CN111221013A - 一种可变基线双天线定向系统及其使用方法 - Google Patents

一种可变基线双天线定向系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变基线双天线定向系统及其使用方法，包括激光指示器和移动定位端，激光指示器包括激光测距器、GNSS主天线、姿态传感器、双天线定向板卡、方位角传感器和俯仰角传感器，移动定位端包括激光瞄准点和GNSS辅天线；GNSS辅天线通过射频线缆与双天线定位测向板卡连接；激光测距器用于测量激光瞄准点的位置和距离；方位角传感器和俯仰角传感器分别用于测量激光测距器的指向方位角和俯仰角，姿态传感器用于测量激光指示器的横滚角和纵倾角；本发明的实现硬件简单、成本低、稳定性好。

Description

一种可变基线双天线定向系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及卫星定位领域，具体涉及一种可变基线双天线定向系统及其使用方法。
背景技术
目前，常用的定向方法有地磁定向、天文定向、惯性定向、卫星定向等。地磁定向通过感知地磁场强实现定向，成本低、结构简单、体积小，但易受外部磁场干扰，稳定性差，且定向精度低，不能用于高精度定向。天文定向通过测量恒星位置，确定观测点的真北方向，该方法受气候和时间影响，无法实现全天候全天时定向。惯性定向方法通过高精度陀螺感知地球自转角度，确定真北方向，定向精度高，但定向时间长、价格昂贵、系统体积大。卫星定向基于卫星载波相位信号差分测量原理，通过两个卫星天线，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向，推算出真北方位，该方法可以快速定向，成本低，因此得到了广泛应用，但卫星定向精度与卫星天线之间的基线长度有关，并且要求两个卫星天线相对位置可靠固定，实际使用中受限于基线长度的制约，定向精度低，要求外形尺寸大，应用受到限制。
目前，对于双天线定向方法及系统，现状如下：
2015年3月4日公开的中国专利申请CN104391304“一种车载武器快速高精度定向方法”公开了一种车载武器快速高精度定向方法，通过将2个北斗定向用户机安装在车载武器航向中轴线两端，保证了天线的基线长度，提高了定向精度，但该方法定向精度容易受武器系统形变影响，且天线基线长度有有限，不适用于小型武器系统，因此存在一定不足。
论文《导弹发射车快速定位定向技术》(兵器装备工程学报，2016，37(10):44-46)针对某发射车惯性平台惯导定位定向速度慢、环境要求高的问题，根据北斗多天线定向测姿原理，提出了基于北斗二代的多天线配置及快速定位定向技术，通过伸缩支架固定北斗天线，在定向时将伸缩支架拉出，增加天线基线长度，保证定向精度，但是该系统在实际使用时，伸缩支架容易变形，且随使用时间增加，伸缩支架精度难以保证，影响定向精度，再者伸缩支架长度大，也不能应用在小型武器系统上。
因此，一种新型的快速并且在长时间使用也能保持高精度的系统和方法是迫切需要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的双天线定向方法及系统的定向精度容易受影响，不便于长期便捷的使用，目的在于提供一种可变基线双天线定向系统及其使用方法，解决双天线定向的使用的问题。
本发明通过下述技术方案实现：包括激光指示器和移动定位端，激光指示器包括激光测距器、GNSS主天线、姿态传感器、双天线定向板卡、方位角传感器和俯仰角传感器，移动定位端包括激光瞄准点和GNSS辅天线；
GNSS辅天线通过射频线缆与双天线定位测向板卡连接；
激光测距器用于测量激光瞄准点的位置和距离；
方位角传感器和俯仰角传感器分别用于测量激光测距器的指向方位角和俯仰角，姿态传感器用于测量激光指示器的横滚角和纵倾角；
GNSS主天线和GNSS辅天线用于采集GNSS卫星的射频信号；
双天线定向板卡用于测量GNSS主天线和GNSS辅天线之间基线的伪航向角。
具体的，激光测距的距离起点为GNSS主天线的相位中心点，激光瞄准点为GNSS辅天线的相位中心点。
同时，激光指示器还包括计算机，计算机用于接收激光测距器的距离、方位角、俯仰角、伪航向角、横滚角和纵倾角信息，得到激光指示器的航向角。
并且，激光指示器还包括显示屏，显示屏用于显示激光指示器的航向角。
一种可变基线双天线定向系统的使用方法，该系统的使用方法包括以下步骤：
(1)根据定向精度要求x，得到移动定位端距离d0的范围：
d0>λ0.2/x (1)
其中λ为安全系数；
(2)调节激光测距器的指向，将其发出的激光斑点投射到距激光指示器d0米处的天然物体或人工设施上，将移动定位端放置在天然物体或人工设施上；
(3)放好后，使激光斑点对准移动定位端的激光瞄准点；
(4)激光测距器测量其距激光瞄准点(的距离d，将距离d传输给计算机；
(5)方位角传感器和俯仰角传感器分别测量激光测距器的指向方位角az和俯仰角el，将方位角az和俯仰角el传输给计算机；
(6)将GNSS主天线和GNSS辅天线同时采集的GNSS卫星的射频信号，通过射频线缆将射频信号传输到双天线定向板卡中，双天线定向板卡得到GNSS主天线和GNSS辅天线之间基线的伪航向角ψ0，将伪航向角ψ0传输给计算机；
(7)姿态传感器测量激光指示器的横滚角γ和纵倾角θ，并将横滚角γ和纵倾角θ传输给计算机；
(8)计算机利用距离d、方位角az、俯仰角el、伪航向角ψ0、横滚角γ和纵倾角θ，得到激光指示器的航向角ψ，计算方法为：
ψ＝ψ0-arctan(bx/by) (2)
bx＝d(cos(el)sin(az)cos(γ)+sin(el)sin(γ)) (3)
by＝d(cos(el)sin(az)sin(θ)sin(γ)+cos(el)sin(az)cos(θ)-sin(el)sin(θ)cos(γ)) (4)。
具体的，所述的步骤(1)中，λ为1.5。激光测距器与计算机通过RS232总线连接，方位角传感器和俯仰角传感器与计算机通过RS232总线连接，双天线定向板卡通过RS232总线与计算机连接，姿态传感器通过CAN总线与计算机连接。
并且，计算机将航向角ψ及其他信息在显示屏上显示，同时通过RS232通信接口输出相关结果，供外部装备使用。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种可变基线双天线定向系统及其使用方法，本发明利用激光测距原理，建立可调基线的“软基线”定向方法及系统，本发明系统可以灵活调节基线长度，满足不同精度应用需求，可以根据周围环境，灵活构建“软基线”定向系统，精度不受装备体积限制，有效克服现有双天线卫星定向系统的基线长度大、不能应用到小型装备上、应用受限制等缺点。
同时，本发明的实现硬件简单、成本低、稳定性好，可以灵活地集成在装备上，且不受装备外形尺寸限制，同时本发明通过姿态传感器测量姿态角，自动补偿姿态对定向结果的影响，不需要对激光指示器或装备进行调平，使用方便、灵活。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明定向方法的流程图；
图3为本发明定向系统的连接关系图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-激光测距器，2-GNSS主天线，3-显示屏，4-姿态传感器，5-双天线定向板卡，6-计算机，7-方位角传感器，8-俯仰角传感器，9-GNSS辅天线，10-激光瞄准点，11-射频线缆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种可变基线双天线定向系统及其使用方法，包括激光指示器和移动定位端，激光指示器包括激光测距器1、GNSS主天线2、姿态传感器4、双天线定向板卡5、方位角传感器7和俯仰角传感器8，移动定位端包括激光瞄准点10和GNSS辅天线9；
GNSS辅天线9通过射频线缆11与双天线定位测向板卡5连接；
激光测距器1用于测量激光瞄准点10的位置和距离；
方位角传感器7和俯仰角传感器8分别用于测量激光测距器1的指向方位角和俯仰角，姿态传感器4用于测量激光指示器的横滚角和纵倾角；
GNSS主天线2和GNSS辅天线9用于采集GNSS卫星的射频信号；
双天线定向板卡5用于测量GNSS主天线2和GNSS辅天线9之间基线的伪航向角。
其中，激光测距1的距离起点为GNSS主天线2的相位中心点，激光瞄准点10为GNSS辅天线9的相位中心点。
激光指示器还包括计算机6，计算机6用于接收激光测距器1的距离、方位角、俯仰角、伪航向角、横滚角和纵倾角信息，得到激光指示器的航向角。
激光指示器还包括显示屏3，显示屏3用于显示激光指示器的航向角。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，一种可变基线双天线定向系统的使用方法，该系统的使用方法包括以下步骤：
(1)根据定向精度要求x，得到移动定位端距离d0的范围：
d0>λ0.2/x (1)
其中λ为安全系数；
(2)调节激光测距器1的指向，将其发出的激光斑点投射到距激光指示器d0米处的天然物体或人工设施上，将移动定位端放置在天然物体或人工设施上；
(3)放好后，使激光斑点对准移动定位端的激光瞄准点10；
(4)激光测距器1测量其距激光瞄准点10的距离d，将距离d传输给计算机6；
(5)方位角传感器7和俯仰角传感器8分别测量激光测距器1的指向方位角az和俯仰角el，将方位角az和俯仰角el传输给计算机6；
(6)将GNSS主天线2和GNSS辅天线9同时采集的GNSS卫星的射频信号，通过射频线缆11将射频信号传输到双天线定向板卡5中，双天线定向板卡5得到GNSS主天线2和GNSS辅天线9之间基线的伪航向角ψ0，将伪航向角ψ0传输给计算机6；
(7)姿态传感器4测量激光指示器的横滚角γ和纵倾角θ，并将横滚角γ和纵倾角θ传输给计算机6；
(8)计算机6利用距离d、方位角az、俯仰角el、伪航向角ψ0、横滚角γ和纵倾角θ，得到激光指示器的航向角ψ，计算方法为：
ψ＝ψ0-arctan(bx/by) (2)
bx＝d(cos(el)sin(az)cos(γ)+sin(el)sin(γ)) (3)
by＝d(cos(el)sin(az)sin(θ)sin(γ)+cos(el)sin(az)cos(θ)-sin(el)sin(θ)cos(γ)) (4)。
其中，步骤(1)的λ为1.5。激光测距器1与计算机6通过RS232总线连接，方位角传感器7和俯仰角传感器8与计算机6通过RS232总线连接，双天线定向板卡5通过RS232总线与计算机6连接，姿态传感器4通过CAN总线与计算机6连接。计算机6将航向角ψ及其他信息在显示屏3上显示，同时通过RS232通信接口输出相关结果，供外部装备使用。
实施例3
当定向精度要求x＝0.15°时，通过d0>λ0.2/x(米)，λ＝1.5，得到d0>3米，即需要将移动定位端放置到距离激光指示器3米以上的位置，如果距离低于3米，定向精度可能不满足要求。
手动调节激光测距器1的指向，将激光斑点投射到距激光指示器d0米处的天然物体或人工设施上，且要求天然物体或人工设施便于放置移动定位端；将移动定位端放置到激光斑点处，并确保激光斑点对准移动定位端激光瞄准点；
激光测距器1自动测量激光瞄准点10的距离d，通过RS232总线将距离d传输到计算机6；方位角传感器7和俯仰角传感器8分别测量激光测距器1的指向方位角az和俯仰角el；
GNSS主天线2和GNSS辅天线9同时采集GNSS卫星的射频信号，通过射频线缆11将射频信号传输到双天线定向板卡5，双天线定向板卡5得到GNSS主天线2和GNSS辅天线9之间基线的伪航向角ψ0，通过RS232总线将伪航向角ψ0传输到计算机6；
姿态传感器4测量激光指示器的横滚角γ和纵倾角θ，通过CAN总线将横滚角γ和纵倾角θ传输到计算机6；
计算机6利用距离d、方位角az、俯仰角el、伪航向角ψ0、横滚角γ和纵倾角θ，计算激光指示器的航向角ψ：
其中：
ψ＝ψ0-arctan(bx/by)
bx＝d(cos(el)sin(az)cos(γ)+sin(el)sin(γ))
by＝d(cos(el)sin(az)sin(θ)sin(γ)+cos(el)sin(az)cos(θ)-sin(el)sin(θ)cos(γ))；
计算机6将航向角ψ及其他信息在显示屏3上显示，同时通过RS232通信接口输出相关结果，供外部装备使用。
具体的，在使用过程中，如图3所示，激光测距器1通过发射可见激光，测量激光瞄准点10的距离d，激光测距器与解算计算机6通过RS232总线进行通信，距离d通过RS232总线传输到解算计算机6。方位角和俯仰角传感器分别测量激光测距器1的指向方位角az和俯仰角el，并通过RS232总线将方位角az和俯仰角el传输到解算计算机6。GNSS主天线2和移动定位端的GNSS辅天线9采集GNSS卫星的射频信号，通过射频线缆11将射频信号传输到双天线定向板卡5，双天线定向板卡5自动解算主天线和辅天线之间基线的伪航向角ψ0，通过RS232总线将伪航向角ψ0传输到解算计算机6。姿态传感器测量激光指示器的横滚角γ和纵倾角θ，通过CAN总线将横滚角γ和纵倾角θ传输到解算计算机6。解算计算机6利用距离d、方位角az、俯仰角el、伪航向角ψ0、横滚角γ和纵倾角θ，计算激光指示器的航向角ψ，解算计算机6将航向角ψ、距离d、方位角az、俯仰角el、伪航向角ψ0、横滚角γ和纵倾角θ在显示屏3上进行显示，同时通过RS232通信接口输出相关结果，供外部装备使用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可变基线双天线定向系统，其特征在于，包括激光指示器和移动定位端，激光指示器包括激光测距器(1)、GNSS主天线(2)、姿态传感器(4)、双天线定向板卡(5)、方位角传感器(7)和俯仰角传感器(8)，移动定位端包括激光瞄准点(10)和GNSS辅天线(9)；
GNSS辅天线(9)通过射频线缆(11)与双天线定位测向板卡(5)连接；
激光测距器(1)用于测量激光瞄准点(10)的位置和距离；
方位角传感器(7)和俯仰角传感器(8)分别用于测量激光测距器(1)的指向方位角和俯仰角，姿态传感器(4)用于测量激光指示器的横滚角和纵倾角；
GNSS主天线(2)和GNSS辅天线(9)用于采集GNSS卫星的射频信号；
双天线定向板卡(5)用于测量GNSS主天线(2)和GNSS辅天线(9)之间基线的伪航向角。
2.根据权利要求1所述的一种可变基线双天线定向系统，其特征在于，激光测距(1)的距离起点为GNSS主天线(2)的相位中心点，激光瞄准点(10)为GNSS辅天线(9)的相位中心点。
3.根据权利要求1所述的一种可变基线双天线定向系统，其特征在于，激光指示器还包括计算机(6)，计算机(6)用于接收激光测距器(1)的距离、方位角、俯仰角、伪航向角、横滚角和纵倾角信息，得到激光指示器的航向角。
4.根据权利要求1所述的一种可变基线双天线定向系统，其特征在于，激光指示器还包括显示屏(3)，显示屏(3)用于显示激光指示器的航向角。
5.一种可变基线双天线定向系统的使用方法，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的定向系统，该系统的使用方法包括以下步骤：
(1)根据定向精度要求x，得到移动定位端距离d0的范围：
d0>λ0.2/x (1)
其中λ为安全系数；
(2)调节激光测距器(1)的指向，将其发出的激光斑点投射到距激光指示器d0米处的天然物体或人工设施上，将移动定位端放置在天然物体或人工设施上；
(3)放好后，使激光斑点对准移动定位端的激光瞄准点(10)；
(4)激光测距器(1)测量其距激光瞄准点(10)的距离d，将距离d传输给计算机(6)；
(5)方位角传感器(7)和俯仰角传感器(8)分别测量激光测距器(1)的指向方位角az和俯仰角el，将方位角az和俯仰角el传输给计算机(6)；
(6)将GNSS主天线(2)和GNSS辅天线(9)同时采集的GNSS卫星的射频信号，通过射频线缆(11)将射频信号传输到双天线定向板卡(5)中，双天线定向板卡(5)得到GNSS主天线(2)和GNSS辅天线(9)之间基线的伪航向角ψ0，将伪航向角ψ0传输给计算机(6)；
(7)姿态传感器(4)测量激光指示器的横滚角γ和纵倾角θ，并将横滚角γ和纵倾角θ传输给计算机(6)；
(8)计算机(6)利用距离d、方位角az、俯仰角el、伪航向角ψ0、横滚角γ和纵倾角θ，得到激光指示器的航向角ψ，计算方法为：
ψ＝ψ0-arctan(bx/by) (2)
bx＝d(cos(el)sin(az)cos(γ)+sin(el)sin(γ)) (3)
by＝d(cos(el)sin(az)sin(θ)sin(γ)+cos(el)sin(az)cos(θ)-sin(el)sin(θ)cos(γ)) (4)。
6.根据权利要求5所述的一种可变基线双天线定向系统的使用方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，λ为1.5。
7.根据权利要求5所述的一种可变基线双天线定向系统的使用方法，其特征在于，激光测距器(1)与计算机(6)通过RS232总线连接，方位角传感器(7)和俯仰角传感器(8)与计算机(6)通过RS232总线连接，双天线定向板卡(5)通过RS232总线与计算机(6)连接，姿态传感器(4)通过CAN总线与计算机(6)连接。
8.根据权利要求5所述的一种可变基线双天线定向系统的使用方法，其特征在于，计算机(6)将航向角ψ及其他信息在显示屏(3)上显示，同时通过RS232通信接口输出相关结果，供外部装备使用。
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