CN112747713A - 一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法及设备，属于地形辅助导航领域，包括：对于测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为测距雷达的回波最近距离地面点，依据飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及测距雷达的回波最近距离L，估计飞行器的海拔高度Hi；测距雷达搭载于飞行器上；将估计得到的最大海拔高度确定为飞行器在地形匹配区中的海拔高度。本发明在地形起伏较大的地形匹配区内准确估计了飞行器的海拔高度，结合现有的地形匹配技术，即可在地形匹配区中完成同时完成地形匹配和测高功能，能够有效缩短地形辅助导航中数据保障所需要的时间。
Description
技术领域
本发明属于地形辅助导航领域，更具体地，涉及一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法及设备。
背景技术
飞行器长时间飞行后，作为主导航设备的惯导所输出的水平位置和高度信息均会产生较大的扰动漂移误差，需要采用辅助导航技术对惯导的扰动漂移误差进行修正。地形匹配辅助导航技术是一种利用飞行器下方地形高程信息来修正惯导扰动漂移误差的辅助导航技术。应用地形辅助导航技术时，一般需要在沿飞行路径中事先设置的飞行走廊中配置地形匹配区和测高区来分别修正惯导输出的水平位置扰动漂移误差和海拔高度扰动漂移误差。
为了提高地形匹配概率、得到置信度较高的飞行器水平位置估计结果，地形匹配技术中，要求地形匹配区中的地形起伏较大。现有的测高方法将飞行器中测距雷达的回波最近距离作为飞行器的离地距离，并以离地距离与飞行器正下方地面点的海拔高度之和为飞行器海拔高度的测量结果，为了能将测距雷达的雷达回波最近距离视为飞行器距离正下方地面点的离地距离，现有的测高方法要求测高区中的地形应尽量平坦。因此，采用经典方法修正惯导输出的水平位置和海拔高度扰动漂移误差，必须分别配置地形起伏较大的地形匹配区和地形尽量平坦的测高区，这会影响地形辅助导航的效率，使得地形辅助导航中数据保障所需的时间较长。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法及设备，其目的在于，在地形起伏较大的地形匹配区内准确测量飞行器的海拔高度，使得在地形匹配区中能够同时实现地形匹配和测高功能，从而同时完成修正惯导输出的飞行器水平位置扰动漂移误差和高度扰动漂移误差的任务，有效缩短地形辅助导航中数据保障所需要的时间。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法，包括：
对于测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为测距雷达的回波最近距离地面点，依据飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及测距雷达的回波最近距离L，估计飞行器的海拔高度Hi；测距雷达搭载于飞行器上；
将估计得到的最大海拔高度确定为飞行器在地形匹配区中的海拔高度。
进一步地，依据飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及测距雷达的回波最近距离L，估计飞行器的海拔高度Hi，其计算公式为：
其中，Zi为地面网格点Bi的海拔高度，Xi和Yi分别表示地面网格点Bi在水平面x方向和y方向的坐标；X0和Y0分别表示飞行器在水平面x方向和y方向的坐标；x方向、y方向和z方向构成右手坐标系，且z方向的坐标表示海拔高度。
进一步地，所确定的飞行器在地形匹配区中的海拔高度为：
其中，i表示测距雷达的波束地面覆盖范围内三维坐标已知的地面网格点序号。
按照本发明的另一个方面，提供了一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的设备，包括：
海拔高度估计模块，用于对测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为测距雷达的回波最近距离地面点，依据飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及测距雷达的回波最近距离L，估计飞行器的海拔高度Hi；测距雷达搭载于飞行器上；
比较模块，用于筛选出海拔高度估计模块估计得到的最大海拔高度，并将其确定为飞行器在地形匹配区中的海拔高度。
按照本发明的又一个方面，提供了一种飞行器，包括：测距雷达，用于估计飞行器水平位置坐标的水平位置测量设备，以及本发明提供的上述测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的设备。
按照本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行本发明提供的上述测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明利用已知的地面网格点坐标信息，以及飞行器中的测距雷达的相关信息，在地形起伏较大的地形匹配区内准确估计了飞行器的海拔高度，结合现有的地形匹配技术，即可在地形匹配区中同时完成地形匹配和测高功能，从而同时完成修正惯导输出的飞行器水平位置扰动漂移误差和高度扰动漂移误差的任务，相比于现有的地形辅助导航技术中，分别设置地形匹配区和测高区以分别对水平位置扰动漂移误差和高度扰动漂移误差进行修正，本发明能够大大提高地形辅助导航的效率，有效缩短地形辅助导航中数据保障所需要的时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的飞行器海拔高度估计示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
针对现有的地形辅助导航方法需要分别设置地形匹配区和测高区以分别对水平位置扰动漂移误差和高度扰动漂移误差进行修正，导致地形辅助导航效率低、数据保障所需时间长的技术问题，本发明提供了一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法及设备，其整体思路在于：仅保障一种区域，并在该区域中同时完成地形匹配与测高任务，以有效缩短地形辅助导航中数据保障所需要的时间；考虑到由于缺少地形起伏差异，在地形平坦的测高区域内无法进行地形匹配，无法确定飞行器的水平位置，因此无法在测高区域内同时完成测高与地形匹配任务；本发明在地形匹配区中利用已知的地面网格点坐标信息，以及飞行器中的测距雷达的相关信息，在地形起伏较大的地形匹配区内准确估计飞行器的海拔高度，结合现有的地形匹配技术，即可在地形匹配区中完成同时完成地形匹配和测高功能。
以下为实施例。
实施例1：
一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法，如图1所示，包括：
对于测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为测距雷达的回波最近距离地面点，依据飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及测距雷达的回波最近距离L，估计飞行器的海拔高度Hi；测距雷达搭载于飞行器上；
将估计得到的最大海拔高度确定为飞行器在地形匹配区中的海拔高度。
飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)利用现有的成熟的地形匹配技术即可获得，其中，X0和Y0分别表示飞行器在水平面x方向和y方向的坐标；可选地，在本实施例中，水平面x方向和y方向具体为东向和北向；地形匹配技术中，在设置地形匹配区时，地形匹配区中的所有地面网格点的三维坐标均已知；
如图2所示，本实施例中，测距雷达的波束地面覆盖范围可根据地形匹配区中的实际地形相应确定；测距雷达的回波最近距离L为雷达回波最近距离地面点，即图2中所示的A点，与测距雷达的距离，由测距雷达自行确定并输出；
如图2所示，以测距雷达的波束地面覆盖范围的任意一个三维坐标已知的地面网格点B为例，其三维坐标为(X,Y,Z)，Z为地面网格点B的海拔高度，X和Y分别表示地面网格点B在水平面x方向和y方向的坐标；x方向、y方向和z方向构成右手坐标系，且z方向的坐标表示海拔高度；BQ为地面网格点B到雷达波束中心轴的径长，基于飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)和地面网格点B的三维坐标(X,Y,Z)可计算BQ的长度为：
本实施例中，假设地面网格点B为测距雷达的回波最近距离地面点，则相应地，地面网格点B与飞行器之间的距离为雷达回波最近距离L，基于此假设，飞行器的位置即为图2中的D点，则飞行器相对于地面网格点B的相对高度为
相应地，可以估计出飞行器的海拔高度为：
对于测距雷达的波束地面覆盖范围的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi(Xi,Yi,Zi)，基于上述计算公式估计对应的海拔高度Hi后，按照
即可确定飞行器在该地形匹配区中的海拔高度，i表示测距雷达的波束地面覆盖范围内三维坐标已知的地面网格点序号；对于每一个地面网格点的计算，可顺序执行，也可以多点并行执行。
以下结合图2，从原理层面对本实施例1提供的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法的有效性进行分析说明。
如图2所示，点F为飞行器在空中的实际位置，飞行器正下方地面点G为铅垂向下的雷达波束中心轴与地面的交点，由地形匹配技术可以获得点G的水平位置坐标，点C为雷达波束中心轴与海平面的交点，高度CF为待测的飞行器的海拔高度。点A是未知的雷达波束覆盖范围内最近回波距离地面点，该点是雷达波面运动过程中最先接触到的地面点，长度FA为雷达回波最近距离L，由测距雷达自行确定并输出，长度AE为地面点A到雷达波束中心轴的径长。点B为雷达波束覆盖范围内地形匹配区中的某个地面网格点，点B的海拔高度以及水平位置坐标均已知，长度BQ为点B到雷达波束中心轴的径长，长度BD为雷达回波最近距离L，由点B得到飞行器海拔高度的估计值为高度CD。
假设由点A处得到的飞行器的海拔高度估计值CF高于点B处得到的飞行器的海拔高度猜测值CD，但飞行器的实际位置却位于较低的点D处，则长度BD应为雷达回波最近距离。连接点D与点A，形成三角形ADF。其中，只要飞行器高于地面，角ADF就一定为钝角，因此一定有角ADF大于角AFD，必有L＝AF＝BD>AD，表明若飞行器的实际位置位于点D处，则在地面点A处的雷达回波距离AD会小于地面点B处的雷达回波距离BD，这与长度BD为雷达回波最近距离相矛盾。所以，飞行器的实际海波高度应为所有飞行器的海拔高度估计值中的最大值。
当地面较平坦时，雷达波面在运动过程中一般会最先接触飞行器正下方地面点G，于是一般由测高雷达获得飞行器的海拔高度的测量方法认为，飞行器的海拔高度为雷达回波最近距离与平坦地面的平均海拔高度之和。这种处理方式在地形起伏较大的地形匹配区中将带来很大的测量误差，因此一般测高方法在地形起伏较大的地形匹配区中将失效，而本实施例所提供的上述测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法可以突破这一约束，在地形起伏较大的地形匹配区中也可完成获得飞行器的海拔高度的任务。
以下通过仿真对比实验，对本实施例提供的上述测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法的有效性及有益效果做进一步的分析说明。
设定6种不同的飞行器航高(即海拔高度)真值，分别为2000米、2500米、3000米、20000米、25000米和30000米。对每一种飞行器航高，随机生成一个121阶方阵，矩阵元素均为[0,999]之间的整数；利用该矩阵来模拟1210米见方的某区域地形高程数据(格网分辨率10米)。
飞行器在区域南北向中心线的上空飞行(相距区域最西侧边缘610米)，从距区域最南侧边缘50米开始，在区域内沿南北中心线每隔100米设定一个测高位置，直到距区域最北侧边缘60米为止。计算出每个测高位置处直径100米范围内的地面格网点到飞行器的距离，并从中寻找出最短距离d。
使用一般测高方法计算飞行器海拔高度估计值(最短距离d加上飞行器正下方地形的海拔高度)，并利用上述实施例1提供的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法估计飞行器的海拔高度，不同航高下，两种方法的结果分别如表1～表6所示。
表1飞行器航高2000米时的测高结果对比(米)
表2飞行器航高2500米时的测高结果对比(米)
表3飞行器航高3000米时的测高结果对比(米)
表4飞行器航高20000米时的测高结果对比(米)
表5飞行器航高25000米时的测高结果对比(米)
表6飞行器航高30000米时的测高结果对比(米)
由表1～表6可看出，飞行器正下方地形的海拔高度差异较大。在这种地形起伏较大的区域上空的飞行器测高仿真实验中，本实施例方法的每次估计都能准确估计出飞行器的海拔高度。一般测高方法除了1次在表2中的准确估计外，其他估计值都偏低于飞行器的海拔高度真值。仿真实验结果验证了本实施例在地形起伏较大区域上空测量飞行器海拔高度的有效性。
总体而言，本实施例能够在地形起伏较大的地形匹配区内准确估计飞行器的海拔高度，结合现有的地形匹配技术，即可在地形匹配区中完成同时完成地形匹配和测高功能，从而同时完成修正惯导输出的飞行器水平位置扰动漂移误差和高度扰动漂移误差的任务，能够大大提高地形辅助导航的效率，有效缩短地形辅助导航中数据保障所需要的时间。
实施例2：
一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的设备，包括：
海拔高度估计模块，用于对测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为测距雷达的回波最近距离地面点，依据飞行器在地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及测距雷达的回波最近距离L，估计飞行器的海拔高度Hi；测距雷达搭载于飞行器上；
比较模块，用于筛选出海拔高度估计模块估计得到的最大海拔高度，并将其确定为飞行器在地形匹配区中的海拔高度；
本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述实施例1中的描述，在此将不作复述。
实施例3：
一种飞行器，包括：测距雷达，用于估计飞行器水平位置坐标的水平位置测量设备，以及上述实施例2提供的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的设备。
实施例4：
一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行上述实施例1提供的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法。
本领域的技术人员容易理解，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 (6)
1.一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法，其特征在于，包括：
对于测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为所述测距雷达的回波最近距离地面点，依据所述飞行器在所述地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、所述地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及所述测距雷达的回波最近距离L，估计所述飞行器的海拔高度Hi；所述测距雷达搭载于所述飞行器上；
将估计得到的最大海拔高度确定为所述飞行器在所述地形匹配区中的海拔高度。
2.如权利要求1所述的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法，其特征在于，依据所述飞行器在所述地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、所述地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及所述测距雷达的回波最近距离L，估计所述飞行器的海拔高度Hi，其计算公式为：
其中，Zi为所述地面网格点Bi的海拔高度，Xi和Yi分别表示所述地面网格点Bi在水平面x方向和y方向的坐标；X0和Y0分别表示所述飞行器在水平面x方向和y方向的坐标；x方向、y方向和z方向构成右手坐标系，且z方向的坐标表示海拔高度。
3.如权利要求1或2所述的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法，其特征在于，所确定的所述飞行器在所述地形匹配区中的海拔高度为：
其中，i表示所述测距雷达的波束地面覆盖范围内三维坐标已知的地面网格点序号。
4.一种测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的设备，其特征在于，包括：
海拔高度估计模块，用于对测距雷达波束地面覆盖范围内的每一个三维坐标已知的地面网格点Bi，假设其为所述测距雷达的回波最近距离地面点，依据所述飞行器在所述地形匹配区中的水平位置坐标(X0,Y0)、所述地面网格点Bi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)以及所述测距雷达的回波最近距离L，估计所述飞行器的海拔高度Hi；所述测距雷达搭载于所述飞行器上；
比较模块，用于筛选出所述海拔高度估计模块估计得到的最大海拔高度，并将其确定为所述飞行器在所述地形匹配区中的海拔高度。
5.一种飞行器，其特征在于，包括：测距雷达，用于估计所述飞行器水平位置坐标的水平位置测量设备，以及权利要求4所述的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的设备。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1-3任一项所述的测量飞行器在地形匹配区中海拔高度的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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