CN109188476B - 垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法及系统，属于导航技术领域。所述垂直返回运载器着路段差分导航试验验证方法采用一台导航接收机、普通测量天线和电台设立地面临时基站，使用旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线和电台模拟垂直返回运载器着陆段飞行，通过地面临时基站计算差分修正量并通过电台发送至旋翼飞行器上的导航设备进行卫星导航差分解算，通过外部测量装置进行场地标定，通过两台高速相机对旋翼飞行器实际飞行轨迹进行测量用于考核差分卫星导航精度。具有试验方法简单、成本低和可靠性高的特点。

Description

垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法及系统

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别是涉及一种垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法及系统。

背景技术

垂直返回运载器是我国乃至世界运载工具发展的重要方向，其飞行末段尤其是着陆段对导航精度有极高的要求，而目前常用的导航技术难以为运载器着陆段提供分米级乃至亚分米级的定位精度。根据差分卫星技术的原理和发展现状分析，差分卫星导航技术是提高垂直返回运载器末段导航，尤其是着陆段导航精度的可行手段。但着陆场附近一般不具备卫星导航差分基站，并且出于安全考虑，应采用独立自主的建立临时基站进行差分导航的方法。在此情况下，差分卫星导航是否能够满足实际需求，需要进行快速、有效的试验验证。

发明内容

本发明目的是为了满足对垂直返回运载器着陆段差分卫星导航方案是否可行的试验验证需要，提出了垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法及系统。所述方法及系统方式简单、成本低，并且可靠性高。

本发明的目的通过以下技术方案实现：垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法，采用一台导航接收机、普通测量天线和电台设立地面临时基站，使用旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线和电台模拟垂直返回运载器着陆段飞行，通过地面临时基站计算差分修正量并通过电台发送至旋翼飞行器上的导航设备进行卫星导航差分解算，通过外部测量装置进行场地标定，通过两台高速相机对旋翼飞行器实际飞行轨迹进行测量用于考核差分卫星导航精度。

进一步地，地面临时基站布置方式具体为：在试验场地选择一个固定地点设立GNSS地面差分基站，基站包括电源，所述导航接收机为GNSS接收机，所述基站能够通过长时间观测获得本地差分改正数并通过电台在试验区域范围内进行广播。

进一步地，所述模拟垂直返回运载器着陆段飞行具体方式为：通过具有负载能力和飞行控制功能的旋翼飞行器模拟垂直返回运载器着陆段的飞行过程；首先，需将卫星导航接收机、航空测量天线、电台安装在旋翼飞行器顶端并精确测量航空测量天线中心相对旋翼飞行器本体的位置；其次，需要在旋翼飞行器底部涂装纹理或靶标来配合地面高速相机的外部观测；最后，需要旋翼飞行器具有遥控控制和按程序指令飞行功能，且能模拟垂直返回运载器着陆段飞行特征。

进一步地，模拟垂直返回运载器着陆段飞行要求达到以下指标：旋翼飞行器载荷不小于2kg、飞行时间大于20min、最大飞行高度不小于150m；卫星导航接收机、航空测量天线、电源和电台总质量不大于2kg。

进一步地，所述场地标定方式为：通过激光测距仪、激光全站仪、测角仪和位标设备进行场地测量和标定；通过精确的角度和位置测量标定地面设备应摆放的位置和姿态，并通过位标杆、位标点和仪器台在试验场地上记录标定结果。

进一步地，所需标定设备指标和试验所需标定精度指标为：测距精度高于1mm，测角精度不低于0.01°，综合标定误差小于1cm。

进一步地，所述用于考核差分卫星导航精度的旋翼飞行器实际飞行轨迹测量方法为：采用两台高速相机对试验空域进行连续拍摄，通过usb3.0数据线将原始图像传至数据处理中心进行事后处理，通过对旋翼飞行器上涂装的纹理或靶标进行识别来获取位姿信息。

进一步地，所述高速相机的指标要求为：分辨率不低于640×480，帧速率不低于100fps。

本发明还提出一种垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验系统，所述试验系统由运载器、地面临时基站、外部测量装置和数据处理中心构成；

所述运载器包括旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线、电台和测高装置；其中，旋翼飞行器用于模拟垂直返回运载器着陆段飞行，卫星导航接收机和航空测量天线用于给出卫星导航测量信息，电台用于发送信息，测高装置用于给出飞行器实时高度；

所述地面临时基站由导航接收机、普通测量天线和电台组成，其中导航接收机和普通测量天线用于给出卫星导航测量信息、电台用于发布信息；

所述外部测量装置用于进行场地标定；

所述数据处理中心用于接收和发送数据、实时处理差分卫星导航信息和事后数据处理及分析。

本发明有益效果：

本发明可满足垂直返回运载器着陆段的高精度导航试验验证，所设计的差分导航试验验证方法简单、成本低、易于实现、可靠性高且具有较强针的对性。

本发明的方法最终的精度可保证误差上限小于0.3m。

此外，与其他试验方法相比，本发明所提出的方法所需场地条件较低、试验设备成本低、购买渠道通畅，所需试验周期短，具有较大的优势。

附图说明

图1为单站差分卫星导航试验示意图；

图2为单站差分卫星导航试验原理示意图；

图3为试验场地选取、设计、布置流程示意图；

图4为试验场地布置示意图；

图5为相机仰角设置示意图；

图6为试验设备测试流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图6，本发明提出垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法，采用一台导航接收机、普通测量天线和电台设立地面临时基站，使用旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线和电台模拟垂直返回运载器着陆段飞行，通过地面临时基站计算差分修正量并通过电台发送至旋翼飞行器上的导航设备进行卫星导航差分解算，通过外部测量装置进行场地标定，通过两台高速相机对旋翼飞行器实际飞行轨迹进行测量用于考核差分卫星导航精度。

地面临时基站布置方式具体为：在试验场地选择一个固定地点设立GNSS地面差分基站，基站包括电源，所述导航接收机为GNSS接收机，所述基站能够通过长时间观测获得本地差分改正数并通过电台在试验区域范围内进行广播。

所述模拟垂直返回运载器着陆段飞行具体方式为：通过具有负载能力和飞行控制功能的旋翼飞行器模拟垂直返回运载器着陆段的飞行过程；首先，需将卫星导航接收机、航空测量天线、电台安装在旋翼飞行器顶端并精确测量航空测量天线中心相对旋翼飞行器本体的位置；其次，需要在旋翼飞行器底部涂装纹理或靶标来配合地面高速相机的外部观测；最后，需要旋翼飞行器具有遥控控制和按程序指令飞行功能，且能模拟垂直返回运载器着陆段飞行特征。

模拟垂直返回运载器着陆段飞行要求达到以下指标：旋翼飞行器载荷不小于2kg、飞行时间大于20min、最大飞行高度不小于150m；卫星导航接收机、航空测量天线、电源和电台总质量不大于2kg。

所述场地标定方式为：通过激光测距仪、激光全站仪、测角仪和位标设备进行场地测量和标定；通过精确的角度和位置测量标定地面设备应摆放的位置和姿态，并通过位标杆、位标点和仪器台在试验场地上记录标定结果。避免每次试验前进行大量重复的标定工作。

所需标定设备指标和试验所需标定精度指标为：测距精度高于1mm，测角精度不低于0.01°，综合标定误差小于1cm。

所述用于考核差分卫星导航精度的旋翼飞行器实际飞行轨迹测量方法为：采用两台高速相机对试验空域进行连续拍摄，通过usb3.0数据线将原始图像传至数据处理中心进行事后处理，通过对旋翼飞行器上涂装的纹理或靶标进行识别来获取位姿信息。

所述高速相机的指标要求为：分辨率不低于640×480，帧速率不低于100fps。

结合体图1，本发明还提出一种垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验系统，所述试验系统由运载器、地面临时基站、外部测量装置和数据处理中心构成；

所述运载器包括旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线、电台和测高装置；其中，旋翼飞行器用于模拟垂直返回运载器着陆段飞行，卫星导航接收机和航空测量天线用于给出卫星导航测量信息，电台用于发送信息，测高装置用于给出飞行器实时高度；

所述地面临时基站由导航接收机、普通测量天线和电台组成，其中导航接收机和普通测量天线用于给出卫星导航测量信息、电台用于发布信息；

所述外部测量装置用于进行场地标定；

所述数据处理中心用于接收和发送数据、实时处理差分卫星导航信息和事后数据处理及分析。

单站差分卫星导航试验的基本原理如图2所示。根据单站差分卫星导航试验原理示意图可以看到，本试验系统的基本原理如下：

1)事先标定。通过测距和测角设备在场地布置阶段完成，包括试验用的坐标系和卫星导航系统坐标系间的转换关系确定、试验坐标系下坐标原点和坐标轴的标定、试验坐标系下特定点位置的精确标定，外部测量装置如高速相机安装位置、安装角度的标定。在每次进行试验前，还要进行重新标定。

2)旋翼飞行器飞行控制。通过人工操作或事先设定飞行程序的方式，利用旋翼飞行器模拟垂直起降重复使用运载器着陆阶段的飞行过程。具体的飞行动作事先决定、由操纵者执行，飞行过程中不利用旋翼飞行器本身的测量设备输出飞行状态信息。

3)差分改正数计算。通过与事先标定信息进行比对，利用地面接收机观测结果可以给出差分卫星导航的改正数。

4)导航信息解算。移动接收机接收电台发布的差分卫星导航改正数，结合自身实际测量值，基于差分卫星导航技术给出飞行器的导航信息。具体的改正数格式需要根据卫星导航接收机类型来进一步确定，现初步定为三维位置改正数。

5)实际飞行状态测量。利用外部高精度测量装置测量飞行器的图像和飞行高度信息，通过解算得到地面坐标系下的飞行器飞行状态信息，用以考核差分卫星导航系统的精度。其中，要注意卫星导航系统给出的位置测量值为天线中心，与外部测量设备测得的位置值存在固定的偏差，此偏差可事先测定。

试验基本过程如下：

第一步，进行场地标定，在选好场地后(主试验场应为空旷广场、地面设备布置区域不小于5m×15m)利用较高精度相对测量设备(不低于mm级的位置精度和0.01°的测角精度)对地面区域及地面设备布置工位进行标定。

试验场通过高精度的位置和角度测量装置进行标定，具体流程如图3所示。

场地布置如图4所示：

将地面临时基站布置地点设为地面坐标系原点，建立对应的北东天坐标系。在实际计算时可忽略地球曲率。用于外部测量的高速相机分别布置在图示的两个位置，以30°仰角(假定相机视场角范围为120°)对准预定空域。

第二步，布置地面临时基站(距离预定落点一定距离，将分别测试1m、5m、20m、100m)，由地面接收机、接收天线和电台、电源等构成。通过较长时间观测(将分别测试1d、2h、1h等)和对应算法，确定差分改正数。

第三步，布置地面测量装置。其中，考虑到运载器实际飞行中对高度具有较高要求，激光测距仪主要用于高度测量，如实际条件允许，应布置在旋翼飞行器上，否则布置在地面上。再利用高速相机(不低于100fps，两台)对飞行器进行实时拍摄。二者的测量信息通过USB3.0或光纤传输至处理计算机进行解算(解算过程无需实时进行)。关于相机位置和仰角的说明如图5所示。

试验时将保证飞行器始终处于相机的一侧(即不过顶)，30°仰角可保证目标始终处于相机观测范围内。假定相机距离目标最远不超过150m，根据相机的成像原理和相元尺寸大小估算可得，位置分辨率最低时不低于0.1m，工作段位置分辨率不低于0.03m，末段位置分辨率可达0.005m或更高。

对试验场地标的定主要采用激光测距仪、激光全站仪和测角仪，标定设备需要达到不低于1mm的位置精度和不低于0.01°的测角精度。

第四步，组装运载器模拟装置。在旋翼飞行器上安装移动接收机、天线、电台等设备。并测量天线中心相对于旋翼飞行器本体的位置。

第五步，布置数据处理中心，主要由传输设备、处理计算机、电源及相应软件构成。

第六步，设备测试。测试各个软硬件系统。如图6所示。

本步骤需要进行以下测试：

1)旋翼飞行器飞行测试一

测试旋翼飞行器的飞行高度、速度、加速度、稳定性、工作时间、负载能力。

2)室内相机成像和传输测试

在室内环境下对相机成像和传输功能进行测试，相机观测对象为指定静物，重点考察成像清晰度和帧率；

3)室外静目标相机成像和传输测试

在室内环境下对相机成像和传输功能进行测试，相机观测对象为旋翼飞行器，重点考察相机在室外强光照条件下是否能够正常工作；

4)室外动目标相机成像和传输测试

在室内环境下对目标运动情况下相机成像和传输功能进行测试，相机观测对象为旋翼飞行器，重点考察相机对具有一定运动速度的目标的成像能力；

5)基于图像的目标识别测试

利用相机对室外动目标的观测数据，完成目标识别测试。相机观测对象为旋翼飞行器。试验考虑三种工况：旋翼飞行器不加任何辅助识别设备；旋翼飞行器涂装特殊纹理、旋翼飞行器固定位置设置特征靶标。本步骤重点考察目标识别能力。

6)基于双目图像的目标定位测试

利用两部相机对室外动目标的观测数据，完成目标定位测试。相机观测对象为旋翼飞行器。旋翼飞行器的涂装或加装光点根据上步的测试结果进行选择。本步骤重点考察基于双目图像的目标定位精度。

7)旋翼飞行器飞行测试二

测试实际负载状态下旋翼飞行器的飞行高度、速度、加速度、稳定性、工作时间、负载能力。

8)卫星导航接收机地面测试

在地面上，在标定的原点位置布置基站用接收机及普通测量天线，在标定的落点位置布置飞行器用接收机及航空测量天线，同时对两部接收机的数据进行采集。考核两部接收机的一致性和测量精度，同时考核数据传输功能。

9)卫星导航接收机空中测试

在地面上，在标定的原点位置布置基站用接收机、普通测量天线和电台，在旋翼飞行器上布置飞行器用接收机、航空测量天线和接收器，同时对两部接收机的数据进行采集，并把地面接收机的数据通过电台发布。考核飞行器上接收电台的信号功能，和各设备与地面处理中心的通信功能。

10)激光测距仪地面测试

在地面上，对激光测距仪进行静态和动态测试。考核激光测距仪的精度和功能是否正常，数据采集是否正常。

11)激光测距仪空中测试

第七步，进行飞行试验，并根据试验结果对试验计划进行相应调整。在基本试验的基础上，进行多次相似工况以及多种不同工况下的试验。

每次试验将按如下流程进行：

地面基站开机进行观测—>差分改正数解算—>电台播发改正数—>数据处理中心开机—>激光测距仪和相机进入工作状态—>测试测距仪、相机连接和数据传输—>移动站开机测试—>移动站连接和数据传输—>旋翼飞行器开机—>操作人员操作旋翼飞行器按规定线路和动作飞行—>数据处理中心实时接收地面站、移动站、外部测量装置数据—>旋翼飞行器降落—>各测量仪器关机—>处理中心进行数据处理及分析工作。

具体的试验实施步骤如下：

1)地面设备安置与调校

将地面临时基站、高速相机摆放至指定工位，并再次进行标定；将电台、计算机摆放至指定工位；连接线缆并对各设备进行开机测试，检查是否处于正常工作状态。

2)旋翼飞行器及搭载设备检测

对旋翼飞行器及搭载在旋翼飞行器上的载荷进行开机测试，检查是否处于正常工作状态。

3)飞行试验一

操纵旋翼飞行器起飞，保持接近匀速上升至50m高度，悬停，自转90°，然后横向移动20m，最后自由飞回预定着陆点附近并着陆。

每次试飞以同样强度和类似轨迹再飞行至少三组数据。

将所有数据采回，分析试验过程和数据是否正常。如有问题，进行分析并调试后重复本步骤。如一切正常，则进行后续飞行试验二。

4)飞行试验二

操纵旋翼飞行器起飞，保持接近匀速上升至120m高度，悬停，然后横向移动10m，再操纵飞行器迅速上升20m后以最大速度下降至10m高度，稳定飞行器，操作飞行器返回预定着陆点附近并着陆。

每次试飞以同样强度和类似轨迹再飞行至少三组数据。

将所有数据采回，分析试验过程和数据是否正常。如存在问题，重复飞行试验二。如一切正常，改变旋翼飞行器飞行轨迹，尽量进行更多工况下的飞行试验，详细记录试验过程、数据并作分析。

5)补充飞行试验。每次试验流程与之前类似，不再赘述。

补充试验工况为：

(1)单基站不同位置影响试验布置地面基站时，选择不同的布站位置。将分别测试距离预定落点距离为1m、5m、20m、100m、1km的情况。

(2)单基站不同布置时间影响试验。布置地面基站时，选择不同长度的准备时间。将分别测试15min、1h、2h、24h的情况。

(3)多基站差分卫星导航试验。根据试验条件，最少选择两个基站的情况。测试多个基站相对于单个基站在哪些方面会有提高。

以上对本发明所提供的垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法及系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验验证方法，其特征在于，采用一台导航接收机、普通测量天线和电台设立地面临时基站，使用旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线和电台模拟垂直返回运载器着陆段飞行，通过地面临时基站计算差分修正量并通过电台发送至旋翼飞行器上的导航设备进行卫星导航差分解算，通过外部测量装置进行场地标定，通过两台高速相机对旋翼飞行器实际飞行轨迹进行测量用于考核差分卫星导航精度；

所述模拟垂直返回运载器着陆段飞行具体方式为：通过具有负载能力和飞行控制功能的旋翼飞行器模拟垂直返回运载器着陆段的飞行过程；首先，需将卫星导航接收机、航空测量天线、电台安装在旋翼飞行器顶端并精确测量航空测量天线中心相对旋翼飞行器本体的位置；其次，需要在旋翼飞行器底部涂装纹理或靶标来配合地面高速相机的外部观测；最后，需要旋翼飞行器具有遥控控制和按程序指令飞行功能，且能模拟垂直返回运载器着陆段飞行特征；

地面临时基站布置方式具体为：在试验场地选择一个固定地点设立GNSS地面差分基站，基站包括电源，所述导航接收机为GNSS接收机，所述基站能够通过长时间观测获得本地差分改正数并通过电台在试验区域范围内进行广播。

2.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，模拟垂直返回运载器着陆段飞行要求达到以下指标：旋翼飞行器载荷不小于2kg、飞行时间大于20min、最大飞行高度不小于150m；卫星导航接收机、航空测量天线、电源和电台总质量不大于2kg。

3.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，所述场地标定方式为：通过激光测距仪、激光全站仪、测角仪和位标设备进行场地测量和标定；通过精确的角度和位置测量标定地面设备应摆放的位置和姿态，并通过位标杆、位标点和仪器台在试验场地上记录标定结果。

4.根据权利要求3所述的试验验证方法，其特征在于，所需标定设备指标和试验所需标定精度指标为：测距精度高于1mm，测角精度不低于0.01°，综合标定误差小于1cm。

5.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，所述用于考核差分卫星导航精度的旋翼飞行器实际飞行轨迹测量方法为：采用两台高速相机对试验空域进行连续拍摄，通过usb3.0数据线将原始图像传至数据处理中心进行事后处理，通过对旋翼飞行器上涂装的纹理或靶标进行识别来获取位姿信息。

6.根据权利要求5所述的试验验证方法，其特征在于，所述高速相机的指标要求为：分辨率不低于640×480，帧速率不低于100fps。

7.垂直返回运载器着陆段差分卫星导航试验系统，其特征在于，所述试验系统由运载器、地面临时基站、外部测量装置和数据处理中心构成；

所述运载器包括旋翼飞行器搭载的卫星导航接收机、航空测量天线、电台和测高装置；其中，旋翼飞行器用于模拟垂直返回运载器着陆段飞行，卫星导航接收机和航空测量天线用于给出卫星导航测量信息，电台用于发送信息，测高装置用于给出飞行器实时高度；

所述地面临时基站由导航接收机、普通测量天线和电台组成，其中导航接收机和普通测量天线用于给出卫星导航测量信息、电台用于发布信息；

所述外部测量装置用于进行场地标定；

所述数据处理中心用于接收和发送数据、实时处理差分卫星导航信息和事后数据处理及分析；

所述模拟垂直返回运载器着陆段飞行具体方式为：通过具有负载能力和飞行控制功能的旋翼飞行器模拟垂直返回运载器着陆段的飞行过程；首先，需将卫星导航接收机、航空测量天线、电台安装在旋翼飞行器顶端并精确测量航空测量天线中心相对旋翼飞行器本体的位置；其次，需要在旋翼飞行器底部涂装纹理或靶标来配合地面高速相机的外部观测；最后，需要旋翼飞行器具有遥控控制和按程序指令飞行功能，且能模拟垂直返回运载器着陆段飞行特征；

地面临时基站布置方式具体为：在试验场地选择一个固定地点设立GNSS地面差分基站，基站包括电源，所述导航接收机为GNSS接收机，所述基站能够通过长时间观测获得本地差分改正数并通过电台在试验区域范围内进行广播。

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