CN104596503A

CN104596503A - 基于差分卫星导航测量的跟踪转台定姿与指令补偿方法

Info

Publication number: CN104596503A
Application number: CN201510036930.7A
Authority: CN
Inventors: 陈磊; 白显宗; 张国军; 柴华
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104596503B

Abstract

本发明涉及一种基于卫星导航系统的跟踪转台快速定姿与旋转指令生成的方法，该方法解决了复杂室外环境下当地基准难以确定的问题。在转台上安装两根垂直的长杆，利用长杆上安装的卫星导航系统接收天线进行转台旋转中心的位置确定和转台平台的方向确定。结合目标的状态信息，分别用位置速度转换法和坐标转换矩阵法计算转台旋转指令，位置速度转换方法可以计算转台指令角速度信息，可用于跟踪动目标。坐标转换矩阵方法无法计算转台指令角速度信息，可用于瞄准静目标。

Description

基于差分卫星导航测量的跟踪转台定姿与指令补偿方法

技术领域

本发明涉及一种跟踪转台定姿与转动指令补偿的方法。该方法利用卫星导航系统的测量信息实现转台快速定姿，并结合目标状态生成转动指令，从而避免了确定当地基准的繁冗过程。该方法可为复杂室外环境下跟踪转台的使用提供一条有效途径。

背景技术

在工程实际中，经常需要利用转台搭载有效载荷完成特定的任务。转台的基本功能是通过转动两个角度（方位角和俯仰角），达到一定的指向，使得固连在转台上的有效载荷对特定的目标进行瞄准或跟踪。

传统的调整转台指向的方法分为三步：首先结合当地地理信息将转台调整至基准状态（找北、找水平等），其次依据目标相对于基准框架的位置速度获取转台的旋转指令，第三利用伺服机构驱动转台达到相应指向。这一方法的缺陷在于，当地基准的确定需要耗费一定时间且需要专用设备。尤其是在地形起伏较大等复杂室外环境下，采用传统方法调整转台指向将更加困难。

发明内容

本发明提出一种利用卫星导航系统测量数据进行室外转台快速定姿与转动指令补偿的方法。该方法解决了转台平台定位定向和转台旋转指令计算的问题。在转台上安装两根相互垂直的长杆，在长杆上安装卫星导航系统接收天线进行转台旋转中心的位置确定和转台平台的方向确定。分别用位置速度转换法和坐标转换矩阵法计算转台旋转指令。位置速度转换方法可以计算转台指令角速度信息，适用于跟踪动目标，坐标转换矩阵方法无法计算转台指令角速度信息，适用于瞄准静目标。

通过对GPS接收机的测量数据进行差分操作，可以快速确定平台姿态与平台位置，进而依据目标状态计算转动指令。本发明提出的方法设备简单、成本低廉，且仅需要一次调整即可使得转台达到理想指向。

方法的技术方案如下。

一、平台定姿

（一）长杆的安装

平台定姿采用卫星导航设备的载波相位测量系统完成。在转台安装面上从方位旋转中心沿俯仰轴方向和垂直轴方向各伸出一根长约3米，刚性好的长杆（平面度和垂直度满足一定要求），如附图1所示。

定义两个相互垂直的长杆的交点A和两个端点分别为B、C点，A点与转台的旋转中心并不重合，而是有一个偏移量。两个长杆是固连在转台的安装平面上的，当转台的转动方位角和俯仰角分别为0时，这两个杆的方向可以确定平台的指向，A、B、C三点的位置可以确定转台转动中心的位置。

（二）平台定向方法

在A、B、C三点安装卫星导航系统载波相位测量系统，任意时刻可以测得三点的大地经度L、大地纬度B和大地高H数据，通过下式可以得到A、B、C三点地心地固（ECF）坐标系的位置矢量、和：

（1）

式中：N为地球椭球的卯酉圈半径，e为椭球的第一偏心率。

（2）其中a和b分别为椭球的长半径和短半径。

本发明采用WGS-84地心大地坐标系。计算ECF坐标系A点到B、C点的相对位置矢量和

（3）以A点为原点建立北东地坐标系G _A，将A到B、C的相对位置矢量和转换到G _A坐标系，得和：

（4）由和可得北东地坐标系中转台坐标系三个轴的单位矢量为

（5）

可得北东地坐标系到转台坐标系的方向余弦阵，也即坐标转换矩阵为

（6）

而由北东地坐标系到转台坐标系的转换矩阵，可以写为北东地坐标系到平台坐标系、再由平台坐标系到转台坐标系的转换矩阵的乘积

（7）因此北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵可以写为

（8）而平台坐标系到转台坐标系的转换矩阵为

（9）将式（9）代入式（8），可得

（10）至此，得到了北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵，也即方向余弦阵。将矩阵写为元素的形式

（11）北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵与平台方向角（方位角、俯仰角、滚动角）的关系为（按照3-2-1顺序旋转）

（12）

由式（11）和式（12）可得平台俯仰角为

（13）定义函数

（14）函数的值域为。

如果得到的平台俯仰角，则平台方位角和滚动角为

（15）如果得到的平台俯仰角，则有

（16）如上，在已经得知转台此时转动角度和的情况下，可以求解得到平台定向参数、和。

（三）平台定位方法

长杆的A点与转台转动中心点并不重合，二者之间的距离由转台、长杆、天线的外形尺寸决定，可以通过图纸或测量得到，可认为是已知量。

转台坐标系中A点到点的相对位置矢量为可表示为，由和A点的大地坐标可以得到转台坐标系到地心地固系的坐标转换矩阵为

（17）因此可得在地心地固系中A点到点的相对位置矢量为可表示为

（18）故地心地固系中点的位置矢量为

（19）

将用大地坐标表示，即得到了转台转动中心的位置，完成了平台的定位。

（四）多次定位定向方法

由于A、B、C三点的位置测量不可避免地存在误差，因此由前述得到的平台定位定向参数也存在误差。为了得到精度更高的定位定向结果，进行多次测量，得到多组数据，计算多组参数值。最终参数值可取各次参数的平均值。

二、转台旋转指令计算

转台的基本功能是通过转动两个角度（方位角和俯仰角），使得安装在转台上的有效载荷在当地北东地坐标系下指向所需的方位角和俯仰角。转台旋转指令计算的逻辑关系如附图2所示。图2中北东地坐标系下的目标状态、转台旋转中心位置参数、平台定向参数均为已知量，所求的未知量是转台的旋转角度与旋转角速度。转台指令参数的计算方法有两种，分别为位置速度转换法和坐标转换矩阵法。

（一）位置速度转换法

已知当地北东地坐标系中的目标位置速度矢量，根据转台旋转中心位置参数与平台定向参数，得到目标在平台坐标系的相对位置矢量和相对速度矢量。

那么有

（20）

根据下式可得转台指令角速度：

（21）

（二）坐标转换矩阵法

坐标转换矩阵方法是根据平台坐标系到转台坐标系的坐标转换矩阵，求解相应的旋转欧拉角和的方法。

设目标在北东地坐标系中的方位角俯仰角为，则可知道北东地坐标系到转台坐标系的坐标转换为

（22）

另外，根据北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵、平台坐标系到转台坐标系的转换矩阵，也可以得到北东地坐标系到转台坐标系的转换矩阵为

（23）

式中：

（24）

综合式（22）~式（24），可得

（25）

因此有

（26）

已知和，由矩阵得到转台的指令方位角和指令俯仰角。坐标转换矩阵方法不需要角速度信息，也无法计算转台指令角速度信息。

本发明的优点在于：

（1）利用卫星导航系统测量信息对转台的平台进行定位和定向，操作方便、精度较高；

（2）转台旋转指令的计算综合考虑了平台的姿态信息与目标的状态信息，无需寻找平台基准，仅通过一次调整即可使平台达到理想指向。

附图说明

图1长杆的安装；

图2卫星导航接收机的安装；

图3转台旋转指令的计算。

具体实施方式

本发明的具体实施流程如下：本发明包括平台定姿、转台旋转指令生成两个步骤。

第一步：平台定姿

通过平台定位定向方法得到旋转中心的地心大地坐标系位置坐标和平台在当地北东地坐标系中的方位角、俯仰角和滚动角。

第二步：转台旋转指令计算

根据目标的位置速度参数、转台旋转中心位置参数、平台定向参数等信息，通过转台旋转指令计算方法得到转台旋转的方位角和俯仰角指令。

Claims

1.一种基于差分卫星导航测量的跟踪转台定姿与指令补偿方法，其特征在于，在转台上安装两根相互垂直的长杆，在长杆上安装卫星导航系统接收天线进行转台旋转中心的位置确定和转台平台的方向确定，分别用位置速度转换法和坐标转换矩阵法计算转台旋转指令，具体过程如下：

一、平台定姿

（一）长杆的安装

在转台安装面上从方位旋转中心沿俯仰轴方向和垂直轴方向各安装一根长杆，定义这两个相互垂直的长杆的交点A和两个端点分别为B、C点，A点与转台的旋转中心不重合，有一个偏移量，两个长杆固连在转台的安装平面上，当转台的转动方位角和俯仰角分别为0时，这两个杆的方向确定平台的指向，A、B、C三点的位置确定转台转动中心的位置；

（二）平台定向

在A、B、C三点安装卫星导航系统载波相位测量系统，任意时刻测得三点的大地经度L、大地纬度B和大地高H数据，通过下式得到A、B、C三点地心地固坐标系ECF的位置矢量、和：

（1）

式中：N为地球椭球的卯酉圈半径，e为椭球的第一偏心率；

（2）

其中a和b分别为椭球的长半径和短半径；

计算ECF坐标系A点到B、C点的相对位置矢量和

（3）

以A点为原点建立北东地坐标系G _A，将A到B、C的相对位置矢量和转换到G _A坐标系，得和：

（4）

由和得北东地坐标系中转台坐标系三个轴的单位矢量为

（5）

得北东地坐标系到转台坐标系的方向余弦阵，也即坐标转换矩阵为

（6）

而由北东地坐标系到转台坐标系的转换矩阵，写为北东地坐标系到平台坐标系、再由平台坐标系到转台坐标系的转换矩阵的乘积

（7）

因此北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵写为

（8）

而平台坐标系到转台坐标系的转换矩阵为

（9）

将式（9）代入式（8），得

（10）

至此，得到北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵，也即方向余弦阵，将矩阵写为元素的形式

（11）

北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵与平台方向角：方位角、俯仰角、滚动角的关系为

（12）

由式（11）和式（12）得平台俯仰角为

（13）

定义函数

（14）

函数的值域为；

如果得到的平台俯仰角，则平台方位角和滚动角为

（15）

如果得到的平台俯仰角，则有

（16）

在已经得知转台此时转动角度和的情况下，求解得到平台定向参数、和；

（三）平台定位方法

长杆的A点与转台转动中心点不重合，二者之间的距离由转台、长杆、天线的外形尺寸决定，通过图纸或测量得到，为已知量，

转台坐标系中A点到点的相对位置矢量为表示为，由和A点的大地坐标得到转台坐标系到地心地固系的坐标转换矩阵为

（17）

因此在地心地固系中A点到点的相对位置矢量为表示为

（18）

故地心地固系中点的位置矢量为

（19）

将用大地坐标表示，即得到了转台转动中心的位置，完成了平台的定位；

（四）多次定位定向方法

由于A、B、C三点的位置测量存在误差，因此由前述得到的平台定位定向参数也存在误差，进行多次测量，得到多组数据，计算多组参数值，最终参数值取各次参数的平均值；

二、转台旋转指令计算

转台的基本功能是通过转动两个角度：方位角和俯仰角，使得安装在转台上的有效载荷在当地北东地坐标系下指向所需的方位角和俯仰角，北东地坐标系下的目标状态、转台旋转中心位置参数、平台定向参数均为已知量，所求的未知量是转台的旋转角度与旋转角速度，转台指令参数的计算方法有两种，分别为位置速度转换法和坐标转换矩阵法。

2.根据权利要求1所述的一种基于差分卫星导航测量的跟踪转台定姿与指令补偿方法，其特征在于，

所述位置速度转换法具体为：

已知当地北东地坐标系中的目标位置速度矢量，根据转台旋转中心位置参数与平台定向参数，得到目标在平台坐标系的相对位置矢量和相对速度矢量，

那么有

（20）

根据下式得转台指令角速度：

（21）。

3.根据权利要求1所述的一种基于差分卫星导航测量的跟踪转台定姿与指令补偿方法，其特征在于，

所述坐标转换矩阵法具体为：

设目标在北东地坐标系中的方位角俯仰角为，则知道北东地坐标系到转台坐标系的坐标转换为

（22）

根据北东地坐标系到平台坐标系的转换矩阵、平台坐标系到转台坐标系的转换矩阵，得到北东地坐标系到转台坐标系的转换矩阵为

（23）

式中：

（24）

综合式（22）~式（24），得

（25）

因此有

（26）

已知和，由矩阵得到转台的指令方位角和指令俯仰角。