CN114200387B - 一种tacan空间信号场型的飞行校验评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行校验技术领域，具体涉及一种评估TACAN地面信标信号质量的方法，通过无人机搭载TACAN接收机采集TACAN信号并处理特征信息实现极坐标定位，将定位信息发送给无人机飞行校验系统数据处理模块，进行坐标转换至同一坐标系下，再用空间插值技术进行场型的重构反演，对TACAN接收机采集的位置数据进行反演处理，重构出高密度、高置信度的三维空间数据，利用反演重构后得到数据信息，计算误差、弯曲、抖动等航道信息，最后评估导航参数是否满足容限要求，确定TACAN信号场型是否安全可用。本发明的优点在于从算法层面实现与物理上增加采样密度的相同效果，为后续导航信号质量的精细化评估提供帮助。
Description
技术领域
本发明属于飞行校验技术领域，具体涉及一种评估TACAN地面信标信号质量的方法。
背景技术
在航空导航飞行校验、石油勘探开发技术领域，受限于各种条件数值采集一般采用离散或局部区域的采样方式。为了实现大规模数据的数值模拟，一般采用离散测试数据或区域测试数据并根据现有已知数据，采用数值反演方式得到精细采样或者大规模的数值集合。目前石油勘探与开发中广泛应用的试井分析，即利用测试的井底压力曲线与典型曲线拟合，得出地层参数，但所得出的地层参数是在压力测试影响区域内的平均值，这些参数只能用于常规的产能分析，不可能为大规模油藏数值模拟提供较准确的渗透率及孔隙度的分布。根据现有数据(如地质统计数据、油藏勘探数据及油田试采数据等)，使用数值反演方法可以得到地层的渗透率和孔隙度的分布，减少了勘探开发成本的同时保证了油藏模型的准确性。
飞行校验是指为保证飞行安全，使用装有专门校验设备的飞行校验飞机，按照飞行校验的有关规范，检查和评估各种导航、雷达、通信等设备的空间信号的质量及其容限，以及机场的进、离港飞行程序，并依据检查和评估的结果出具飞行校验报告的过程。其基本原理是使用装有相应接收设备的飞机，按规定的航迹飞行，机上接收设备在接收到导航信号的同时也记录位置信号，机载设备实际收到的信号与该点理论值比较，得出校验误差。目前各个国家都在积极开展飞行校验技术研究，力求实现核心装备技术自主化。进行校验时，校验机会按照预先设定，采集规定路径上的信号数据。现有的飞行校验数据采集方法决定了飞行校验仅能实现对航迹上信号的离散采样。直接使用采集数据计算指标可能难以及时发现并限用空间某处畸变场型，会影响信号质量评估的科学全面性，从而给航空安全带来威胁。简单加大采样密度在一定程度上可以解决该问题，但并不理想，因为在校验飞机的动态测量场景下很难实现高分辨率的精细采样。另外，简单加大采样密度会导致采样成本加大，并伴有数据冗余性大等问题。
TACAN作为一种无线电导航系统，可以为航空飞行器提供距离、方位信息，解算出飞行器相对基准点位置，实现极坐标定位。信号基本组成为高斯脉冲，其上升沿和下降沿宽度皆为2.5±0.5μs，脉冲宽度为3.5±0.5μs。TACAN接收机可采用数字化峰值提取方法获取脉冲到达时间和对应的峰值幅度参数。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法，从采集的原始数据出发，利用空间相关性，使用反演重构方法对校验飞机采集到的信号进行空间置信推演，在算法层面实现与物理上增加采样密度的相同效果，提供一种更加科学的TACAN信号空间场型描述方式，为后续导航信号质量的精细化评估提供帮助。
本发明提供的一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法，包括以下步骤：
步骤1，TACAN接收机获取TACAN信号并处理特征信息，实现对无人机的定位；
TACAN地面信标发射脉冲电磁波信号，无人机搭载的TACAN接收机提取脉冲信号峰值、相位特征，计算得出无人机相对TACAN地面信标的方位和斜距，实现极坐标定位；
步骤2，TACAN接收机实时将位置信息发送给无人机飞行校验系统数据处理模块，进行坐标转换，将TACAN接收机定位结果与无人机基准定位结果转换至同一坐标系下；
所述无人机上搭载TACAN接收机，该设备持续跟踪TACAN地面信标发射的电磁波信号，提取信号参数，并将相应的航迹信息传回无人机飞行校验系统数据处理模块；无人机还利用北斗接收机在航迹上不同观测点定位，以修正飞行方向；
步骤3，对无人机TACAN接收机采集的位置数据进行反演处理，重构出高密度、高置信度的三维空间数据；采用空间插值技术进行场型的重构反演，根据研究区域内存数据的空间相关性，利用已知数据点，通过函数关系对其余未知数据点进行内插或外推，其实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未知样点进行线性无偏、最优估计。
步骤4，利用反演重构后得到数据信息，计算误差、弯曲、抖动等航道信息。
步骤5，评估导航参数是否满足容限要求，以进一步确定TACAN信号场型是否安全可用。
进一步的，所述步骤1，无人机搭载的TACAN信号接收机对采集的TACAN地面信标发射的电磁波信号，得到信号频率、强度、方向、斜距和时间等相关参数。
进一步的，所述步骤2，将信号相关参数和无人机自身经纬度坐标等信息传回无人机飞行校验系统数据处理模块；数据处理模块将TACAN接收机采集的所述信号相关参数进行坐标转换，得到各种数据在地理坐标系下的表示。数据处理模块能够实时检测无人机航迹，并时序更新信息与无人机进行通信，一旦检测到无人机飞离预定轨迹，则会立即向无人机发送控制信息，使得无人机按照其导航模块的引导进行航迹修正，期间无人机搭载的TACAN接收机持续跟踪该信号。
进一步的，所述步骤3，对无人机采集信号进行反演重构的具体过程为：选取空间剖分网格线上合适的离散点建立插值模型，并以此对无人机采集图像进行重采样内插。
进一步的，所述步骤4，计算误差、弯曲、抖动等航道信息的具体过程为：将TACAN接收机与航迹信息进行时间同步，搜索斜距或过近或者仰角过大的数据，予以排除；对经过筛选的无人机采集信号进行滤波，进而计算误差、弯曲、抖动等指标参数。
进一步的，所述步骤5，将步骤4中计算出的指标参数与无线电导航系统飞行校验国际标准文件中的容限要求比对，存储并显示该判断结果，同时在GIS地图中标记出信号场型发生畸变的位置及相关信息。
所述的TACAN接收机搭载于无人机上，用于获取检测区域内的TACAN信号并提取信号有关参数，将信号相关参数及终端自身位置发送给数据处理模块。
所述的数据处理模块，用于处理TACAN接收机和无人校验飞机自身定位系统获取到的定位信息，对比多传感器获取的定位信息，检测TACAN场型是否发生畸变，并将场型信息与地理信息系统信息结合，实现对畸变场点进行可视化标定。具体过程为：对TACAN接收机采集信号进行预处理，删除超过距离阈值以及超过仰角阈值的数据；对筛选出的信号进行坐标转换与滤波处理，然后测量数据与基准定位信息对比计算，并将计算结果导入地理信息系统GIS，在系统中将超出容限场域标定限用。
所述的无人机通过获取数据处理模块的反馈信息，及时调整、修正无人机飞行路径。
本发明的优点在于从算法层面实现与物理上增加采样密度的相同效果，无人机在飞行校验中采用三维插值反演重构算法，提供一种更加科学的TACAN信号空间场型描述方式，为后续导航信号质量的精细化评估提供帮助，数据冗余性小、空间精细度高、更加科学完备。
附图说明
图1为TACAN工作原理示意图；
图2为TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法的原理框图；
图3为本发明的一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明更易于理解，下面对本发明的具体实施方式进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用意解释本发明，并不限定于本发明，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图2所示，本发明实施例实现的一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法，包括5个步骤，下面对各步骤的实现进行具体说明。
步骤1，TACAN接收机获取TACAN信号并处理特征信息，实现对无人机的定位，具体过程为：
无人机搭载TACAN信号接收机按照预设路线飞行，采集规定路径上的信号。接收机采集地面TACAN信标发射脉冲电磁波信号，进行预处理，提取脉冲信号峰值、相位特征，计算得出无人机相对TACAN地面信标的方位
和斜距
，实现极坐标定位；将获取的信号频率、强度、方位、斜距时间等相关参数和检测终端自身在WGS-84大地坐标系下的经纬度坐标存储并传回数据处理模块。
步骤2，数据处理模块对无人机发送的数据进行坐标转换，将TACAN接收机定位结果与无人机基准定位结果转换至同一坐标系下，具体过程为：
设无人机从其上搭载的定位系统中获取到的WGS-84自身定位坐标为
，已知TACAN地面信标的WGS-84定点位置坐标为
。评估TACAN定位精度时用到的是接收机和台站之间的确切的方位角
和直线距离
。所以，数据处理主要会涉及WGS-84大地坐标系、地心地固空间直角坐标系、用户坐标系之间的坐标转换。在下文的坐标转换中，
代表经度，
代表纬度，
代表高度。
WGS-84大地坐标系中的点坐标
转换为空间直角坐标系坐标
，两种坐标之间的转换关系是
其中，
为椭球面卯酉圈的曲率半径
利用公式（1），将无人机定位信息由WGS-84坐标系下的
转换成空间直角坐标系下的 
；将TACAN信标定位信息由WGS-84坐标系下的
转换成空间直角坐标系下的
。进而通过公式（4）可以计算基准斜距
作为比较的参考基准。
基准参考方位角
涉及到目标和用户之间的相对关系，需要在用户坐标系中进行计算。因此涉及从空间直角坐标到用户坐标系的转换计算，这两种坐标系之间的转换关系是：
其中，
是转换后目标在用户坐标系下的坐标；
是目标在直角坐标系下的坐标，
是用户在直角坐标系下的坐标；
和
分别是用户在WGS-84坐标系下的经度和纬度。
将
和
以及
和
代入公式（5），可以得到
即在以TACAN信标为原点的用户坐标系中无人机的坐标位置。参考方位角
可以通过公式（6）计算得到。
所述无人机上搭载的TACAN接收机正常情况下能够持续跟踪TACAN地面信标发射的电磁波信号，提取信号特征参数，并将相应的航迹信息传回无人机飞行校验系统数据处理模块。同时，无人机还实时监测基准定位信息，用来及时修正飞行路径。
步骤3，对TACAN接收机采集的数据信息进行空间反演处理，重构出高密度、高置信度的三维空间数据，具体过程为：
（1）明确TACAN系统在三维空间中的工作范围，对数据进行预处理，将TACAN接收机采集信号与航迹信息进行时间同步，预先设置距离阈值与无人机姿态角阈值，筛除超出工作距离阈值以及无人机姿态角过大的数据；
（2）对于经过筛选的观测数据，例如：方位
、斜距
、信号强度
等参量，分别按照公式7和公式8计算两两数据点之间的距离
与半方差
。
其中，
表示在空间位置
处的测量值，
、
、
等参量都可以用
表示；
表示三维空间中点
与点
之间的欧式距离；
表示点
与点
的半方差，该参数可以刻画两点之间的关联程度，半方差越小，证明空间两点的关联度越强；反之，则证明空间两点的关联性越弱；
（3）对每一种参量，分别以
为横坐标，
为纵坐标绘制散点图，寻找一个拟合曲线，拟合距离与半方差的关系
，从而能根据任意距离计算出相应的半方差；
（4）对于待估计的空间点，计算它到所有已知点距离，进而根据拟合关系曲线计算得出该待估计点到每个已知点的半方差来描述与该点的相关程度，半方差参数也将用于下一步中最优系数的求解；
（5）将通过上面几步计算得到的参数代入下列矩阵方程组求解最优系数
。
（6）用最优系数对已知点的属性值进行加权求和，得到待估计点
的估计值。
本发明实施例中，可以实现对空间指定位置
处TACAN接收机的斜距估计值
、方位估计值
以及信号强度估计值
，在算法层面实现了与物理上加大采样率相同的效果。
步骤4，利用步骤3反演重构得到数据信息，计算误差、弯曲、抖动等航道信息，具体过程为：
计算斜距、方位角的绝对误差。
为削弱随机误差的影响，可以采取算术平均滤波方法对通过上式计算出的绝对误差进行滤波。滤波后的方位角误差还可继续用作后续计算弯曲与抖动。
最大绝对弯曲：
最大绝对抖动：
步骤5，评估导航参数是否满足容限要求，以确定TACAN信号场型是否安全可用，具体过程为：
参照相关标准规范中对TACAN的容限规定，对经过步骤3反演重构以及步骤4指标计算的处理后的数据进行分析。对信号强度、测距误差、测向误差等场型指标参数超出容限规定的空间部分进行空间限定。同时在GIS地图中标记出改畸变场型的位置以及相关评估信息。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：无人机搭载TACAN接收机采集地面TACAN信标发射的脉冲电磁波信号，进行预处理，提取脉冲信号峰值、相位特征，计算得出无人机相对TACAN地面信标的方位和斜距，实现极坐标定位；将获取的信号频率、强度、方位、斜距时间相关参数和无人机自身搭载的定位系统获取的WGS-84大地坐标系下的经纬度坐标存储并发送给无人机飞行校验系统数据处理模块；
步骤2：无人机飞行校验系统数据处理模块对步骤1发送的数据进行坐标转换，将TACAN接收机定位结果与无人机基准定位结果转换至同一坐标系下；
步骤3：对无人机TACAN接收机采集的位置数据采用空间插值技术进行重构反演，重构出高密度、高置信度的三维空间数据，具体包括以下过程：
（1）明确TACAN系统在三维空间中的工作范围，对数据进行预处理，将TACAN接收机采集信号与航迹信息进行时间同步，预先设置距离阈值与无人机姿态角阈值，筛除超出工作距离阈值以及无人机姿态角过大的数据；
（2）对于经过筛选的方位、斜距、信号强度观测数据，分别计算两两数据点之间的距离
与半方差
；
（3）对每一种参量，分别以
为横坐标，
为纵坐标绘制散点图，拟合距离与半方差的关系
，从而能根据任意距离计算出相应的半方差；
（4） 计算待估计的空间点到所有已知点距离，根据拟合关系曲线计算该待估计点到每个已知点的半方差；
（5）根据所有距离点的半方差参数求解最优系数；
（6）用最优系数对已知点的属性值进行加权求和，得到待估计点的估计值；
步骤4：利用步骤3反演重构后得到数据信息，计算斜距、方位角的绝对误差、最大绝对弯曲、最大绝对抖动；
步骤5：参照相关标准规范中对TACAN的容限规定，对经过步骤3反演重构以及步骤4指标计算的处理后的数据进行分析，对信号强度、测距误差、测向误差场型指标参数超出容限规定的空间部分进行空间限定，同时在GIS地图中标记出改畸变场型的位置以及相关评估信息评估导航参数是否满足容限要求，以确定TACAN信号场型是否安全可用。
2.如权利要求1所述的一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法，其特征在于，所述步骤4为了削弱随机误差的影响，采取算术平均滤波方法对计算出的绝对误差进行滤波，并将滤波后的方位角误差用于后续计算弯曲与抖动。
3.如权利要求1所述的一种TACAN空间信号场型的飞行校验评估方法，其特征在于，所述无人机通过获取飞行校验系统数据处理模块的反馈信息，及时调整修正无人机飞行路径。
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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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