CN111121769A - 机械扫描便携式合作目标对空监视设备及自主校北方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备自主校北方法置，所述方法首先以机械扫描便携式合作目标对空监视设备平面天线为基线，在天线两端分别放置GPS天线A和B测定WGS‑84坐标系对应坐标，并以A为原点确定向量，计算xoy平面夹角作为与正北方向的夹角。其次，将夹角值反馈给天线面转台，由处理器控制电机旋转相应所角度，使天线面垂向方向指向正北，实现设备自主校北。

Description

机械扫描便携式合作目标对空监视设备及自主校北方法

技术领域

本发明属于无人机监测系统领域，具体涉及一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备及其自主校北方法。

背景技术

现有技术中，合作目标对空监视设备主要用于对空中合作目标进行探测和定位，持续为空中合作目标监视系统提供航迹信息。为确保探测、定位输出精度和目标航迹连续性等要求，合作目标对空监视设备必须经过高精度校北以降低或消除系统误差。便携式合作目标对空监视设备主要工作于恶劣环境下，受地形地貌变化、天气因素等不利影响，空中合作目标直接飞临的可能性不大，依赖空中合作目标或其他地面固定系统提供信息完成校北，不符合设备设计应用场景。目前常用独立专业校北仪器，重量重、体积大、成本高，更适用于地基、车载、舰载平台，同样不适用于便携式合作目标对空监视设备。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备，所述监视设备包括监视天线、GPS天线、转台和信号处理单元，所述信号处理单元连接监视天线，所述GPS天线通过转台连接信号处理单元；

所述监视天线用作GPS天线的基线，所述监视天线的天线面垂向方向用于指北；

所述GPS天线用于扑捉卫星和接收卫星定位信息，所述GPS天线设置在所述监视天线两端；

所述转台用于对GPS卫星进行追踪，并为GPS天线选择接收定位信息的卫星；

所述信号处理单元用于接收GPS天线获取的卫星定位信息及控制监视天线的校北转角；

进一步地，所述GPS天线包括第一GPS天线、第一GPS接收机、第二GPS天线和第二GPS接收机，所述第一GPS天线通过第一GPS接收机连接转台，所述第二GPS天线通过第二GPS接收机连接转台；

进一步地，所述第一GPS天线、监视天线和第二GPS天线三点共线，共同组成基线；

进一步地，所述GPS天线还用于将卫星传来的无线电信号的电磁波能量转换为第一GPS天线接收机和第二GPS接收机可摄取应用的电能；

进一步地，所述转台选择的卫星为具有最优几何分布的卫星；

进一步地，所述监视天线为机械扫描便携式合作目标对空监视设备的对空监视平面天线，所述信号处理单元为PC机；

进一步地，一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备的自主校北方法，所述方法包括以下步骤；

进一步地，S1：通过第一GPS天线和第二GPS天线测定WGS-84坐标系及监视天线在该坐标系中对应坐标；

S2：以第一GPS天线所在位置为原点，根据原点和监视天线所在位置，确定基线向量

S3：计算基线向量

与WGS-84坐标系中xoy平面的夹角，并将该夹角作为

与正北方向的夹角；

S4：将夹角值反馈给转台，由信号处理单元控制电机旋转相应角度，使监测天线面垂直方向指向正北；

进一步地，所述S1具体为：

S11：测定第一GPS天线和第二GPS天线之间的基线距离l；

S12：将第一GPS天线作为当地水平坐标系LLS的原点，计算出基线在LLS中的矢量坐标(x，y，z)；

进一步地，S21：将地心大地坐标系中的参考面，旋转椭球面的几何中心与WGS-84坐标系原点重合，旋转椭球面的短半轴与WGS-84坐标系的Z轴重合；

S22：以旋转椭球面的长半轴长为赤道横截面的平均半径，短半轴与地球极直径相对应,监视天线在地心大地坐标系中的参数参数为纬度B、经度L、高程H；

S23：纬度B为监视天线的椭球面法线与WGS-84坐标系xoy平面的夹角，自xoy面向WGS-84坐标系的Z轴方向量取正；

S24：经度L为WGS-84坐标系xoy面与监视天线和z轴构成平面的夹角，自xoz面起右旋为正；

S25：高程H为过监视天线的椭球面法线上自椭球面至监视天线的距离，以远离椭球面中心方向为正；

进一步地，所述S3具体为：

偏航角ψ为

在WGS-84坐标系中xoy平面上的投影与x轴的夹角，俯仰角θ为

与WGS-84坐标系中xoy平面上的夹角，偏航角和俯仰角的计算方法如下：

式中偏航角ψ的取值范围为0～360°，俯仰角θ的取值范围为-90～90°，偏航角表示监视天线运动方向与正东方的夹角，航向角表示监视天线运动方向与正北方的夹角，计算监视天线的航向角时，将偏航角的基准逆时针旋转90°，得到监视天线的航向角；其中Δx＝︱x︱；Δy＝︱y︱；Δz＝︱z︱；

本发明的有益效果如下：

1、本发明克服了传统姿态测量系统的缺点，又具有成本低廉、携带方便、测量精度高等优点，并且可以广泛应用于航天测量、车船姿态控制或航向测量等各个方面；

2、本发明可以同惯性导航系统相结合，当GPS测向设备正常工作时，通过GPS数据信息对惯导系统数据进行实时的修正；当GPS测向系统发生卫星失锁情况(周跳)时，又可以立即获取惯导数据，保持姿态信息数据连续不断的输出，进一步提高了测量精度和系统稳定性；

3、本发明采用双差法相对定位，能够消除观测过程中与卫星、传播途径、接收机有关的误差，提高测量的精度。

附图说明

图1为本发明所述监视设备的结构图；

图2为本发明所述监视设备中信息处理过程图；

图3为本发明所述方法中WGS-84坐标系示意图；

图4为本发明所述方法中

在WGS-84坐标系中示意图。

图中，1-监视天线；21-第一GPS天线；22-第二GPS天线；31第一GPS接收机；32-第二GPS接收机；4-转台；5-信号处理单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

本发明提供一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备及自主校北方法，如图1所示，所述监视设备包括监视天线1、GPS天线、转台4和信号处理单元5。

所述监视天线1用作GPS天线的基线，所述监视天线1的天线面垂向方向用于指北，所述监视天线1为机械扫描便携式合作目标对空监视设备的对空监视平面天线；

所述GPS天线用于扑捉卫星和接收卫星定位信息，同时将卫星传来的无线电信号的电磁波能量转换为第一GPS天线21接收机和第二GPS接收机32可摄取应用的电能，所述GPS天线设置在所述监视天线1两端；

所述转台4用于对GPS卫星进行追踪，并为GPS天线选择接收定位信息的卫星，所述转台4选择的卫星为具有最优几何分布的卫星，所述最优几何分布的卫星即为精度因子数值最高的，定位精度最高的卫星组合，分别对应连接第一GPS天线21和第二GPS天线22；

所述信号处理单元5用于接收GPS天线获取的卫星定位信息及控制监视天线1的校北转角，所述信号处理单元5为PC机；

如图2所示，所述GPS天线包括第一GPS天线21、第一GPS接收机31、第二GPS天线22和第二GPS接收机32，所述第一GPS天线21通过第一GPS接收机31连接转台4，所述第二GPS天线22通过第二GPS接收机32连接转台4所述信号处理单元5连接监视天线1；第一GPS天线21、监视天线1和第二GPS天线22三点共线，共同组成基线。

一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备的自主校北方法，，所述方法包括以下步骤：

S1：通过第一GPS天线21和第二GPS天线22测定WGS-84坐标系及监视天线1在该坐标系中对应坐标；

S2：以第一GPS天线21所在位置为原点，根据原点和监视天线1所在位置，确定基线向量

S3：计算基线向量

与WGS-84坐标系中xoy平面的夹角，并将该夹角作为

与正北方向的夹角；

S4：将夹角值反馈给转台4，由信号处理单元5控制电机旋转相应角度，使监测天线面垂直方向指向正北。

如图3所示，所述S1具体为：

S11：测定第一GPS天线21和第二GPS天线22之间的基线距离l；

S12：将第一GPS天线21作为当地水平坐标系LLS的原点，计算出基线在LLS中的矢量坐标(x，y，z)。

如图4所示，S2和S3具体为：

S21：将地心大地坐标系中的参考面，旋转椭球面的几何中心与WGS-84坐标系原点重合，旋转椭球面的短半轴与WGS-84坐标系的Z轴重合；

S22：以旋转椭球面的长半轴长为赤道横截面的平均半径，短半轴与地球极直径相对应,监视天线1在地心大地坐标系中的参数参数为纬度B、经度L、高程H；

S23：纬度B为监视天线1的椭球面法线与WGS-84坐标系xoy平面的夹角，自xoy面向WGS-84坐标系的Z轴方向量取正；

S24：经度L为WGS-84坐标系xoy面与监视天线1和z轴构成平面的夹角，自xoz面起右旋为正；

S25：高程H为过监视天线1的椭球面法线上自椭球面至监视天线1的距离，以远离椭球面中心方向为正。

S3具体为：偏航角ψ为

在WGS-84坐标系中xoy平面上的投影与x轴的夹角，俯仰角θ为

与WGS-84坐标系中xoy平面上的夹角，偏航角和俯仰角的计算方法如下：

式中偏航角ψ的取值范围为0～360°，俯仰角θ的取值范围为-90～90°，偏航角表示监视天线1运动方向与正东方的夹角，航向角表示监视天线1运动方向与正北方的夹角，计算监视天线1的航向角时，将偏航角的基准逆时针旋转90°，得到监视天线1的航向角，监视天线1的航向角即为载体的航向角；其中Δx＝︱x︱；Δy＝︱y︱；Δz＝︱z︱。

本发明所述设备及方法在实际使用时，对于载体上的天线配置而言，天线之间的距离能够精确测定，且在运动状态中保持不变。图3中l为两个天线所构成的基线的长度。将第一GPS天线21作为当地水平坐标系(LLS)的原点，求解出基线在LLS中的矢量坐标(x，y，z)，就可以直接计算出载体的航向角和俯仰角。

通过对GPS载波相位的观测，能够极其精确地测定第二GPS天线22相对第一GPS天线21在WGS-84地心坐标系坐标的三维位置，再将其变换成以第一GPS天线21为原点的当地坐标系的坐标，然后通过公式(1)解算出航向角和俯仰角。

变换成以第一GPS天线21为原点的当地坐标系的坐标方法如下：

假设载体所在的经度为L、纬度为B。WGS-84坐标系转换为当地坐标系：首先绕Z轴按逆时针转动L-90°，使WGS-84坐标系的y轴与经度为L的球切面重合；然后绕X’轴顺时针转动90°-B，使Z’轴指向载体所在位置的天顶；最后绕Z”轴逆时针转动180°，使X”轴指向载体的正东方、y”轴指向载体的正北方。转换公式如下：

基线向量

的确定方法具体为：WGS-84坐标系和当地坐标系同属于直角坐标系，相互转换时需要利用地心大地坐标系的参数。地心大地坐标系中的参考面为旋转椭球面。椭球面几何中心与WGS-84坐标系原点重合；短半轴与WGS-84坐标系的Z轴重合。椭球的长半轴长为赤道横截面的平均半径，短半轴与地球极直径相对应。空间点P在大地坐标中的参数为纬度B、经度L、高程H。纬度B为点P的椭球面法线与WGS-84坐标系xoy平面的夹角，自xoy面向WGS-84坐标系的Z轴方向量取正；经度L为WGS-84坐标系xoy面与点p和z轴构成平面的夹角，自xoz面起右旋为正；高程H为过P点的椭球面法线上自椭球面至点P的距离，以远离椭球面中心方向为正。

因为向量

只有两维，所以能够确定设定偏航角和俯仰角，现设定偏航角ψ为

在xoy平面上的投影与x轴的夹角，俯仰角θ为

与xoy平面的夹角，偏航角和俯仰角的计算方法如下公式所示：

式中偏航角ψ的取值范围为0～360°，俯仰角θ的取值范围为-90～90°。因为当地坐标系x轴指向载体所在位置的正东方，所以偏航角表示载体运动方向与正东方的夹角，而航向角的定义为载体运动方向与正北方的夹角，在计算在载体的航向角时，需要将偏航角的基准逆时针旋转90°，得到载体的航向角。这样，通过基线向量可以计算得到载体的航向以及俯仰角。信号处理单元5器通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，从而实现位移，控制电机旋转，完成自主校北。

本发明所述方法采用双差法相对定位，能够消除观测过程中与卫星、传播途径、接收机有关的误差，提高测量的精度。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备，其特征在于，所述监视设备包括监视天线、GPS天线、转台和信号处理单元，所述信号处理单元连接监视天线，所述GPS天线通过转台连接信号处理单元；

所述监视天线用作GPS天线的基线，所述监视天线的天线面垂向方向用于指北；

所述GPS天线用于扑捉卫星和接收卫星定位信息，所述GPS天线设置在所述监视天线两端；

所述转台用于对GPS卫星进行追踪，并为GPS天线选择接收定位信息的卫星；

所述信号处理单元用于接收GPS天线获取的卫星定位信息及控制监视天线的校北转角。

2.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，所述GPS天线包括第一GPS天线、第一GPS接收机、第二GPS天线和第二GPS接收机，所述第一GPS天线通过第一GPS接收机连接转台，所述第二GPS天线通过第二GPS接收机连接转台。

3.根据权利要求2所述的监视设备，其特征在于，所述第一GPS天线、监视天线和第二GPS天线三点共线，共同组成基线。

4.根据权利要求2所述的监视设备，其特征在于，所述GPS天线还用于将卫星传来的无线电信号的电磁波能量转换为第一GPS天线接收机和第二GPS接收机可摄取应用的电能。

5.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，所述转台选择的卫星为具有最优几何分布的卫星。

6.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，所述监视天线为机械扫描便携式合作目标对空监视设备的对空监视平面天线，所述信号处理单元为PC机。

7.一种机械扫描便携式合作目标对空监视设备的自主校北方法，包括上述权利要求1-6所述的监视设备，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：通过第一GPS天线和第二GPS天线测定WGS-84坐标系及监视天线在该坐标系中对应坐标；

S2：以第一GPS天线所在位置为原点，根据原点和监视天线所在位置，确定基线向量

S3：计算基线向量

与WGS-84坐标系中xoy平面的夹角，并将该夹角作为

与正北方向的夹角；

S4：将夹角值反馈给转台，由信号处理单元控制电机旋转相应角度，使监测天线面垂直方向指向正北。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S1具体为：

S11：测定第一GPS天线和第二GPS天线之间的基线距离l；

S12：将第一GPS天线作为当地水平坐标系LLS的原点，计算出基线在LLS中的矢量坐标(x，y，z)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，S2具体为：

S21：将地心大地坐标系中的参考面，旋转椭球面的几何中心与WGS-84坐标系原点重合，旋转椭球面的短半轴与WGS-84坐标系的Z轴重合；

S22：以旋转椭球面的长半轴长为赤道横截面的平均半径，短半轴与地球极直径相对应,监视天线在地心大地坐标系中的参数参数为纬度B、经度L、高程H；

S23：纬度B为监视天线的椭球面法线与WGS-84坐标系xoy平面的夹角，自xoy面向WGS-84坐标系的Z轴方向量取正；

S24：经度L为WGS-84坐标系xoy面与监视天线和z轴构成平面的夹角，自xoz面起右旋为正；

S25：高程H为过监视天线的椭球面法线上自椭球面至监视天线的距离，以远离椭球面中心方向为正。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述S3具体为：

偏航角ψ为

在WGS-84坐标系中xoy平面上的投影与x轴的夹角，俯仰角θ为

与WGS-84坐标系中xoy平面上的夹角，偏航角和俯仰角的计算方法如下：

式中偏航角ψ的取值范围为0～360°，俯仰角θ的取值范围为-90～90°，偏航角为监视天线运动方向与正东方的夹角，航向角为监视天线运动方向与正北方的夹角，计算监视天线的航向角时，将偏航角的基准逆时针旋转90°，得到监视天线的航向角,其中Δx＝︱x︱；Δy＝︱y︱；Δz＝︱z︱。

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