CN112461123B - 空间定位系统的多发射站实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大尺寸精密测量定位领域，为提供一种空间定位系统的多发射站工作方法及装置空间定位，实现半实物化的发射站信号模拟，满足小环境下空间定位空间定位系统的算法及性能调试的需求，本发明，空间定位空间定位系统的多发射站工作方法，步骤如下：对发射站和接收器在全局坐标系下的坐标，发射站外部和内部参数进行配置；获取发射站转速；计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂；计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂；信号产生平台接受指令后，向上位机返回准备信号；上位机并发送产生信号的开始指令；产生特定的发射站模拟信号；多个发射站的模拟信号进行混叠，并根据混叠输出结果。本发明主要应用于精密测量定位场合。

Description

空间定位系统的多发射站实现方法及装置

技术领域

本发明涉及大尺寸精密测量定位领域，涉及工作空间测量定位系统空间定位的发射站信号模拟技术。具体涉及一种一种空间定位系统的多发射站工作方法及装置空间定位。

背景技术

随着航空航天等先进制造业和大型装备制造业的发展，对大空间尺寸精密测量定位技术的要求也日益提高。空间定位系统是一种针对大尺寸目标测量的新型网络式三维坐标测量系统。它以光电扫描作为基本方式，具有自动化程度高、抗噪声能力强以及量程大等优点，有广泛的应用前景。

空间定位系统作为一种新型测量系统，无论是从基础架构还是算法尝试上，需要大量的调试工作，以实现平台和算法的优化。然而该系统的测量体制决定，为了实现更高坐标测量精度和更大测量范围，其测量网络中的发射站基数一般较大，且分布较为分散，这为在小环境实验室条件下的调试工作带来了困难；同时，由于部分算法优化的实现，需要多样化的发射站和接收站参数，如果使用实物调试，往往需要实物硬件结构上的改变，但发射站的制作周期偏长，无法满足调试工作的需要。

因此，需要开发占地空间小、参数修改灵活可控的半实物化发射站模拟器，满足实验室条件下空间定位系统的调试需求，为离线平台搭建和算法改进提供数据源支撑。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在满足上述系统调试需求，提供一种空间定位系统的多发射站工作方法及装置空间定位，采用Zynq搭建嵌入式平台，根据已知量产生参数可调的发射站模拟信号，从而实现半实物化的发射站信号模拟，满足了实验室小环境下空间定位系统的算法及性能调试的需求。为此，本发明采取的技术方案是，空间定位系统的多发射站工作方法,步骤如下：

a)对发射站和接收器在全局坐标系下的坐标，发射站外部和内部参数进行配置，所述配置的结果作为已知量；

b)获取发射站转速；

c)根据步骤a)中的已知量计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂；计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂；

d)利用上位机向信号平台发送准备指令；信号产生平台接受指令后，向上位机返回准备信号；

e)上位机接收参数信号，并发送产生信号的开始指令；利用信号平台根据上位机接收的参数信号，产生特定的发射站模拟信号；

f)多个发射站的模拟信号进行混叠，并根据混叠输出结果。

所述外部参数包括：发射站编号、转速、发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵；所述发射站的内部参数包括：发射站两个激光平面P1、P2在空间中的位置和姿态信息。

步骤c)中所述计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂为根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算，具体计算步骤如下：

接收器在发射站坐标系下坐标vr＝[R·(P_Tx-P_Rx)]，其中P_Tx＝[x_T,y_T,z_T]和P_Rx＝[x_R,y_R,z_R]分别为发射站和接收器在全局坐标系下的坐标；R为发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵；令vr＝[vx,vy,vz]，接收器相对于发射站的水平角Az和垂直角El分别为：

旋转角度θ₁、θ₂分别为：

其中，

为在全局坐标系下，发射站两个光平面P1、P2与旋转轴z轴的夹角，θ_off为两光平面在旋转方向上的偏离角度。

所述步骤c)中计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂的计算步骤为：结合已知发射站转速，对所用时间进行计算：

其中speed为发射站转速。

利用Zynq嵌入式平台作为信号发射部分，所述Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生IP、以及AXI互联矩阵；

所述模拟信号产生IP为利用Zynq平台的内部时钟建立时序约束，利用Zynq的可编程逻辑资源PL部分，在硬件层面上生成周期、脉冲宽度以及相位可调的发射站模拟信号；

所述信号产生IP通过AXI总线协议实现与Zynq平台的处理器系统PS(ProcessingSystem)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生核IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟。

空间定位系统的多发射站实现装置，包括设置在计算机中的发射站角度计算控制模块、接收器和Zynq模拟信号产生平台，所述Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生核IP、以及AXI互联矩阵；所述信号产生IP通过AXI总线协议实现与PS(Processing System)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟；射站角度计算控制模块根据Zynq模拟信号产生平台发出激光扫过接收器的旋转角度计算光平面扫过接收器所用时间。

本发明的特点及有益效果是：

与现有技术相比，本发明的有益效果是提供了一种空间定位系统的多发射站工作方法及装置空间定位。针对空间定位系统空间定位测量网络分布分散，实验室条件及实物化调试存在困难这一现状，采用Zynq搭建嵌入式平台，根据已知量产生参数可调的发射站模拟信号，从而实现半实物化的发射站信号模拟，满足了实验室小环境下空间定位系统的性能调试的需求。

附图说明：

图1为基于FPGA的空间定位系统发射站仿真模拟方法及装置设计示意图。

图2为上位机控制Zynq平台产生信号流程。

图3为模拟信号产生IP框架设计。

图4为发射站旋转角度解算流程。

图5为接收站工作原理。

图6为基于Zynq平台的发射站模拟信号产生平台的系统架构。

具体实施方式

本发明采取的技术方案是，

1.一种基于空间定位系统的多发射站工作空间定位方法,包括下列步骤：

g)对发射站和接收器在全局坐标系下的坐标，发射站外部和内部参数进行配置，所述配置的结果作为已知量；

h)获取发射站转速；

i)根据步骤a)中的已知量计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂；计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂；

j)上位机向信号平台(Zynq嵌入式平台)发送准备指令；信号产生平台接受指令后，向上位机返回准备信号；

k)上位机接收参数信号，并发送产生信号的开始指令；信号平台根据上位机接收的参数信号，产生特定的发射站模拟信号；

l)多个发射站的模拟信号进行混叠，并根据混叠输出结果。

所述外部参数包括：发射站编号、转速、发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵。

所述发射站的内部参数包括：发射站两个激光平面P1、P2在空间中的位置和姿态信息。

步骤c)中所述计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂为根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算。

所述根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算的步骤为：接收器在发射站坐标系下坐标vr＝[R·(P_Tx-P_Rx)]，其中P_Tx＝[x_T,y_T,z_T]和P_Rx＝[x_R,y_R,z_R]分别为发射站和接收器在全局坐标系下的坐标；R为发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵；令vr＝[vx,vy,vz]，接收器相对于发射站的水平角Az和垂直角El分别为：

旋转角度θ₁、θ₂分别为：

其中，

为在全局坐标系下，发射站两个光平面P1、P2与旋转轴z轴的夹角，θ_off为两光平面在旋转方向上的偏离角度。

所述步骤c)中计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂的计算步骤为：结合已知发射站转速，对所用时间进行计算：

其中speed为发射站转速。

所述Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生IP、以及AXI互联矩阵。

所述模拟信号产生IP为利用Zynq平台的内部时钟建立时序约束，利用PL部分，即可编程逻辑资源(FPGA)在硬件层面上生成周期、脉冲宽度以及相位可调的发射站模拟信号。

所述信号产生IP通过AXI总线协议实现与PS(Processing System)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟。

一种基于空间定位系统空间定位发射站模拟器，包括发射站角度计算控制模块和Zynq模拟信号产生平台，所述Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生IP、以及AXI互联矩阵。

所述信号产生IP通过AXI总线协议实现与PS(Processing System)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟。

配置已知量已知量包括发射站和接收器在全局坐标系下的坐标，发射站外部参数(发射站编号、转速speed、发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵)，以及发射站内部参数(发射站两个激光平面P1、P2在空间中的位置和姿态信息)，以此作为下一步中算法的输入参数。

根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算原理，由上一步中的已知量反向推算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂；结合已知发射站转速，计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂。

上位机通过串口对Zynq信号产生平台发送准备指令，接收Zynq平台返回的READY信号，对其进行参数写入和发送产生信号的开始指令。

Zynq平台根据所接收的参数，产生特定的发射站模拟信号，并实现多发射站模拟信号的混叠，最终形成实际系统中接收器接收信号的模拟输出。

其中，旋转角度计算的算法具体为：

全局坐标系下，已知发射站和接收器的坐标分别为P_Tx＝[x_T,y_T,z_T]和P_Rx＝[x_R,y_R,z_R]，发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵为R，发射站两个光平面P1、P2与旋转轴z轴夹角分别为

在z轴上的截距分别为zerr₁和zerr₂，两光平面在旋转方向上的偏离角度为θ_off。计算可得：

接收器在发射站坐标系下坐标vr＝[R·(P_Tx-P_Rx)]，令vr＝[vx,vy,vz]。

接收器相对于发射站的水平角Az和垂直角El分别为：

旋转角度θ₁、θ₂分别为：

两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂分别为：

Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生IP、以及AXI互联矩阵。

其中，模拟信号产生IP利用Zynq平台的内部时钟建立时序约束，利用PL部分，即FPGA逻辑资源在硬件层面上生成周期、脉冲宽度以及相位可调的发射站模拟信号。该IP通过AXI总线协议实现与PS(Processing System)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；而AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现对实际系统中，一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟。

下面结合附图对本发明进一步说明。如图1，基于空间定位系统空间定位发射站模拟器包括发射站角度解算算法部分和Zynq模拟信号产生平台部分。具体工作步骤如下：

配置已知量。已知量包括发射站和接收器在全局坐标系下的坐标，发射站外部参数(发射站编号、转速speed、发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵)，以及发射站内部参数(发射站两个激光平面P1、P2在空间中的位置和姿态信息)，以此作为下一步中算法的输入参数。

根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算原理，由上一步中的已知量反向推算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂；结合已知发射站转速，计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂。

得到输入参数t₁、t₂后，模拟信号产生任务开始。如图2所示，上位机通过串口发送准备指令至Zynq平台，PS处理器通过AXI总线对信号产生模块进行复位操作，清零寄存器，完成后模块返回READY信号至上位机；上位机进行输入参数写入，写入完成后发送开始指令，PS处理器经串口接收参数，并经由AXI总线与模拟信号产生IP进行通信，如图3访问不同地址空间，将数据写入不同的寄存器作为输入量，从而产生参数(周期、脉冲宽度和相位)受上位机控制的模拟信号。

若在产生过程中，接收到上位机参数进行写入的指令，暂停模拟信号产生，更新参数，而后重新产生信号；当接收到停止指令时，停止产生模拟信号。

其中，旋转角度计算的算法具体如图4。

全局坐标系下，已知发射站和接收器的坐标分别为P_Tx＝[x_T,y_T,z_T]和P_Rx＝[x_R,y_R,z_R]，发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵为R，发射站两个光平面P1、P2与旋转轴z轴夹角分别为

在z轴上的截距分别为zerr₁和zerr₂，两光平面在旋转方向上的偏离角度为θ_off。计算可得：

接收器在发射站坐标系下坐标vr＝[R·(P_Tx-P_Rx)]，令vr＝[vx,vy,vz]。

如图5接收器相对于发射站的水平角Az和垂直角El分别为：

旋转角度θ₁、θ₂分别为：

两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂分别为：

如图6，Zynq嵌入式平台括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生IP、以及AXI互联矩阵。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空间定位系统的多发射站工作方法，其特征是，步骤如下：

a)对发射站和接收器在全局坐标系下的坐标，发射站外部和内部参数进行配置，所述配置的结果作为已知量；

b)获取发射站转速；

c)根据步骤a)中的已知量计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂；计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂；

d)利用上位机向信号平台发送准备指令；信号产生平台接受指令后，向上位机返回准备信号；

e)上位机接收参数信号，并发送产生信号的开始指令；利用信号平台根据上位机接收的参数信号，产生特定的发射站模拟信号；

f)多个发射站的模拟信号进行混叠，并根据混叠输出结果；

步骤c)中所述计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂为根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算，具体计算步骤如下：

接收器在发射站坐标系下坐标vr＝[R·(P_Tx-P_Rx)]，其中P_Tx＝[x_T，y_T，z_T]和P_Rx＝[x_R，y_R，z_R]分别为发射站和接收器在全局坐标系下的坐标；R为发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵；令vr＝[vx，vy，vz]，接收器相对于发射站的水平角Az和垂直角El分别为：

旋转角度θ₁、θ₂分别为：

其中，

为在全局坐标系下，发射站两个光平面P1、P2与旋转轴z轴的夹角，θ_off为两光平面在旋转方向上的偏离角度。

2.如权利要求1所述的空间定位系统的多发射站工作方法，其特征是，所述外部参数包括：发射站编号、转速、发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵；所述发射站的内部参数包括：发射站两个激光平面P1、P2在空间中的位置和姿态信息。

3.如权利要求1所述的空间定位系统的多发射站工作方法，其特征是，所述步骤c)中计算两光平面扫过接收器所用时间t₁、t₂的计算步骤为：结合已知发射站转速，对所用时间进行计算：

其中speed为发射站转速；

利用Zynq嵌入式平台作为信号发射部分，所述Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生IP、以及AXI互联矩阵；

所述模拟信号产生IP为利用Zynq平台的内部时钟建立时序约束，利用Zynq的可编程逻辑资源PL部分，在硬件层面上生成周期、脉冲宽度以及相位可调的发射站模拟信号；

所述信号产生IP通过AXI总线协议实现与Zynq平台的处理器系统PS(ProcessingSystem)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生核IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟。

4.一种空间定位系统的多发射站实现装置，其特征是，包括设置在计算机中的发射站角度计算控制模块、接收器和Zynq模拟信号产生平台，所述Zynq嵌入式平台包括Zynq处理器系统及复位系统、基于AXI总线的模拟信号产生核IP、以及AXI互联矩阵；所述信号产生IP通过AXI总线协议实现与PS(Processing System)之间的通信，上位机给定参数时，通过访问不同地址空间，将数据写入该IP内部不同寄存器；AXI互联矩阵，将多个模拟信号产生IP核挂载至AXI总线上，完成PS部分对多个模拟信号产生IP的参数写入和控制，从而同时产生多个发射站的模拟信号，在硬件层面进行信号混叠，实现一个接收器同时接受到多个发射站信号的实际信号模拟；发射站角度计算控制模块根据Zynq模拟信号产生平台发出激光扫过接收器的旋转角度计算光平面扫过接收器所用时间；具体步骤如下：

计算发射站两个光平面P1、P2扫过接收器时的旋转角度θ₁、θ₂为根据空间定位系统的角度测量和正向坐标计算，具体计算步骤如下：

接收器在发射站坐标系下坐标vr＝[R·(P_Tx-P_Rx)]，其中P_Tx＝[x_T，y_T，z_T]和P_Rx＝[x_R，y_R，z_R]分别为发射站和接收器在全局坐标系下的坐标；R为发射站坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵；令vr＝[vx，vy，vz]，接收器相对于发射站的水平角Az和垂直角El分别为：

旋转角度θ₁、θ₂分别为：

其中，

为在全局坐标系下，发射站两个光平面P1、P2与旋转轴z轴的夹角，θ_off为两光平面在旋转方向上的偏离角度。

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