向、弹体设计电磁兼容要求较高，依赖于不同区域的地磁场模型，精度较低，且易受磁铁矿区干扰，使其应用受限。

卫星导航具有高精度、低成本、用户端设备简单等优点，已广泛应用于航空、航天、航海等各个领域。卫星接收机能够为导弹提供弹道测量数据（空间位置和速度），实现二维弹道精确修正。但是，对于炮弹或火箭弹平台，由于弹体旋转，在弹体滚转角未知的情况下，无法精确控制弹体，难于实现二维弹道修正。如果利用卫星接收机能够精确测量出弹体旋转的速度和滚转角，就可以仅仅利用卫星接收机实现炮弹或火箭弹的二维弹道精确修正。本发明专利正是基于旋转弹体卫星接收机信号的载波旋转调制特性，提出一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法。

在现有卫星接收机的基础上，增加旋转速度和滚转角姿态测量模块（固件或软件），使得卫星接收机同时具备弹道测量和滚转角测量功能。本发明专利公开的基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法适用于北斗定位系统（BD）、全球卫星定位系统（GPS）、格洛纳斯定位系统（GLONASS）、伽利略定位系统（Galileo）等卫星接收机的所有频点。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法，旨在解决弹体高速旋转情况下的旋转速度和滚转角的精确测量，为二维弹道修正提供转速和滚转角姿态信息。

技术方案

一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、卫星载波调制信号跟踪：根据常规的星座选择方法选定四颗卫星，利用码相关方法对四颗卫星载波调制信号进行捕获，再利用滑动观测窗口的方法对信号进行平滑滤波和曲线拟合，得到载波旋转调制信号的解析式；计算解析式的局部极值点，极值点对应的时刻为天线方向图主瓣对准卫星的时刻，并锁定当前卫星载波调制信号，实现对卫星载波调制信号的跟踪；

步骤2、视线角估计及投影变换：计算锁定的卫星载波调制信号视线角，采用下述公式将视线角投影变换到弹体坐标系，得到与每颗卫星的视线角在弹体横切面的投影：

${\mathrm{\&gamma;}}_i=\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-{\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\left|\sin \mathrm{\&alpha;}\right|},0\&le;\mathrm{\&alpha;}<\mathrm{\&pi;}\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}+{\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\left|\sin \mathrm{\&alpha;}\right|},\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

其中：i卫星个数，i＝1,2,3,4；卫星S的视线角为α、β，方位角为α，俯仰角为β；

步骤3、天线中心过零时刻估计：

在弹体坐标系下计算出旋转弹的弹体天线中心过零时刻：

在顺时针旋转情况的弹体天线中心过零时刻：

在逆时针旋转情况的弹体天线中心过零时刻：

其中：

为弹体平均旋转速率；

步骤4、弹体滚转角估计与修正：

旋转弹的弹体滚转角为γ_nn∈N⁺，则

在顺时针旋转情况的 ${\mathrm{\&gamma;}}_n=\stackrel{\&OverBar;}{w}\&CenterDot;\mathrm{mod}(n-t_0,1/\stackrel{\&OverBar;}{w});$

在逆时针旋转情况的 ${\mathrm{\&gamma;}}_n=360-\stackrel{\&OverBar;}{w}\&CenterDot;\mathrm{mod}(n-t_0,1/\stackrel{\&OverBar;}{w});$

卫星S_i的视线角在弹体横截面上的投影角度为γ_i，当弹体天线方向图主瓣对准卫星S_i接收的信号幅度最大时，令γ_n＝γ_i，

下一时刻弹体滚转角外推计算将以校正后的γ_n为基准，从而消除外推计算的累积误差；

当弹体天线方向图主瓣对准卫星S_k接收的信号幅度最大时，修正旋转弹的弹体滚转角γ_n＝γ_i；

步骤5、对4颗卫星的量测信息进行融合，得到滚转角最终融合结果：

${\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_n=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0^i}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_0^i}\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_i).$

有益效果

本发明提出的一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法，通过卫星接收机基带信号进行处理，实时提取出载波调制信号并进行特性分析；同时，精确估计出弹体的天线中心过零时刻，并外推每一时刻的弹体滚转角，并利用卫星星历解算的信息对滚转角量测结果进行修正；最后，基于多星量测信息融合提升滚转角测量的精度和可靠性。本发明专利解算的弹体旋转速度及滚转角，适于二维弹道精确修正。

本发明提出的基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量算法，能够实时精确测量出旋转弹体的转速和滚转角，满足实际工程中二维弹道修正对滚转角测量的精确性和稳定性要求。

附图说明

图1滚转角测量系统流程图

图2卫星载波调制信号跟踪流程图

图3视线角估计及投影变换原理图

图4天线过零时刻估计示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例中基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法包括如下步骤。

第一步，卫星载波调制信号跟踪。

为了分析卫星载波信号调制特性，必须对卫星载波调制信号进行跟踪。卫星接收机接收的载波信号由于弹体旋转被调制成正弦波，当天线方向图主瓣对准卫星时接收信号幅度最大，随着天线主瓣偏离卫星方向，其幅度逐渐变小，如此周期循环。该卫星载波调制信号的包络反映了旋转弹的弹体运动状态，包括转速和滚转角。利用码相关方法对信号进行捕获，继而利用滑动观测窗口的方法对信号进行平滑滤波、曲线拟合，构建出载波旋转调制信号的解析式；在计算局部极值的基础上，提取天线方向图主瓣对准卫星的时刻并将信号锁定，从而实现对卫星载波调制信号的跟踪。

第二步，视线角估计及投影变换。

在实现卫星载波调制信号跟踪的基础上，为了计算弹体天线正对卫星时刻的滚转角，需要对视线角进行估计及投影变换。利用弹体坐标（经度、纬度和高度）信息，结合当前时刻的卫星星历，通过相关坐标系变换（东北天坐标系到地心地固坐标系等）和时间基准变换（UTC时间到星历周期），可以估计出当前时刻每一颗可见卫星的视线角向量，基于该视线角向量，将其投影到弹体横截面，由此解算出每一颗卫星相对于弹体的“滚转角”位置，亦即弹体天线方向图主瓣对准某颗卫星时（信号幅度最大时）的弹体“滚转角”位置，这里所述的“滚转角”是相对各个卫星的值，已经将其换算到东北天坐标系。

第三步，天线中心过零时刻估计。

完成卫星载波调制信号跟踪和视线角估计及投影变换后，具备了解决天线中心过零时刻估计问题的条件。通过卫星载波调制信号跟踪捕获每一颗可见卫星信号，计算出旋转弹的弹体旋转速度和相对滚转角参数，利用视线角估计及投影变换的得到每一颗卫星相对于弹体的“滚转角”位置，虽然通过各个卫星解算出来的旋转速度一致，然而，由于各个卫星的空间位置不同，解算出来的相对滚转角参数互不相同；必须给出统一的天线中心滚转角零度基准时刻，即过零时刻，解算出来的滚转角才有价值。因此，将各个卫星对应的弹体滚转角相对值变换到统一的东北天坐标系，即各个卫星对应同一组弹体滚转角数据，天向为滚转角零度位置，并规定，天线中心过零时刻是弹体天线方向图主瓣对准某颗卫星（信号幅度最大）的时刻与弹体天线中心回到天向（东北天坐标系）耗时的加权平均值。

第四步，弹体滚转角估计与修正。

上述步骤计算出来的滚转角由于弹体旋转的不均匀性，不断地累积误差。卫星星历可以精确计算出每一颗卫星在每一个时刻的星空位置，本专利利用此信息对滚转角累积误差进行修正。如前所述，通过对卫星载波调制信号的跟踪，计算出弹体旋转的速度，结合天线中心过零时刻估计值，外推弹体每一时刻的滚转角。当天线方向图主瓣对准卫星时，滚转角与当前卫星的视线角在弹体横截面的投影角一致，此时，可以利用该投影角修正外推计算出来的弹体滚转角参数，而且该修正方式在每一个周期内进行；这样，每一颗卫星的投影角均可以用来修正弹体滚转角，参与计算的卫星数目越多，修正的次数也就越多，弹体滚转角估计也就越精确。

第五步，多星量测信息融合。

参与计算的卫星在空间分布上同样具有不均匀性，相邻位置很近的卫星会给滚转角解算带来测角抖动，即角度测量值在一定范围内反复出现。为了解决这个问题，在合理选择卫星的条件下，利用多星量测信息融合来提高测角的稳定性。每一颗卫星的投影角均可以用来修正弹体滚转角，由于每一颗卫星的仰角和方位角不同，给滚转角计算带来的误差也不一样，以每一颗卫星相对于弹体横截面的仰角和方位角为参数，对每一颗卫星计算的弹体滚转角进行自适应加权，从而实现多星量测数据的信息融合，提高弹体滚转角测量的稳定性。

本发明的具体实施例如图1所示的滚转角测量系统流程图，各部分具体实施细节如下。

1卫星载波调制信号跟踪

卫星载波调制信号跟踪包括信号捕获、平滑滤波、曲线拟合、极值计算和信号锁定等五个部分，如图2所示，具体内容描述如下。

1.1信号捕获

利用码相关方法，结合当前卫星星历，并考虑多普勒频移，从射频前端输出的卫星中频数据中捕获每一刻卫星信号，得到每一颗卫星的载波调制信号I_n和Q_n。由于信号受弹体旋转调制，载波信号的幅值呈周期性变化，与弹体旋转频率以及弹体孔径密切相关。

1.2平滑滤波

信号捕获实现后，利用滑动观测窗口的方法，对窗口内载波旋转调制信号进行均值计算，将其作为下一时刻的数据，即基于观测窗口内的短时历史信息对当前信息进行平滑处理，滤除低频随机噪声，为曲线拟合做准备。窗口尺寸可根据滚转角计算的实时性要求适当选取，并作为延迟时间，在滚转角估计中进行时间延迟补偿。

1.3曲线拟合

平滑滤波实现后，对载波旋转调制信号再进行曲线拟合，计算出载波旋转调制信号的频率和相位，由此构建载波旋转调制信号的解析式，作为当前时刻t_k的信号表达式，并以此为依据，外推下一时刻t_k+1的信号表达式。由于弹体旋转飞行过程中转速受到多种因素影响，如风速等，属于变加速/变减速过程，甚至可能改变旋转方向，因此，曲线拟合需要在每一个滑动观测窗口实时、连续进行。

1.4极值计算

曲线拟合实现后，对于每一颗卫星的载波信号I_n和Q_n（1kHz），计算其局部极值点，并提取出天线方向图主瓣对准卫星的时刻。通过极值点序列计算出弹体旋转速度，结合下文计算的过零时刻，可外推弹体每一时刻的滚转角，即相位。

1.5信号锁定

在计算弹体旋转速度的基础上，结合曲线拟合得到信号的近似解析式，可以得到来自每一颗卫星的载波调制信号的频率和相位，即信号锁定，并且可以基于当前时刻的信号表达式外推出下一时刻的信号表达式。上述步骤实现过程中，信号的频率和相位被记录并保持，但是，信号锁定是暂时的，一旦上述步骤计算的信号频率和相位改变，新的参数将被记录并保持。

卫星载波调制信号跟踪实现后，为了计算弹体天线正对卫星时刻的滚转角，需要对视线角进行估计及投影变换。

2视线角估计及投影变换

假设某一时刻，卫星S相对地心O的距离为r，弹体天线正对该卫星S，其滚转角为γ，如图3所示，则惯性坐标系oxyz中，卫星S的视线角为α、β（方位角为α，俯仰角为β）。卫星S在oxy平面的投影为S_oxy，在oyz平面的投影为S_oyz，在ox负半轴上的投影为S_ox，在oy正半轴上的投影为S_oy。进一步假设SS_oxy＝h，OS＝r，OS_oxy＝l₁，OS_oy＝l₀。上述变量存在如下几何关系：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\&beta;}=\frac{h}{r}\&DoubleRightArrow;h=r\sin \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}=\frac{l_0}{l_1}\&DoubleRightArrow;l_0=l_1\sin \mathrm{\&alpha;}\\ \cos \mathrm{\&beta;}=\frac{l_1}{r}\&DoubleRightArrow;l_1=r\cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right.$

整理后，可得

$\tan \mathrm{\&gamma;}=\frac{h}{l_0}=\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\sin \mathrm{\&alpha;}}$

即

$\mathrm{\&gamma;}={\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\sin \mathrm{\&alpha;}}$

对于α∈[0 2π]， $\mathrm{\&beta;}\&Element;\left[\begin{array}{cc}0& \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\end{array}\right]$ 情况，更一般的，有如下结论

${\mathrm{\&gamma;}}_i=\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-{\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\left|\sin \mathrm{\&alpha;}\right|},(0\&le;\mathrm{\&alpha;}<\mathrm{\&pi;})\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}+{\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\left|\sin \mathrm{\&alpha;}\right|},(\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;2\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.$

其中i取1,2,3,4,。

利用上式可将视线角投影到弹体横切面，其投影值与弹体天线正对卫星S时的滚转角γ。

3天线中心过零时刻估计

天线方向图主瓣对准卫星的时刻并不对应着弹体滚转角的零度位置，必须对天线中心过零时刻进行估计，解算出来的滚转角才能用于东北天坐标系。

卫星定位至少需要四颗卫星，这里，根据常规选星规则选取四颗最佳卫星，在图4中，假设这四颗卫星以此命名为SV₁,SV₂,SV₃,SV₄，每颗卫星的视线角在弹体横切面的投影分别为γ₁,γ₂,γ₃,γ₄，弹体天线朝向每颗卫星的时刻记为t_i(i＝1,2,3,4)，进一步假设弹体平均旋转速率为

，若弹体天线过零时刻估计记为t₀，则

顺时针旋转情况

逆时针旋转情况 $t_0=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}(t_i+\frac{360-{\mathrm{\&gamma;}}_i}{\stackrel{\&OverBar;}{w}})$

卫星数目越多，弹体天线过零时刻t₀的估计误差也将越小。当得到精确的t₀数值，再根据弹体旋转方向，即顺时针或逆时针，依据转速外推每一个旋转周期弹体每一时刻的滚转角度。

4弹体滚转角估计与修正

弹体滚转角估计与修正可以解决由于弹体旋转的不均匀性带来的滚转角误差累积问题。假设旋转弹的弹体滚转角为γ_n（n∈N⁺），则

顺时针旋转情况 ${\mathrm{\&gamma;}}_n=\stackrel{\&OverBar;}{w}\&CenterDot;\mathrm{mod}(n-t_0,1/\stackrel{\&OverBar;}{w})$

逆时针旋转情况 ${\mathrm{\&gamma;}}_n=360-\stackrel{\&OverBar;}{w}\&CenterDot;\mathrm{mod}(n-t_0,1/\stackrel{\&OverBar;}{w})$

卫星S_i的视线角在弹体横截面上的投影角度为γ_i（i＝1,2,3,4），当弹体天线方向图主瓣对准卫星S_i接收的信号幅度最大时，令

γ_n＝γ_i

下一时刻弹体滚转角外推计算将以校正后的γ_n为基准，从而消除外推计算的累积误差，提高滚转角解散的精度，而且，可用的卫星数目越多，滚转角估计得也就越精确。

5多星量测信息融合

多星量测信息融合可以解决由于卫星空间分布的不均匀性带来的滚转角测量测角抖动问题。假设各个卫星解算的弹体滚转角为γ_n（n∈N⁺），卫星S_i的视线角中的俯仰角为

卫星数目为4，即i＝1,2,3,4，则多星量测信息融合加权公式为

${\mathrm{\&gamma;}}_n=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0^i}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_0^i}\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_i)$

解算出来的γ_n即是滚转角最终融合结果。

Claims (1)

1.一种基于卫星载波信号调制的弹体滚转角测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、卫星载波调制信号跟踪：根据常规的星座选择方法选定四颗卫星，利用码相关方法对四颗卫星载波调制信号进行捕获，再利用滑动观测窗口的方法对信号进行平滑滤波和曲线拟合，得到载波旋转调制信号的解析式；计算解析式的局部极值点，极值点对应的时刻为天线方向图主瓣对准卫星的时刻，并锁定当前卫星载波调制信号，实现对卫星载波调制信号的跟踪；

步骤2、视线角估计及投影变换：计算锁定的卫星载波调制信号视线角，采用下述公式将视线角投影变换到弹体坐标系，得到与每颗卫星的视线角在弹体横切面的投影：

${\mathrm{\&gamma;}}_i=\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-{\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\left|\sin \mathrm{\&alpha;}\right|},0\&le;\mathrm{\&alpha;}<\mathrm{\&pi;}\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}+{\tan }^{-1}\frac{\tan \mathrm{\&beta;}}{\left|\sin \mathrm{\&alpha;}\right|},\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

其中：i卫星个数，i＝1,2,3,4；卫星S的视线角为α、β，方位角为α，俯仰角为β；

步骤3、天线中心过零时刻估计：

在弹体坐标系下计算出旋转弹的弹体天线中心过零时刻：

在顺时针旋转情况的弹体天线中心过零时刻：

在逆时针旋转情况的弹体天线中心过零时刻：

其中：为弹体平均旋转速率；

步骤4、弹体滚转角估计与修正：

旋转弹的弹体滚转角为γ_nn∈N⁺，则

在顺时针旋转情况的 ${\mathrm{\&gamma;}}_n=\stackrel{\&OverBar;}{w}\&CenterDot;\mathrm{mod}(n-t_0,1/\stackrel{\&OverBar;}{w});$

在逆时针旋转情况的 ${\mathrm{\&gamma;}}_n=360-\stackrel{\&OverBar;}{w}\&CenterDot;\mathrm{mod}(n-t_0,1/\stackrel{\&OverBar;}{w});$

卫星S_i的视线角在弹体横截面上的投影角度为γ_i，当弹体天线方向图主瓣对准卫星S_i接收的信号幅度最大时，令γ_n＝γ_i，

下一时刻弹体滚转角外推计算将以校正后的γ_n为基准，从而消除外推计算的累积误差；

当弹体天线方向图主瓣对准卫星S_k接收的信号幅度最大时，修正旋转弹的弹体滚转角γ_n＝γ_i；

步骤5、对4颗卫星的量测信息进行融合，得到滚转角最终融合结果：

${\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_n=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{{\mathrm{\&beta;}}_0^i}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_0^i}\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_i).$

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