CN111157020B - 一种基于dem数据修正导航系统导航高程的方法 - Google Patents

一种基于dem数据修正导航系统导航高程的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，涉及导航控制技术领域，包括：装订矩形测高区域的DEM数据；建立关联于测高时刻的弹下点的测量坐标系，并基于DEM数据建立关联于测量坐标系的查询坐标系；导弹的雷达导引头输出导弹在测高时刻的测高数据，根据导航系统的导航位置处理得到导弹在测高坐标系下的第一测高坐标值；根据第一测高坐标值处理得到测高地面点在测高坐标系下的第二测高坐标值；根据弹下点的位置数据和测高地面点的第二测高坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系下的查询坐标值，根据查询坐标值查询DEM数据得到大地高程，对雷达导引头的导航高程进行修正。本发明的有益效果：能够快速简单的使用DEM数据修正雷达导引头测高。

Description

一种基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法
技术领域
本发明涉及导航控制术领域，尤其涉及一种基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法。
背景技术
测高时刻在垂直方向上，导弹在大地水准面上的投影点为弹下点。导弹的雷达导引头在测高时刻射一测量波束，测量波束与当地水准面之间具有一夹角θ，该测试波束与地球表面的交点即为地面测高点。实际操作的过程中，导弹导航系统的导航高度是绝对高度，是把地球当做旋转椭球体(旋转椭球体是以大地水准面建立的地球模型)计算得到的导弹高度，为相对于大地水准面的高程，即导弹绝对高程。而雷达导引头测高数据是测量的导弹相对高程，与地面的地表起伏有关系，导航系统的导航高度与导引头测高数据这两者差了一个地面测高点的大地高程，大地高程为地面测高点相对于大地水准面的高度。
装配有具有测高功能的雷达导引头的导弹，在飞行至测高区域附近时进行测高，通过雷达导引头的测高数据，可以修正导弹高度方向的导航误差，从而提高导航的精度。具体的，需要获取地面测高点的大地高程，对导引头的测高数据进行补偿修正，得到测量时刻的绝对高程，才能对导航的误差进行修正。
数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据的数据格式是用网格模式，每一个网格代表一个矩形区域，采用经度、纬度、以及高程对该网格进行描述，经纬度表示该网格中心的位置，高程表示该网格对应的高程信息。
在使用DEM数据过程中，装订一块测高区域的DEM数据，由若干个网格组成，每一个网格均由经度、纬度、以及高程进行表示。在导航得到弹下点在地理坐标系下的经纬度信息时，无法直接采用插值的方式对DEM数据进行查询，不便于得到测高地面点的大地高程，进而难以对导航高程进行修正。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开一种基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，能够快速简单的使用DEM数据修正导航系统的导航高程的方法。
一种基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、装订矩形测高区域的DEM数据；
步骤S2、导弹飞行到矩形测高区域后，建立关联于测高时刻的弹下点的测量坐标系，并基于DEM数据建立关联于测量坐标系的查询坐标系；
步骤S3、导弹的雷达导引头输出导弹在测高时刻的测高数据，导弹的导航系统输出导弹在测高时刻的导航位置，根据导航位置处理得到导弹在测高坐标系下的第一测高坐标值；
步骤S4、根据第一测高坐标值处理得到测高地面点在测高坐标系下的第二测高坐标值；
步骤S5、导弹的导航系统输出导弹在测高时刻的弹下点的位置数据，根据弹下点的位置数据和测高地面点的第二测高坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系下的查询坐标值，根据查询坐标值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程；
步骤S6、根据测高数据和大地高程对导弹的导航系统的导航高程进行修正。
优选的，步骤S1中，通过获取矩形测高区域的地图高程信息，并装订地图高程信息得到DEM数据。
优选的，步骤S1中，DEM数据包括将矩形测高区域划分为多个矩形小网格时，每个矩形小网格对应的网格高程信息和矩形小网格的中心点的网格经纬度信息。
优选的，步骤S2中，以矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点为原点、以北向为X轴、以及以东向为Y轴建立查询坐标系。
优选的，步骤S2中，以弹下点为原点、以导弹实时速度方向在大地水准面的投影为X轴、以弹下点垂直指向天向为Y轴、以及根据右手螺旋定则将手指指向为Z轴建立测高坐标系。
优选的，步骤S4中，通过下述公式处理得到第二测高坐标值：
Figure BDA0002358505520000031
其中，
XD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的X轴分量；
YD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的Y轴分量；
ZD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的Z轴分量；
XM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的X轴分量；
YM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的Y轴分量；
ZM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的Z轴分量；
Hcg用于表示测高数据；
θ用于表示测高波束与大地水准面的夹角。
优选的，步骤S5中，根据位置数据和测高地面点的第二测高坐标值先处理得到测高地面点在地心固联坐标系的地心坐标值后，再将地心坐标值转换为查询坐标系下的查询坐标值。
优选的，所述步骤S5中，通过下述公式将第二测高坐标值转换为地心坐标值：
Figure BDA0002358505520000041
其中，
XD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的X轴分量；
YD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的Y轴分量；
ZD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的Z轴分量；
Acg2dx用于表示测高坐标系到地心固联坐标系的转换矩阵；
XM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的X轴分量；
YM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的Y轴分量；
ZM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的Z轴分量。
优选的，所述步骤S5中，通过下述公式将地心坐标值转换为查询坐标值：
Figure BDA0002358505520000051
其中，
XD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的X轴分量；
YD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的Y轴分量；
ZD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的Z轴分量；
Xcdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的X轴分量；
Ycdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的Y轴分量；
Zcdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的Z轴分量。
优选的，所述步骤S5中，根据查询坐标值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程时，首先根据查询坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系中的像素坐标，然后根据像素坐标插值得到测高地面点的大地高程，测量时刻导弹的绝对高程可通过测高数据和大地高程处理得到。
本发明的有益效果：根据雷达导引头测高时刻输出的导弹的测高数据处理得到测高地面点在测高坐标系下的第二测高坐标值，根据导引头测高时刻输出的弹下点的位置数据和测高地面点的第二测高坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系下的查询坐标值。
根据查询坐标值直接插值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程，便于使用，由于导弹的理论高程可由测高数据和地面测高点的大地高程处理得到利用导航理论高程能够对导航实际高程进行修正。
附图说明
图1为测高坐标系示意图；
图2为装订DEM格式示意图；
图3为查询坐标系示意图；
图4为本发明实施例中，基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法的流程图。
图中，附图标记的含义如下：
M-导弹；M0-弹下点；D-测高地面点。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
如图1-4所示，导航(图1中的M点为导弹)系统的导航高程是绝对高度，是把地球当做旋转椭球体计算得到的高度。而雷达导引头导引头测高数据是测量的大地高程为相对高程，与地面的地表起伏有关系，为导弹相对位于地面的测高地面点的高度。导航高程和这两者差了一个测高地面点(图1中的D点为测高地面点)的大地高程。如何快速方便的查找获取测高地面点的大地高程对于后续修正导航结果具有重要意义。
本发明中基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法包括如下步骤：
步骤S1、装订矩形测高区域的DEM数据。
步骤S2、导弹飞行到矩形测高区域后，建立关联于测高时刻的弹下点(图1中的M0点为导弹)的测量坐标系，并基于DEM数据建立关联于测量坐标系的查询坐标系。
步骤S3、导弹的雷达导引头输出导弹在测高时刻的测高数据，导弹的导航系统输出导弹在测高时刻的导航位置，根据导航位置处理得到导弹在测高坐标系下的第一测高坐标值。具体的，导航系统输出三个方向的位置，水平方向两个位置和高度方向位置，这里主要是用水平方向位置信息处理得到第一测高坐标值。
步骤S4、根据第一测高坐标值处理得到测高地面点在测高坐标系下的第二测高坐标值。
步骤S5、导弹的雷达导引头输出测高时刻的弹下点的位置数据，根据弹下点的位置数据和测高地面点的第二测高坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系下的查询坐标值，根据查询坐标值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程。由于矩形测高区域DEM数据为二维差值表，根据测高时的测高地面点在查询坐标系下的水平面的坐标，插值即可得到该测高地面点的大地高程。
步骤S6、根据测高数据和大地高程对导弹的导航系统的导航高程进行修正。依据地理高程信息，对雷达导引头测高数据进行修正，得到该时刻弹体的海拔高(即理论导航高程)，从而可以对高度方向的导航结果(实际导航高程)进行修正，提高高度方向的导航精度。
本发明根据雷达导引头测高时刻输出的导弹的测高数据处理得到测高地面点在测高坐标系下的第二测高坐标值，根据导引头测高时刻输出的弹下点的位置数据和测高地面点的第二测高坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系下的查询坐标值。根据查询坐标值直接插值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程，便于使用，由于导弹的测高数据和测高地面点的大地高程的和为导航理论高程，本发明有利于后期利用导航理论高程对导航实际高程进行修正。
较佳的实施例中，步骤S1中，通过获取矩形测高区域的地图高程信息，并装订地图高程信息得到DEM数据。DEM数据包括将矩形测高区域划分为多个矩形小网格时，每个矩形小网格对应的网格高程信息和矩形小网格的中心点的网格经纬度信息。
具体的，DEM数据的装订的格式定义(包括装订的DEM数据格式选择与处理)为装订一块矩形区域的数据，假如装入5km×5km的地图高程信息，每个矩形小网格分辨率为25m×25m，则该地图高程信息为200×200个矩形小网格，我们只需要装入该矩形小网格的高程信息即可，即200×200个高程信息，同时，将该矩形小网格中心点的经纬度信息装入，该矩形小网格的所有信息就可以完整表达，不需要所有点的经纬度信息。
较佳的实施例中，步骤S2中，以矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点为原点、以北向为X轴、以及以东向为Y轴建立查询坐标系。
具体的，以装订的DEM数据中心为原点，如第m0行，n0列个矩形小网格的中心为原点，该矩形小网格中心点的经纬度(Bc0、Lc0)已知，X方向指向北向，Y方向指向东向，从而建立查询坐标系。具体应用时，也可选择其他矩形小网格中心点作为查询坐标系的坐标原点，选择其他方向为查询坐标系的X轴和Y轴，需要保证通过查询坐标系能够查找到具体位置的高程信息。
较佳的实施例中，步骤S2中，以弹下点为原点、以导弹实时速度方向在大地水准面的投影为X轴、以弹下点垂直指向天空方向为Y轴、以及根据右手螺旋定则将手指指向为Z轴建立测高坐标系。
具体的，在测量时刻以弹下点在地球参考椭球平面的投影为原点，Y轴指向天向，X轴指向速度在水平面的投影方向，Z轴符合右手螺旋定则，从而建立测高坐标系。具体应用时，也可选择地球参考椭球平面的其他点建立测高坐标系，需要保证测高坐标系和查询坐标系具有对应关系。
较佳的实施例中，步骤S4中，通过下述公式(1)处理得到第二测高坐标值：
Figure BDA0002358505520000091
其中，XD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的X轴分量，YD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的Y轴分量，ZD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的Z轴分量，XM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的X轴分量，YM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的Y轴分量，ZM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的Z轴分量，Hcg用于表示测高数据，θ用于表示测高波束与大地水准面的夹角。
较佳的实施例中，步骤S5中，根据位置数据和测高地面点的第二测高坐标值先处理得到测高地面点在地心固联坐标系的地心坐标值后，再将地心坐标值转换为查询坐标系下的查询坐标值。
通过下述公式(2)将第二测高坐标值转换为地心坐标值：
Figure BDA0002358505520000092
其中，XD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的X轴分量，YD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的Y轴分量，ZD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的Z轴分量，Acg2dx用于表示测高坐标系到地心固联坐标系的转换矩阵，XM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的X轴分量，YM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的Y轴分量，ZM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的Z轴分量。
通过下述公式(3)将地心坐标值转换为查询坐标值：
Figure BDA0002358505520000101
其中，XD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的X轴分量，YD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的Y轴分量，ZD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的Z轴分量，Xcdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的X轴分量，Ycdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的Y轴分量，Zcdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的Z轴分量。
较佳的实施例中，所述步骤S5中，根据查询坐标值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程时，首先根据查询坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系中的像素坐标，然后根据像素坐标插值得到测高地面点的大地高程，测高地面点的绝对高程为测高数据和大地高程的和。
具体的，通过查询坐标系下的坐标查询地面点D的高程信息，通过下述公式(4)、(5)计算测高点在查询坐标系中的像素坐标：
m＝m0–XD_map/λ (4)
n＝n0+ZD_map/λ (5)
式中λ用于表示DEM数据每个矩形小网格的尺寸，根据计算出的行列m、n插值得到测高点的大地高程Hmgi。
较佳的实施例中，将测高信息修正得到绝对高度时，导弹位置M对应的经度、纬度为Li、Bi通过导航系统可得到，测高地面点的经纬度为Bcg、Lcg，可由地面测高点在地心坐标系下的坐标计算得到。
具体的：
R＝6378137，
λ＝1/298.257，
εi＝tg-1[(1-λ)2tgBi]，
Figure BDA0002358505520000111
εcg＝tg-1[(1-λ)2tgBcg]，
Figure BDA0002358505520000112
δΦ＝αcos(cos(εi)·cos(Li)·cos(εcg)·cos(Lcg)+cos(εi)·sin(Li)·cos(εcg)·sin(Lcg)+sin(εi)·sin(εcg))。
则此时刻导弹对应的海拔高(即理论导航高程)为Hd＝(Rcg+Hmgi)*cos(δΦ)+Hcg-Ri。
式中R为地球椭球模型半长轴，λ为地球扁率，εi为导弹位置对应的地心纬度，Ri导弹位置对应的地心纬度的地心半径，εcg为地面测高点位置对应的地心纬度，Rcg为地面测高点位置对应的地心纬度的地心半径，δΦ为导弹和地面测高点的纬度差。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (10)

1.一种基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、装订矩形测高区域的DEM数据；
步骤S2、导弹飞行到矩形测高区域后，建立关联于测高时刻的弹下点的测量坐标系，并基于DEM数据建立关联于测量坐标系的查询坐标系；
步骤S3、导弹的雷达导引头输出导弹在测高时刻的测高数据，导弹的导航系统输出导弹在测高时刻的导航位置，根据导航位置处理得到导弹在测高坐标系下的第一测高坐标值；
步骤S4、根据第一测高坐标值处理得到测高地面点在测高坐标系下的第二测高坐标值；
步骤S5、导弹的导航系统输出导弹在测高时刻的弹下点的位置数据，根据弹下点的位置数据和测高地面点的第二测高坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系下的查询坐标值，根据查询坐标值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程；
步骤S6、根据测高数据和大地高程对导弹的导航系统的导航高程进行修正。
2.根据权利要求1的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，步骤S1中，通过获取矩形测高区域的地图高程信息，并装订地图高程信息得到DEM数据。
3.根据权利要求2的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，步骤S1中，DEM数据包括将矩形测高区域划分为多个矩形小网格时，每个矩形小网格对应的网格高程信息和矩形小网格的中心点的网格经纬度信息。
4.根据权利要求3的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，步骤S2中，以矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点为原点、以北向为X轴、以及以东向为Y轴建立查询坐标系。
5.根据权利要求4的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，步骤S2中，以弹下点为原点、以导弹实时速度方向在大地水准面的投影为X轴、以弹下点垂直指向天向为Y轴、以及根据右手螺旋定则将手指指向为Z轴建立测高坐标系。
6.根据权利要求5的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，步骤S4中，通过下述公式处理得到第二测高坐标值：
Figure FDA0002358505510000021
其中，
XD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的X轴分量；
YD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的Y轴分量；
ZD_cg用于表示测高地面点在测高坐标系下的Z轴分量；
XM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的X轴分量；
YM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的Y轴分量；
ZM_cg用于表示第一测高坐标值中包含的导弹在测高坐标系下的Z轴分量；
Hcg用于表示测高数据；
θ用于表示测高波束与大地水准面的夹角。
7.根据权利要求6的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，步骤S5中，根据位置数据和测高地面点的第二测高坐标值先处理得到测高地面点在地心固联坐标系的地心坐标值后，再将地心坐标值转换为查询坐标系下的查询坐标值。
8.根据权利要求7的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，所述步骤S5中，通过下述公式将第二测高坐标值转换为地心坐标值：
Figure FDA0002358505510000031
其中，
XD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的X轴分量；
YD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的Y轴分量；
ZD_dx用于表示测高地面点在地心固联坐标系下的Z轴分量；
Acg2dx用于表示测高坐标系到地心固联坐标系的转换矩阵；
XM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的X轴分量；
YM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的Y轴分量；
ZM0_dx用于表示位置数据中包括的弹下点在地心固联坐标系下的Z轴分量。
9.根据权利要求8的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，所述步骤S5中，通过下述公式将地心坐标值转换为查询坐标值：
Figure FDA0002358505510000041
其中，
XD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的X轴分量；
YD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的Y轴分量；
ZD_map用于表示测高地面点在查询坐标系下的Z轴分量；
Xcdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的X轴分量；
Ycdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的Y轴分量；
Zcdx0用于表示矩形测高区域中位于预设位置的矩形小网格的中心点在地心固联坐标系下的Z轴分量。
10.根据权利要求9的基于DEM数据修正导航系统导航高程的方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据查询坐标值查询DEM数据得到测高地面点的大地高程时，首先根据查询坐标值处理得到测高地面点在查询坐标系中的像素坐标，然后根据像素坐标插值得到测高地面点的大地高程，测量时刻导弹的绝对高程可通过测高数据和大地高程处理得到。
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