CN111158036A - 一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置。利用放置在吊舱上的多个GPS天线得到吊舱上多点的位置变化信息，吊舱姿态解算中心实时解算吊舱平面的姿态信息，解算结果传送给接收机，接收机将飞机的GPS信息和吊舱姿态信息融合后通过无线传输单元将信息实时传输到地面基站，地面基站融合自身的GPS信息与空中接收机传输的信息解算吊舱相对基站的姿态与位置信息、吊舱相对飞机的姿态与位置信息和飞机相对基站的位置信息，测试结束后，地面基站将系统测试得到的电磁数据和已经存储并插值的姿态信息进行数据融合。本发明实现了在系统正常飞行测试时产生的复杂电磁环境下，地面人员对吊舱的姿态、吊舱与飞行平台之间的运动状态的实时解算与监控。

Description

一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置

技术领域

本发明属于时间域航空电磁探测领域，具体地而言为一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置。

背景技术

时间域航空电磁探测系统正常运行时将会产生强大的随时间变化的电磁场，为避免影响系统正常运行，吊舱姿态测量系统需要尽可能采用非金属材料并且远离接收线圈，测试过程尽可能不受强大的变化的电磁场的影响；此外在飞行过程中，由于飞行器飞行速度、吊舱悬吊绳的不均匀受力、大尺寸吊舱重力、风阻等因素，发射线圈骨架上任意点及其附近点可能会离开当前的吊舱平面一定距离，当GPS天线放置点离开吊舱平面一定高度时，测量得到的吊舱平面姿态数据准确度较低。

吊舱式时间域航空电磁探测系统的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置主要目的在于在复杂的电磁环境下，在地面实时监控吊舱的姿态变化、飞机相对吊舱的运动、运动平台相对地面基站的运动；此外，本发明可以通过和时间域航空电磁探测系统存储的电磁数据进行融合和进一步解算，获取吊舱姿态信息和接收到的电磁数据的相关性。

吊舱式时间域航空电磁探测系统一般每天飞行多个架次，每个架次一般需要90分钟以上，在飞行过程中会产生数据量极大的吊舱姿态信息，吊舱姿态实时检测、解算与监控系统需要合理的数据储存方式、较大的存储空间、较快的数据处理速度等。

EP29108961A1公开的一种《ANTENNA ATTITUDE MEASUREMENTSENSOR AND ANTENNAATTITUDE MEASUREMENT METHOD》、CN109466766A公开的《一种自转旋翼机及侦查系统》、CN105549060A公开的《基于机载光电吊舱位置和姿态的目标定位系统》、CN104977597A公开的《基于惯性导航的GPS测量系统》使用加速度计、陀螺仪和地磁传感器获取吊舱系统的姿态信息，通过GPS天线与GPS接收机获取吊舱的位置信息。该种方案主要使用加速度计获取倾斜角度、陀螺仪和地磁传感器测量GPS接收机在空间中的方位，进而解算出GPS接收机在空中的姿态数据。首先，该方案和本发明所采用的多GPS组合测量姿态信息从原理到方案均有较大差别；其次，本发明应用在移动平台悬挂的吊舱上，GPS天线所放置的发射线圈骨架上面的各点会因为各种原因无法在一个平面上，因此上述发明专利采用的单点测姿方案对于评价吊舱平面的姿态有较大的误差。

EP1154281A1公开的《Attitude determination method and system》和CN108873044A公开的《一种用GPS接收机测直升机螺旋桨相对机身姿态的方法》CN107807375A公开的《一种基于多GPS接收机的无人机姿态追踪方法及系统》使用了多个GPS天线测试具有固定结构的平面在三维空间中的运动状态，通过坐标转换的方式测试位于同一个平面上各点的姿态变化信息。上述发明专利中GPS天线均放置在由固定机械结构支撑的单一平面上，未考虑GPS天线放置点离开该平面带来误差的问题；其测试结果的获取涉及到坐标系的转换计算过程相对本发明中基于地面基站进行解算的方式而言更加复杂，且没有考虑地面人员对姿态信息的实时监控问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，针对复杂的电磁环境下，在地面实时监控吊舱的姿态变化、飞机相对吊舱的运动、运动平台相对地面基站的运动；此外，本发明可以通过和时间域航空电磁探测系统存储的电磁数据进行融合和进一步解算，获取吊舱姿态信息和接收到的电磁数据的相关性。

本发明是这样实现的：

一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，包括：在由装载时间域航空电磁探测仪器系统的直升机和吊舱构成的吊舱式时间域航空电磁探测系统中，吊舱包括吊舱承重绳、吊舱悬吊绳、吊舱水平拉绳、接收线圈、补偿线圈和发射线圈，其中吊舱水平拉绳、接收线圈、补偿线圈和发射线圈均在吊舱平面上；

吊舱上设置主GPS天线、至少两个从GPS天线通过姿态测量GPS天线连接线连接至吊舱姿态解算中心共同构成吊舱姿态实时测量单元，获取吊舱平面相对于主GPS天线的姿态变化，吊舱姿态解算中心将吊舱姿态数据通过通信线缆传输给飞机中的接收机；接收机将吊舱姿态信息和飞机的GPS信息通过数据融合后通过无线通信中心传输给地面基站；

地面基站在获取基站天线从飞行平台传回的姿态和位置信息的基础上，融合基站GPS天线通过基站GPS天线传回的基站GPS信息，通过空地信息融合、解算与显示单元实时解算与显示吊舱相对基站的位置和姿态变化情况、飞机相对基站的位置变化信息。

进一步地，将定位精度远小于待测吊舱尺寸且不受复杂且强烈的电磁场干扰的主GPS天线和从GPS天线放置在吊舱上具有最大尺寸的发射线圈骨架上。

进一步地，装置获取空地融合信息包括以下步骤：

A、在吊舱姿态解算中心中设置吊舱上一GPS天线为主GPS天线，通过解算多个天线相对于主GPS天线的位置变化，得到吊舱平面的姿态变化信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码；

B、根据吊舱式时间域航空电磁探测系统的基频，按照吊舱姿态解算中心预设的输出速率将主GPS天线的GPS信息、初步解算得到的两条及以上基线的姿态信息传递给飞机中的接收机；

C、接收机将飞机的GPS信息、吊舱主GPS天线传递的GPS信息、初步解算得到的两条及以上基线的姿态角信息并进行数据融合；

D、将融合后的数据经过数据初步校验后通过无线传输天线传输给地面基站；

E、地面基站将从基站天线接受到的数据结合地面GPS天线通过基站GPS天线连接线传输过来的基站GPS信息进行实时数据融合存储，并解算出吊舱相对基站的姿态变化情况、飞机的飞行轨迹、吊舱相对飞机的水平和垂直位移情况，并在地面基站实时显示；

F、待飞行结束后，根据吊舱主GPS、飞机GPS和基站GPS三者GPS所给出的UTC时间、经纬度和高度信息，首先将飞行过程中产生的电磁探测数据进行数据预处理，将地面基站存储的解算信息根据预处理的结果进行插值操作，最后将吊舱的姿态、飞行高度、飞机的轨迹信息与时间域航空电磁探测系统探测到的电磁数据融合与显示，得到吊舱姿态角变化、吊舱距离地面高度变化与电磁数据预处理结果的变化关系。

进一步地，在吊舱姿态实时测量单元进行姿态解算前确定步骤A中吊舱平面的方法包括：

A1、将主GPS天线放置在飞行方向垂直线与发射线圈骨架交点处，在此基础上将主GPS天线和从GPS天线均匀放置在吊舱平面上，在吊舱姿态解算中心中记录主GPS天线，并命名每一个从GPS天线；

A2、选择主GPS天线，并任意选择两个从GPS天线构成多组待选吊舱平面，将多组待选吊舱平面分别命名；

A3、解算各天线相对于主GPS天线的基线信息，从中选出距离所有基线距离和最短的平面作为吊舱平面；

A4、解算选中的吊舱平面的姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码。

进一步地，步骤B中，吊舱姿态解算中心姿态信息输出速率的确定方法包括以下步骤：

B1、选择飞行轨迹和飞行时长，根据飞行器飞行运动的复杂程度，粗略划分为复杂动作高速输出，简单动作低速输出两种输出模式；

B2、确定吊舱式时间域航空电磁探测系统的发射基频和发射波形，发射波形选择周期为25Hz、75Hz、125Hz、225Hz等25Hz的奇次谐波的双极性梯形波作为基本发射波形，会接收到周期分别为25Hz、75Hz、125Hz、225Hz的25Hz的奇次谐波的双极性电磁信号，相同的双极性电磁信号在后期会进行数据翻转，变为单极性50Hz、150Hz、250Hz、450Hz等50Hz的奇次谐波的电磁信号，每秒有50、150、250、450等50的奇数倍个测点；

B3、在确定基频后，选择输出频率为基频的公约数，确保插值点数为整数；

B4、综合步骤B1～B3，选择姿态解算中心的输出速率。

进一步地，贯穿整个空地信息获取过程A～F的装置中数据融合与解算具体过程包括：

C1、首先利用吊舱姿态解算中心初步解算吊舱的姿态信息，数据格式为：

<起始字符><主GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

C2、飞机上接收机接收从吊舱姿态解算中心解算的吊舱姿态信息，融合飞机自身的GPS信息，并解算飞机GPS和吊舱主GPS之间的姿态角，数据格式为：

<起始字符><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

C3、地面基站通过无线传输模块接收从飞机的接收机传出的信号，解算并存储基站和飞行平台相关的数据，数据格式为：

<起始字符><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

C4、飞行结束后，地面基站将飞行过程中获取的融合有接收机GPS信息、雷达高度信息的电磁探测数据经过数据预处理后，将电磁数据与解算并插值完成的GPS数据、姿态解算数据进行融合，并存储源数据；

C5、将融合后的数据按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准文件。

进一步地，在步骤C4中对吊舱姿态数据与吊舱式时间域航空电磁探测系统接收到的电磁数据进行数据融合，包括以下步骤：

F1、确定时间域航空电磁探测系统发射双极性周期性梯形波的基频，确定剖面曲线两点间的间隔，

F2、根据设置的吊舱姿态解算中心输出速率，结合周期性梯形波的基频和叠加方案，对最后融合的姿态数据进行线性插值，保证插值后的姿态数据和电磁数据时间间隔一致；

F3、融合吊舱姿态数据和抽道叠加后的电磁探测数据，最终融合后的数据格式为：

<起始字符><接收机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><非标准GPS信息数量><雷达高度信息><道数N><第一道数据><第二道数据>…<第N道数据><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

F4、将融合后的数据按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准的.txt文件，便于其他人进行后期的数据处理及相关操作。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明同时使用3个及以上GPS天线，均匀放置在吊舱上的多点，可以获取多组关于吊舱平面的姿态信息，通过组间基线信息的对比，尽可能的选出能与所有基线距离和最小的平面作为吊舱平面，解算其姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码，这种方法可以更加全面的评估吊舱上各点的运动状态、吊舱平面的运动情况、吊舱在三维空间中的运行状况。

本发明采用多级解算与多级融合的方式，保证了姿态数据的实时测量、解算与地面监控，为吊舱式时间域航空电磁探测系统的安全飞行提供了极其重要的辅助作用；额外的，姿态测量数据和系统探测的电磁数据进行融合，为吊舱式时间域航空电磁探测系统电磁数据提供及其重要的参考作用。

本发明采用了二进制格式进行数据的解算与存储，节约了各级处理站的空间，使计算和存储更加高效、准确；多级解算的方式极大的提高了解算的效率，为实时监控提供了有力的支撑；多级融合的技术将空地平台相关的定位时间信息、经纬度信息、高度信息和姿态信息等各种有用信息融合在一起，方便信息的存储与管理。本发明设计了一种配合GPS天线与发射线圈骨架安装的结构，保证在骨架转轴的情况下GPS天线的保护问题。

附图说明

图1吊舱式时间域航空电磁探测系统的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置的结构图；

图2为图1的组成框图；

图3为图1的工作流程图；

图4为GPS天线在吊舱上的固定结构图；

图5垂直飞行方向视角下四天线吊舱翻折情况三视图(a)主视图、(b)侧视图、(c)俯视图；

图6吊舱折叠情况下四天线放置图，(a)为OAC、(b)OAB、(c)OBC；

图7垂直飞行方向视角下五天线吊舱翻折情况三视图，(a)主视图、(b)侧视图、(c)俯视图；

图8吊舱折叠情况下五天线放置图(a)OAB、(b)OAC、(c)OAD、(d)OBC、(e)OBD、(f)OCD；

1.装载时间域航空电磁探测仪器系统的直升机，2.吊舱承重绳，3.吊舱悬吊绳，4.吊舱水平拉绳，5.接收线圈，6.补偿线圈，7.发射线圈，11.主GPS天线A，12.从GPS天线I，13.从GPS天线I，14.飞机定位GPS天线，15.基站GPS天线，21.姿态测量GPS天线连接线，22.基站GPS天线连接线，23.飞机GPS天线连接线，24.通信线缆，31.机载无线通信天线，32.基站天线，41.吊舱姿态解算中心，42.地面基站，43.移动平台接收机。

111.GPS天线，112.天线凹槽，113.固定孔，114.GPS天线经过孔，115.发射线圈骨架。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1和图3所示，吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，在由装载时间域航空电磁探测仪器系统的直升机1和吊舱(吊舱承重绳2、吊舱悬吊绳3、吊舱水平拉绳4、接收线圈5、补偿线圈6和发射线圈7构成的吊舱式时间域航空电磁探测系统中，吊舱水平拉绳4、接收线圈5、补偿线圈6和发射线圈7均在吊舱平面上。放置在吊舱上的主GPS天线11、从GPS天线12、从GPS天线13及根据需求添加的额外GPS天线、姿态测量GPS天线连接线21、吊舱姿态解算中心41共同构成吊舱姿态实时测量单元，获取吊舱相对于主GPS天线的姿态变化。吊舱姿态解算中心将吊舱姿态数据通过通信线缆24传输给飞机中的接收机；放置在飞机上的GPS天线14通过连接线23传输给接收机，接收机将吊舱姿态信息和飞机GPS定位信息通过数据融合后通过机载无线传输天线31传输给地面基站42。地面基站在获取基站天线32从飞行平台传回的姿态和位置信息的基础上，融合基站GPS天线15通过基站GPS天线连接线22传回的基站GPS信息，实时解算与显示吊舱相对基站的位置和姿态变化情况、飞机相对基站的位置变化信息。

装置获取空地融合信息包括以下顺序和步骤：

A、在吊舱姿态解算中心41中设置吊舱上GPS天线11为主天线，通过解算多个天线相对于主天线的位置变化，得到吊舱平面的姿态变化信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码；

B、根据吊舱式时间域航空电磁探测系统的基频，按照吊舱姿态解算中心预设的输出速率将主GPS天线的GPS信息、初步解算得到的两条及以上基线的姿态信息传递给飞行器中的接收机；

C、接收机将飞机的GPS信息、吊舱主GPS天线的GPS信息、初步解算得到的两条及以上基线的姿态角信息进行数据融合；

D、将融合后的数据经过数据初步校验后通过无线传输天线传输给地面基站；

E、地面基站将从基站天线32接受到的数据结合地面GPS天线15通过基站GPS天线连接线22传输过来的基站GPS信息进行实时数据融合存储，并解算出吊舱相对基站的姿态变化情况、飞机的飞行轨迹、吊舱相对飞机的水平和垂直位移情况，并在地面基站实时显示。

F、待飞行结束后，根据吊舱主GPS、飞机GPS和基站GPS三者GPS所给出的UTC时间、经纬度和高度信息，首先将飞行过程中产生的电磁探测数据进行数据预处理，将地面基站存储的解算信息根据预处理的结果进行插值操作，最后将吊舱的姿态、飞行高度、飞机的轨迹等信息与时间域航空电磁探测系统探测到的电磁数据融合与显示，得到吊舱姿态角变化、吊舱距离地面高度变化与电磁数据预处理结果的变化关系。

吊舱平面的确定方法，

A1、将主GPS天线放置在飞行方向垂直线与发射线圈骨架交点处，在此基础上将主从GPS天线均匀放置在吊舱平面上，在吊舱姿态解算中心中记录主GPS天线，并命名每一个从GPS天线；

A2、选择主GPS天线，并任意选择两个从GPS天线构成多组待选吊舱平面，将多组待选吊舱平面分别命名；

A3、解算各天线相对于主GPS天线的基线信息，从中选出距离所有基线距离和最短的平面作为吊舱平面；

A4、解算选中的吊舱平面的姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码。

这种方法可以更加全面的评估吊舱上各点的运动状态、吊舱平面的运动情况、吊舱在三维空间中的运行状况。

吊舱姿态解算中心姿态信息输出速率的确定方法，该方法主要分为以下步骤：

B1、选择飞行轨迹和飞行时长。一般正常飞行时单个架次时长90分钟，飞行时一般有急转、加速、爬升、悬停等动作，根据飞行器飞行运动的复杂程度，可以粗略划分为复杂动作高速输出，简单动作低速输出两种输出模式；

B2、确定吊舱式时间域航空电磁探测系统的发射基频和发射波形。发射波形选择周期为25Hz、75Hz、125Hz、225Hz等25Hz的奇次谐波的双极性梯形波作为基本发射波形，会接收到周期分别为25Hz、75Hz、125Hz、225Hz等25Hz的奇次谐波的双极性电磁信号，相同的双极性电磁信号在后期会进行数据翻转，变为单极性50Hz、150Hz、250Hz、450Hz等50Hz的奇次谐波的电磁信号，每秒有50、150、250、450等50的奇数倍个测点；

B3、一般的姿态解算中心输出速率最高可以达到20Hz及以下的频率，在确定基频后，选择输出频率为基频的公约数,确保插值点数为整数，如周期25Hz基频的双极性发射波形，电磁信号为单极性50Hz，姿态解算中心输出频率可以为5Hz,10Hz；如75Hz基频，姿态解算中心输出频率为5Hz,10Hz,15Hz；如125Hz基频，姿态解算中心输出频率为5Hz；如225Hz基频，姿态解算中心输出频率为5Hz,10Hz,15Hz；以此类推得到25Hz奇次谐波的双极性波发射下姿态解算中心输出频率；

B4、综合步骤B1～B3，选择合适的姿态解算中心的输出速率。

穿整个空地信息获取过程A～F的装置中数据融合与解算具体过程包括：

C1、首先利用吊舱姿态解算中心初步解算吊舱的姿态信息，数据格式为：

<起始字符><主GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

C2、飞机上接收机接收从吊舱姿态解算中心解算的吊舱姿态信息，融合飞机自身的GPS信息，并解算飞机GPS和吊舱主GPS之间的姿态角，数据格式为：

<起始字符><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

C3、基站通过无线传输模块接收从飞机的接收机传出的信号，解算并存储基站和飞行平台相关的数据，数据格式为：

<起始字符><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

C4、飞行结束后，基站将飞行过程中获取的融合有接收机GPS信息、雷达高度信息的电磁探测数据经过数据预处理后，将电磁数据与解算并插值完成的GPS数据、姿态解算数据进行融合，并存储源数据；

C5、将融合后的数据按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准的.txt文件，便于其他人进行后期的数据处理及相关操作。

利用多级解算技术，将吊舱的姿态解算分级进行，极大的提高了解算的效率；多级融合技术，将空地平台相关的定位时间信息、经纬度信息、高度信息和姿态信息等各种有用信息融合在一起，方便信息的存储与管理，数据在地面站进行存储的方式极大的节约了空中系统的存储空间，为系统的长时间稳定运行提供宝贵的数据空间。

使用二进制格式进行吊舱姿态、飞机GPS、地面GPS信息的数据解算与数据融合，二进制格式在存储方面节约空间、参与计算时更加快捷而且不会造成有效位的丢失。

吊舱姿态数据与吊舱式时间域航空电磁探测系统接收到的电磁数据的融合。数据融合由以下步骤构成：

F1、确定时间域航空电磁探测系统发射双极性周期性梯形波的基频，确定剖面曲线两点间的间隔，例如双极性梯形波基频为25Hz,翻转后，电磁数据周期为50Hz,在抽道处理时，两个点之间间隔为20ms；

F2、根据设置的吊舱姿态解算中心输出速率，结合周期性梯形波的基频和叠加方案，对最后融合的姿态数据进行线性插值，保证插值后的姿态数据和电磁数据时间间隔一致；

F3、融合吊舱姿态数据和抽道叠加后的电磁探测数据，最终融合后的数据格式为：

<起始字符><接收机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><非标准GPS信息数量><雷达高度信息><道数N><第一道数据><第二道数据>…<第N道数据><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

F4、将融合后的数据按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准的.txt文件，便于其他人进行后期的数据处理及相关操作。

实施例1

飞行系统通过飞机发动机经过保险、开关等必要的保险器件后给予移动平台上的接收机43供电，通过多芯通信线缆24给吊舱姿态解算中心41供电，地面站通过市电、发电机等进行供电。

吊舱上安装有一个主GPS天线加两个从GPS天线(12、13)，天线安装图如图4所示，固定支架采用木质材料制作，GPS天线111安装在固定支架的凹槽112上，GPS天线连接线通过连接线通孔114与GPS天线相连，固定支架通过固定孔113和GPS天线经过孔114与发射线圈骨架115相连，三个GPS天线均通过上述固定支架与发射线圈骨架固定连接后，三个天线唯一确定了一个吊舱平面。

吊舱姿态解算中心41采用一个三通道GPS接收机和一个解算控制器组合进行三个GPS天线的组合解算姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码，编码格式为:

<起始字符><主GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

吊舱姿态解算中心将编码后的信息通过通信线缆24按照设置的输出频率传输给飞机上的接收机43，接收机将放置在飞机上的.飞机定位GPS天线14通过飞机GPS天线连接线23传输过来的GPS信息、吊舱主GPS天线的GPS信息、初步解算得到的两条吊舱上基线的姿态角信息进行数据融合，并解算飞机GPS和吊舱主GPS之间的姿态角，数据格式为：

<起始字符><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

移动平台上的接收机43将融合后的数据进行数据完整性校验，并将校验通过后的数据通过机载无线传输天线31传输给地面基站，主要校验内容为：飞机GPS信息完整性、姿态角信息完整性、主GPS信息完整性，基线数量，姿态角数量。

地面基站将从基站天线32接受到的数据结合地面的基站GPS天线15通过基站GPS天线连接线22传输过来的基站GPS信息进行实时数据融合、解算并存储吊舱相对基站的姿态变化情况、飞机的飞行轨迹、吊舱相对飞机的水平和垂直位移情况，并在地面基站实时显示。储存的数据格式为：

<起始字符><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

待飞行结束后，根据GPS提供的时间和位置信息，首先将飞行过程中产生的电磁探测数据进行数据预处理，将地面基站存储的解算信息进行根据预处理的结果和姿态数据的输出速率进行插值操作，最后将吊舱的姿态、飞行高度、飞机的轨迹等信息与时间域航空电磁探测系统探测到的电磁数据融合、存储与显示，得到吊舱姿态角变化、吊舱距离地面高度变化与电磁数据预处理结果的变化关系。

存储的数据格式为：

<起始字符><接收机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><非标准GPS信息数量><雷达高度信息><道数N><第一道数据><第二道数据>…<第N道数据><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>

将文件按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准的.txt文件，便于其他人进行后期的数据处理及相关操作。

将存储的数据进行成图，并添加相关的备注信息。

最后，将数据存档，并添加处理流程、系统使用说明与备注等信息，完成实验飞行测试。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，使用了一个主GPS天线和三个从GPS天线，在利用吊舱姿态解算中心进行吊舱姿态解算之前，首先需要通过不构成平面上GPS天线到平面的确定吊舱平面：

参见图5所示，吊舱上安装有一个主GPS天线11命名为O，三个从GPS天线，分别命名为A、B、C，四个天线在圆形发射线圈骨架上均匀分布。

参见图6所示，四个GPS天线均通过上述图4所述的固定支架与发射线圈骨架固定连接后，以主GPS天线为顶点，共有OAC(图6a)、OAB(图6b)、OBC(图6c)三个平面，选择不在该平面上天线距离该平面最短的平面作为吊舱平面。例如，B点距离平面OAC距离BB’为Hb,C点距离平面OAB距离CC’为Hc，,A点距离平面OBC距离AA’为Ha，由于Hc<Hb<Ha，则选择平面OAB作为吊舱平面。

吊舱姿态解算中心41采用一个四通道GPS接收机一个解算控制器组合进行四个GPS天线的组合解算姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码，实施例3

与实施例1和实施例2的不同之处在于，需要通过计算不在平面上的两个天线到该平面距离之和最短的平面作为吊舱平面

参见图7，吊舱上安装有一个主GPS天线(11)命名为O，四个辅助的从GPS天线，分别命名为A、B、C、D，五个天线在圆形发射线圈骨架上均匀分布。

参见图8，四个GPS天线均通过上述图4固定支架与发射线圈骨架固定连接后，以主GPS天线为顶点，共有OAB(a)、OAC(b)、OAD(c)、OBC(d)、OBD(e)、OCD(f)六个平面，选择不在该平面上另外两个天线到该平面距离之和到该平面最短的平面作为吊舱平面。例如，

C点D点距离OAB的距离之和CC’+DD’为Hcd，B点D点距离OAC的距离之和BB’+DD’为Hbd，B点C点距离OAD的距离之和BB’+CC’为Hbc，A点D点距离OBC的距离之和AA’+DD’为Had，A点C点距离OBD的距离之和AA’+CC’为Hac，A点B点距离OCD的距离之和AA’+BB’为Hab，Hcd<Hbd<Hbc<Had<Hac<Hab，则选择OAB平面作为吊舱平面。

吊舱姿态解算中心41采用一个五通道GPS接收机和一个解算控制器组合进行五个GPS天线的组合解算姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，包括：在由装载时间域航空电磁探测仪器系统的直升机和吊舱构成的吊舱式时间域航空电磁探测系统中，吊舱包括吊舱承重绳、吊舱悬吊绳、吊舱水平拉绳、接收线圈、补偿线圈和发射线圈，其中吊舱水平拉绳、接收线圈、补偿线圈和发射线圈均在吊舱平面上；

吊舱上设置主GPS天线、至少两个从GPS天线通过姿态测量GPS天线连接线连接至吊舱姿态解算中心共同构成吊舱姿态实时测量单元，获取吊舱平面相对于主GPS天线的姿态变化，吊舱姿态解算中心将吊舱姿态数据通过通信线缆传输给飞机中的接收机；接收机将吊舱姿态信息和飞机的GPS信息通过数据融合后通过无线通信中心传输给地面基站；

地面基站在获取基站天线从飞行平台传回的姿态和位置信息的基础上，融合基站GPS天线通过基站GPS天线传回的基站GPS信息，通过空地信息融合、解算与显示单元实时解算与显示吊舱相对基站的位置和姿态变化情况、飞机相对基站的位置变化信息。

2.按照权利要求1所述的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，将定位精度远小于待测吊舱尺寸且不受复杂且强烈的电磁场干扰的主GPS天线和从GPS天线放置在吊舱上具有最大尺寸的发射线圈骨架上。

3.按照权利要求1所述的一种吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，装置获取空地融合信息包括以下步骤：

A、在吊舱姿态解算中心中设置吊舱上一GPS天线为主GPS天线，通过解算多个天线相对于主GPS天线的位置变化，得到吊舱平面的姿态变化信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码；

B、根据吊舱式时间域航空电磁探测系统的基频，按照吊舱姿态解算中心预设的输出速率将主GPS天线的GPS信息、初步解算得到的两条及以上基线的姿态信息传递给飞机中的接收机；

C、接收机将飞机的GPS信息、吊舱主GPS天线传递的GPS信息、初步解算得到的两条及以上基线的姿态角信息并进行数据融合；

D、将融合后的数据经过数据初步校验后通过无线传输天线传输给地面基站；

E、地面基站将从基站天线接受到的数据结合地面GPS天线通过基站GPS天线连接线传输过来的基站GPS信息进行实时数据融合存储，并解算出吊舱相对基站的姿态变化情况、飞机的飞行轨迹、吊舱相对飞机的水平和垂直位移情况，并在地面基站实时显示；

F、待飞行结束后，根据吊舱主GPS、飞机GPS和基站GPS三者GPS所给出的UTC时间、经纬度和高度信息，首先将飞行过程中产生的电磁探测数据进行数据预处理，将地面基站存储的解算信息根据预处理的结果进行插值操作，最后将吊舱的姿态、飞行高度、飞机的轨迹信息与时间域航空电磁探测系统探测到的电磁数据融合与显示，得到吊舱姿态角变化、吊舱距离地面高度变化与电磁数据预处理结果的变化关系。

4.按照权利要3所述的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，在吊舱姿态实时测量单元进行姿态解算前确定步骤A中吊舱平面的方法包括：

A1、将主GPS天线放置在飞行方向垂直线与发射线圈骨架交点处，在此基础上将主GPS天线和从GPS天线均匀放置在吊舱平面上，在吊舱姿态解算中心中记录主GPS天线，并命名每一个从GPS天线；

A2、选择主GPS天线，并任意选择两个从GPS天线构成多组待选吊舱平面，将多组待选吊舱平面分别命名；

A3、解算各天线相对于主GPS天线的基线信息，从中选出距离所有基线距离和最短的平面作为吊舱平面；

A4、解算选中的吊舱平面的姿态信息，并将姿态信息按照二进制格式进行编码。

5.按照权利要求3所述的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，步骤B中，吊舱姿态解算中心姿态信息输出速率的确定方法包括以下步骤：

B1、选择飞行轨迹和飞行时长，根据飞行器飞行运动的复杂程度，粗略划分为复杂动作高速输出，简单动作低速输出两种输出模式；

B2、确定吊舱式时间域航空电磁探测系统的发射基频和发射波形，发射波形选择周期为25Hz、75Hz、125Hz、225Hz等25Hz的奇次谐波的双极性梯形波作为基本发射波形，会接收到周期分别为25Hz、75Hz、125Hz、225Hz……n，n为25Hz的奇次谐波的双极性电磁信号，相同的双极性电磁信号在后期会进行数据翻转，变为单极性50Hz、150Hz、250Hz、450Hz等50Hz的奇次谐波的电磁信号，每秒有50、150、250、450……N，N为50的奇数倍个测点；

B3、在确定基频后，选择输出频率为基频的公约数，确保插值点数为整数；

B4、综合步骤B1～B3，选择姿态解算中心的输出速率。

6.按照权利要求3所述的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，贯穿整个空地信息获取过程A～F的装置中数据融合与解算具体过程包括：

C1、首先利用吊舱姿态解算中心初步解算吊舱的姿态信息，数据格式为：

<起始字符><主GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

C2、飞机上接收机接收从吊舱姿态解算中心解算的吊舱姿态信息，融合飞机自身的GPS信息，并解算飞机GPS和吊舱主GPS之间的姿态角，数据格式为：

<起始字符><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

C3、地面基站通过无线传输模块接收从飞机的接收机传出的信号，解算并存储基站和飞行平台相关的数据，数据格式为：

<起始字符><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

C4、飞行结束后，地面基站将飞行过程中获取的融合有接收机GPS信息、雷达高度信息的电磁探测数据经过数据预处理后，将电磁数据与解算并插值完成的GPS数据、姿态解算数据进行融合，并存储源数据；

C5、将融合后的数据按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准文件。

7.按照权利要求6所述的吊舱姿态实时测量、解算与监控装置，其特征在于，在步骤C4中对吊舱姿态数据与吊舱式时间域航空电磁探测系统接收到的电磁数据进行数据融合，包括以下步骤：

F1、确定时间域航空电磁探测系统发射双极性周期性梯形波的基频，确定剖面曲线两点间的间隔，

F2、根据设置的吊舱姿态解算中心输出速率，结合周期性梯形波的基频和叠加方案，对最后融合的姿态数据进行线性插值，保证插值后的姿态数据和电磁数据时间间隔一致；

F3、融合吊舱姿态数据和抽道叠加后的电磁探测数据，最终融合后的数据格式为：

<起始字符><接收机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><非标准GPS信息数量><雷达高度信息><道数N><第一道数据><第二道数据>…<第N道数据><基站GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><空地姿态角数量><基站与飞机姿态角><基站与吊舱主GPS之间姿态角><飞机GPS的定位时间、经纬度、高度和可用卫星数><姿态角数量><飞机GPS和吊舱主GPS的姿态角><主GPS的经纬度><基线数量N><基线1的姿态角><基线2的姿态角>…<基线N的姿态角><结束字符>；

F4、将融合后的数据按照类别不同以列的方式存储，并转化为标准的.txt文件，便于其他人进行后期的数据处理及相关操作。

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