CN108469628A - 一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，该方法建立了以作战现场指挥中心为原点的地理坐标系，利用北斗/GPS位置导航和惯性导航技术和网络传输技术，将北斗/GPS和惯导两组数据进行接收解析，再根据空间坐标转换方法，将单兵在无北斗/GPS信号下的相对于自身惯导坐标系的坐标，转换到现场指挥中心的地理坐标系中，然后绘制在三维软件中。本发明将北斗/GPS位置导航技术与惯性导航技术相结合，综合利用网络传输、图像处理等技术，在现场指挥中心平台软件上显示所有作战单兵相对于作战指挥中心实时位置，便于现场指挥人员直观地了解每位单兵的实际位置，为指挥决策提供有力的数据支撑。

Description

一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法

技术领域

本发明涉及到单兵作战定位，尤其涉及到特殊作战环境下的单兵快速定位方法，具体是指火场救援、防恐爆破等紧急情况下，单兵在楼宇、地下等复杂地势中相对于现场指挥中心的快速定位方法。

背景技术

目前在作战任务中，单兵定位常用的方式有北斗/GPS和惯性导航两种。北斗/GPS定位是利用芯片通过与围绕地球的轨道卫星通信，向用户系统提供三维速度、三维位置等信息。整个系统由地面控制系统、空间系统和用户接收系统三个部分构成。地面控制部分有卫星控制站、收发信号天线、星历数据监测点及其他辅助通讯系统等设备。惯性导航定位则不靠外界任何条件，利用传感器获取单兵每一时刻各个方向的加速度，从而自主地提供姿态、位置、速度等信息。

在楼宇、隧道和地下等复杂地理环境下，北斗/GPS等设备无法与卫星通信，依靠现有惯性导航只能获取单兵相对惯导坐标系的空间三坐标值，指挥人员无法直观地掌握作战单兵实际位置，影响指挥人员的指挥决策和单兵的作战行动。

发明内容

发明目的：基于上述问题，为了克服现有技术中存在的不足，提供一种复杂环境下的单兵快速定位方法，使现场指挥中心可以更加直观地掌握作战单兵所处的实际位置，为现场指挥提供实时准确的数据支撑。本发明将北斗/GPS位置导航技术与惯性导航技术相结合，综合利用网络传输、图像处理等技术，在现场指挥中心平台软件上显示所有作战单兵相对于作战指挥中心实时位置，便于指挥员掌握作战现场的态势，做出最佳作战部署。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，包括以下步骤：

1)将北斗/GPS模块与惯性导航模块集成于一体，将实时获取的经纬度n、e和高度h、λ(λ是北斗/GPS信号强度)和相对于惯性导航坐标系的坐标[dx dy dz]数据信息进行编码并传输至现场指挥中心，现场指挥中心根据自身经纬度坐标(由北斗/GPS或其他仪器获取)，建立地理空间三维直角坐标系OXYZ；

2)现场指挥中心PC端接收到自北斗/GPS和惯性导航组合发来的数据后进行解析，获得n组北斗/GPS数据值和惯导数据值；

3)计算在有北斗/GPS信号下单兵在地理坐标系OXYZ下的坐标值；

4)计算惯性导航坐标系至现场指挥中心地理坐标系OXYZ的转换关系；

5)根据步骤4)求取的坐标转换关系，将惯导传输的坐标数据转换到OXYZ坐标系下，并绘制在指挥平台的三维显示软件中。

有益效果：本发明与现有技术相比，将北斗/GPS位置导航技术与惯性导航技术相结合，综合利用网络传输、图像处理等技术，在现场指挥中心平台软件上显示所有作战单兵相对于作战指挥中心实时位置，便于指挥员掌握作战现场的态势，做出最佳作战部署。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为现场指挥中心坐标系和惯导坐标系关系示意图；

图3为坐标转换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1给出了本发明方法的总体流程图，具体步骤如下：

1)利用网络传输技术，基于UDP传输协议，将北斗/GPS位置信息数据(n、e、h、λ)和惯性导航的相对坐标数据信息(dx dy dz)打包传输至指挥中心后台PC机上。为保证计算精度，在解析经纬度值时，舍去北斗/GPS信号强度λ小于0.9的数据，记剩下的值分别为J_i(n_i,e_i,h_i)(i＝1,2,...n)，记惯导相对坐标数据为G_i(dx_i,dy_i,dz_i)(i＝1,...,m)，其中在有北斗/GPS信号时，经纬度值和相对坐标值下i标相同时，表示两者位于同一实际位置。

2)以现场指挥中心(其北斗/GPS坐标：(n₀,e₀,h₀)为原点，以正北方指向为X轴，根据右手定理建立地理空间直角坐标系OXYZ，如图2所示，在有北斗/GPS信号作战准备和开始环境下，单兵某一时刻位置坐标有两个数据：北斗/GPS定位坐标J_i和惯性导航地位坐标G_i(dx_i,dy_i,dz_i)(i＝1,...,n)；在楼宇、地下等无北斗/GPS信号作战环境下，单兵某一时刻位置坐标只有惯性导航定位坐标G_i(dx_i,dy_i,dz_i)(i＝n+1,...,m)。

3)根据图3所示，在某一时刻i，单兵北斗/GPS坐标为J_i(n_i,e_i,h_i)。根据球面距离计算公式，求的其在OXYZ坐标系下的坐标J_i′(x_i,y_i,z_i)值为：

上式中D为地球直径，单位为m。

4)根据步骤3)求解单兵在1至n位置北斗/GPS坐标相对于指挥中心坐标系的坐标值：J_i′(x_i,y_i,z_i)，对应的坐标值为G_i(dx_i,dy_i,dz_i)(i＝1,...,n)。假设惯导坐标系分别绕X、Y、Z轴旋转α、β、γ角度，平移Δ系、Δ系、Δ系之后与现场指挥中心坐标系重合，则有下式成立：

J_i′^T＝R·G_i ^T+T (i＝1,...,n)

上式中，R是空间旋转矩阵：

T是空间平移矩阵：

T＝[Δx Δy Δz]^T

惯性导航坐标系至指挥中心坐标系的转换参数即R和T，共有6个参数，记做X＝[αβγΔxΔyΔz]。由此建立非线性方程组：

为求得最佳近似解，利用最小二乘法建立目标函数：

将上式简写为：

上述公式中的含义如下：

利用牛顿迭代法，求目标函数F(X)的最小值，迭代公式为：

最后求得惯导标系至现场指挥中心坐标系之间的转换参数R和T。

5)利用步骤4)求解的转换参数R和T，将n+1至m时刻(此阶段北斗/GPS信号差或无信号，定位数据不可用)惯导坐标转换至现场指挥中心坐标系下，然后利用unity3D等三维绘制软件，将作战单兵的行动路线及当前点绘制在软件中，为指挥人员提供决策支撑。

Claims (5)

1.一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将北斗/GPS模块和惯性导航模块集成于一体，并将北斗/GPS位置导航数据和惯性导航数据实时传送给作战现场指挥中心平台软件；

2)建立以现场指挥中心为原点、正北方向为X轴的正交空间三维坐标系，称之为地理坐标系OXYZ，现场指挥中心PC端软件接收步骤1)发送的数据信息，进行解析并编组；

3)计算在有北斗/GPS信号下单兵在地理坐标系OXYZ下的坐标值；

4)计算惯性导航坐标系至现场指挥中心地理坐标系OXYZ的转换关系；

5)根据步骤4)求取的坐标转换关系，将惯导传输的坐标数据转换到OXYZ坐标系下，并绘制在指挥平台的三维显示软件中。

2.根据权利要求1所述的一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，其特征在于：所述步骤4)中计算惯性导航坐标系至现场指挥中心地理坐标系OXYZ的转换关系具体方法为：

单兵在1至n位置北斗/GPS坐标相对于指挥中心坐标系的坐标值：J_i′(x_i,y_i,z_i)，对应的惯性导航坐标值为G_i(dx_i,dy_i,dz_i)(i＝1,...,n)。假设惯导坐标系分别绕X、Y、Z轴旋转α、β、γ角度，平移Δx、Δy、Δz之后与现场指挥中心坐标系重合，则有下式成立：

上式中，R是空间旋转矩阵：

T是空间平移矩阵：

T＝[Δx Δy Δz]^T

惯性导航坐标系至指挥中心坐标系的转换参数即R和T，共有6个参数，记做X＝[α β γΔx Δy Δz]，由此建立非线性方程组：

为求得最佳近似解，利用最小二乘法建立目标函数：

将上式简写为：

上述公式中的含义如下：

利用牛顿迭代法，求目标函数F(X)的最小值，迭代公式为：

最后求得惯导标系至现场指挥中心坐标系之间的转换参数R和T。

3.根据权利要求1所述的一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，其特征在于：所述步骤1)中北斗/GPS位置导航数据和惯性导航数据分别包括实时获取的经纬度n、e和高度h、λ(λ是北斗/GPS信号强度)和相对于惯性导航坐标系的坐标[dx dy dz]数据信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，其特征在于：所述步骤2)在解析经纬度值时，舍去北斗/GPS信号强度λ小于0.9的数据，记剩下的值分别为J_i(n_i,e_i,h_i)(i＝1,2,...n)，记惯性导航相对坐标数据为G_i(dx_i,dy_i,dz_i)(i＝1,...,m)，其中在有北斗/GPS信号时，经纬度值和相对坐标值下i标相同时，表示两者位于同一实际位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于现场指挥中心的单兵快速定位方法，其特征在于：所述步骤3)的具体算法为：在某一时刻i，单兵北斗/GPS坐标为J_i(n_i,e_i,h_i)，根据球面距离计算公式，求的其在OXYZ坐标系下的坐标J_i′(x_i,y_i,z_i)值为：

上式中D为地球直径，单位为m。