CN114274140B - 基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法及系统,包括根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作,所得机械臂动作为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进;根据卫星实际轨迹和机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,检验机械臂动规划效果。本发明能够根据标定场所位置信息和卫星星座设计,对机械臂动作进行适应性规划,从而达到天线盘面内观测值较为均匀且全面的覆盖,提高天线相位标定精度和标定速度。
Description
技术领域
本发明属于天线测量技术与卫星导航定位领域,具体涉及一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划技术方案,实现地面接收机天线相位中心室外绝对标定中机械臂动作规划。
背景技术
对于地面接收天线,信号的相位接收位置随着信号从不同方位入射存在变化,导致不同方向的相位观测值存在差异,对于高精度卫星导航应用有较大影响。因此,在实际应用中,需要对天线相位中心模型(Antenna Phase Model,APC)进行标定,建立对应的天线相位改正模型。
由于星座设计,对于固定的标定场,卫星的轨迹变化缓慢,并且无法全方位覆盖。因此,在天线相位标定过程中,需要使用机械臂对待测天线进行旋转和倾斜,从而对APC进行快速精确标定。在室外绝对天线相位标定过程中,需要顾及卫星在天线盘面内的覆盖性,由于星座设计以及标定场固定的原因,卫星不能完全覆盖整个天线盘面,因此需要通过规划机械臂的动作,使得卫星能够较为均匀地覆盖盘面。本发明根据标定场地位置信息,提出了一种机械臂动作的规划方法。
相关术语:
GNSS:全球导航卫星系统
PPP:卫星导航精密单点定位
发明内容
本发明要解决的技术问题是:GNSS天线室外绝对标定中,由于标定场所和星座设计的限制,卫星无法完全覆盖整个天线盘面的缺陷,因此,基于标定场所的位置信息,提出了一种机械臂动作的规划方法,使得卫星能够均匀覆盖天线。
本发明技术方案提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法,包括以下步骤:
步骤1,根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;
步骤2,根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;
步骤3,基于步骤2所得结果,根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作,所得机械臂动作为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进;
步骤4,根据卫星实际轨迹和步骤3所得机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,检验机械臂动规划效果。
而且,步骤1的实现方式包括以下子步骤,
第一步,获取标定场所坐标,在标定场所采集静态GNSS数据,使用事后精密星历和钟差产品,进行PPP定位,获取标定场空间直角坐标;
第二步,根据空间直角坐标计算标定场经纬度;
第三步,迭代进行第二步进行直到误差满足要求为止。
而且,步骤2的实现方式包括以下子步骤,
第一步,获取一个星下点轨迹回归周期的卫星星历,然后计算回归周期内的卫星位置;
第二步,根据卫星位置和标定场位置计算卫星在标定场当地的高度角,对一个回归周期内所有高度角数据,记录高度角最大值。
而且,步骤3的实现方式包括以下子步骤,
第一步,根据测站位置和卫星最大高度角确定机械臂动作范围,包括确定机械臂相对于当地的铅垂线倾斜的范围和在盘面内旋转的范围,保证经过倾斜后,卫星能覆盖整个高度角范围;
第二步,基于第一步所得结果,确定机械臂不同时刻动作的递推关系。
而且,确定机械臂不同时刻动作的递推关系实现方式如下,
确定机械臂相对于当地的铅垂线倾斜的范围为[Xl Xu],在盘面内旋转的范围为[Yl Yu],其中,Xl表示倾斜动作的下限,Xu表示倾斜动作的上限,Yl表示旋转动作的下限,Yu表示倾斜动作的上限;
机械臂t时刻的倾斜角度x(t)和旋转角度y(t)的递推关系为:
其中,dx和dy分别为每次在倾斜角和旋转角上的步进量,kx和ky表示当前状态的倾斜和旋转步进方向。
而且,步骤4的实现方式包括以下子步骤,
第一步,获取空间直角坐标系到当地坐标系的转换矩阵,该矩阵用于把卫星与天线的方向向量转换到当地NEU坐标系下;
第二步,根据步骤3规划的机械臂动作,获取当地NEU坐标系到机械臂坐标系的转换矩阵;
第三步,计算规划后导航卫星在天线盘面的高度角和方位角,确认采用规划的机械别动作之后,天线盘面的卫星覆盖情况。
本发明提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,用于实现如上所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
而且,包括以下模块,
第一模块,用于根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;
第二模块,用于根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;
第三模块,用于基于第二模块所得结果,根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作,所得机械臂动作为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进;
第四模块,用于根据卫星实际轨迹和第三模块所得机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,检验机械臂动规划效果。
或者,包括处理器和存储器,存储器用于存储程序指令,处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
或者,包括可读存储介质,所述可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序执行时,实现如上所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
本发明具有如下的有益效果:
本发明提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法,实现地面接收机天线相位中心室外绝对标定中机械臂动作规划,可以根据测站位置和卫星系统星座设计,综合考虑机械臂的设备特性,进行机械臂动作规划,在天线绝对相位中心室外标定中,改变稀疏的天线轨迹,使得卫星在天线盘面能够均匀覆盖,加快天线相位中心偏差(PhaseCenter Offset,PCO)标定过程的收敛速度,同时天线盘面的全覆盖也能够获取和高度角以及方位角相关的整体天线相位变化(Phase Center Variation,PCV)。
附图说明
图1为本发明实施例的倾斜和旋转的路径图。
图2为本发明实施例的原始卫星轨迹和经过规划后的机械臂动作改善的卫星轨迹示意图,其中图2a为本发明实施例的原始卫星轨迹示意图,图2b为经过规划后的机械臂动作改善的卫星轨迹示意图。
图3为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明针对地面卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收天线标定过程中,由于测站地理位置以及卫星导航星座设计的影响,天线盘面内可能存在观测值覆盖不均以及无观测值覆盖的现象,提出了一种基于测站地理位置以及卫星星座设计的机械臂动作规划方案。本发明的优点是能够根据标定场所位置信息和卫星星座设计,对机械臂动作进行适应性规划,从而达到天线盘面内观测值较为均匀且全面的覆盖,提高天线相位标定精度和标定速度。
参见图3,本发明实施例所提供的基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法,包括实施步骤如下:
步骤1:根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;
由于导航卫星的星座设计,导致了不同经纬度的标定场上空,卫星的覆盖情况不一致,因此,首先获取标定场的大地坐标,大地坐标的计算需要知道标定场的空间直角坐标,一般可以采用GNSS数据进行单点定位得到近似的标定场坐标,精度在米级,也可以采用载波相对定位或者精密单点定位,精度可达厘米级。
实施例中,步骤1优选采用以下子步骤实现:
1.1)获取标定场所坐标,在标定场所采集静态GNSS数据,使用事后精密星历和钟差产品,进行PPP定位,获取厘米级精度的标定场空间直角坐标P0=(X,Y,Z),以某标定场地为例,其坐标为:P0=(-2281261.4169,5004537.1109,3219018.8902)
1.2)根据空间直角坐标P0计算标定场经纬度:
其中,
(x,y,z)为测站的空间直角坐标,e为参考椭球偏心率,N为卯酉圈半径。
为大地纬度,λ为大地经度,h为大地高。。
1.3)因为在步骤1.2中纬度φ和卯酉圈半径N的计算需要互相依靠,因此对步骤1.2进行迭代计算,直到误差满足要求为止。实施例中,经过迭代计算该标定场所的经纬度为φ=30.5076559839881N,λ=114.505331835425E
步骤2:根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;
本步骤从外部数据源获取一个卫星系统一个重复周期内的导航星历,使用步骤1中的测站坐标计算至少一个重复内的卫星最大高度角。
实施例中,步骤2优选采用以下子步骤实现:
2.1)获取一个星下点轨迹回归周期的卫星星历,不同导航系统卫星的回归周期分别为:GPS1天,北斗7天,Galileo13天。然后计算回归周期内的卫星位置P1=(X1,Y1,Z1)。本例中从IGS数据获取了上述GNSS系统的综合广播星历。
2.2)根据卫星位置和标定场位置计算卫星在标定场当地的高度角ele,公式如下:
其中,是标定场空间直角坐标,/>是卫星空间直角坐标,/>表示标定场坐标的单位向量,/>表示标定场与卫星连线的单位方向向量;||表示求向量的模长;
对一个回归周期内所有高度角数据,取最大值,记为elemax,本实施例中,最大高度角为90°。
步骤3:根据天线标定策略规划机械臂动作;
本步骤根据步骤2所得结果,根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作。机械臂的动作主要包括快速的旋转和倾斜,并且动作前后两个点位之间在倾斜和要求存在一定量的差异。同时,机械臂存在物理动作上的限差,因此需要将两者进行综合考虑。机械臂动作的主要思路为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进。
实施例中,步骤3优选采用以下子步骤实现:
3.1)根据测站位置和卫星最大高度角确定机械臂动作范围。
机械臂的动作主要包括快速的旋转和倾斜,并且动作前后两个点位之间在倾斜和要求存在一定量的差异,因此,确定机械臂相对于当地的铅垂线倾斜的范围,在盘面内旋转的范围。配置机械臂的动作范围,保证经过倾斜后,卫星能覆盖整个高度角范围。实施例中确定机械臂相对于当地的铅垂线倾斜的范围为[Xl Xu],在盘面内旋转的范围为[Yl Yu]。
其中,Xl表示倾斜动作的下限,Xu表示倾斜动作的上限,Yl表示旋转动作的下限,Yu表示倾斜动作的上限。对于Xl和Xu,正值表示向南倾斜,负值表示向北倾斜。
当elemax等于90°时,Xl和Xu的选取不受限制。
当elemax小于90°时,如果测站位于北半球,则Xu>90°-elemax;如果测站位于南半球,则Xl<elemax-90°;只有满足上述条件,才能保证经过倾斜后,卫星能覆盖整个高度角范围。本实施例中选取的天线倾斜范围是[-20°40°],旋转范围是[0°360°]。
3.2)根据3.1)所得步骤确定机械臂动作范围,确定机械臂不同时刻动作的递推关系:
机械臂t时刻的倾斜角度x(t)和旋转角度y(t)的递推关系为:
其中,x(t)和y(t)的初始值记为(x(0),y(0)),每次在倾斜角和旋转角上的步进量分别为dx和dy,|kx|=|ky|=1,kx和ky表示当前状态的倾斜和旋转步进方向,初始状态一般可取kx=ky=1,当kx=1或ky=1时,表示倾斜或旋转处于递增状态,反之,处于递减状态,当x(t)+kxdx>Xu或者x(t)+kxdx<Xl时,步进方向取反,即kx=kx×(-1),ky同理。
实际数据采集时,机械臂的动作需要预先设置,因此需要对机械臂进行动作编程,根据测站坐标和卫星星座确定动作的递推关系。
基于3.1)所得步骤确定机械臂动作范围,可以确定动作范围的上下限,用于3.2)中进行状态判定。
递推式(4)用于确定运动路径和姿态,用于4.2)中Ml2r矩阵输出。
本例中,初始点选取(0,0),dx=10,dy=15,并按照递推公式(4)进行机械臂控制命令编写动作指令。倾斜和旋转的动作路径如图1所示,从初始倾斜和旋转角(0,0)出发,机械臂的旋转和倾斜角度分别按照公式(4)进行连续变化,最后构成图1中的轨迹,上述轨迹可以多次重复运行。
步骤4:根据卫星轨迹和机械臂动作数据确认天线盘面的卫星覆盖情况;
本步骤根据卫星实际轨迹和步骤3中机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,以此检验机械臂动规划的效果。
实施例中,步骤4优选采用以下子步骤实现:
4.1)获取空间直角坐标系到当地坐标系NEU的转换矩阵Mxyz2neu,该矩阵用于把卫星与天线的方向向量转换到当地NEU坐标系下,Mxyz2neu和标定场所的经纬度相关,其计算如下:
其中,φr表示测站的纬度,λr表示测站经度。
4.2)根据3.2)所得规划的机械臂动作,获取当地NEU坐标系到机械臂坐标系的转换矩阵Ml2r,该矩阵由机械臂的控制设备输出,和设备的具体配置以及安装信息相关。
4.3)计算规划后导航卫星在天线盘面的高度角和方位角,确认采用规划的机械臂动作之后,天线盘面的卫星覆盖情况。
其中,Ml2r表示当地NEU坐标系转换到机械臂末端坐标系robot的转换矩阵,该矩阵由机械臂控制系统根据当前机械臂的姿态X(t)和Y(t)输出,根据3.2)中规划的运动路径得到;Mxyz2neu表示从空间直角坐标系XYZ转换到当地NEU坐标系的转换矩阵,该矩阵根据公式(5)计算,表示卫星在空间直角坐标系下单位方向向量,/>表示卫星在机械臂末端坐标系robot中单位方向向量。
卫星在天线盘面内的方位角和高度角计算如下所示:
其中,elevation表示卫星高度角,azimuth表示卫星方位角en表示卫星方向向量的北方向分量,ee表示卫星方向向量的东方向分量,eu表示卫星方向向量的高程方向分量。
最终,在本例中,天线盘面的原始卫星轨迹和经过规划后的机械臂动作改善的卫星轨迹如图2所示,可以明显看出,经过规划后,天线盘面的卫星覆盖得到了极大的改善,为天线标定创造了有利的条件。
本发明可根据不同的标定场位置和卫星星座轨道设计来规划机械臂动作,从而提高天线相位标定的精度和效率。
本文档说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
具体实施时,本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程,实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备,也应当在本发明的保护范围内。
在一些可能的实施例中,提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,包括以下模块,
第一模块,用于根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;
第二模块,用于根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;
第三模块,用于基于第二模块所得结果,根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作,所得机械臂动作为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进;
第四模块,用于根据卫星实际轨迹和第三模块所得机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,检验机械臂动规划效果。
在一些可能的实施例中,提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,包括处理器和存储器,存储器用于存储程序指令,处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
在一些可能的实施例中,提供一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,包括可读存储介质,所述可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序执行时,实现如上所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;
步骤2,根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;
步骤3,基于步骤2所得结果,根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作,所得机械臂动作为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进;
实现方式包括以下子步骤,
第一步,根据测站位置和卫星最大高度角确定机械臂动作范围,包括确定机械臂相对于当地的铅垂线倾斜的范围和在盘面内旋转的范围,保证经过倾斜后,卫星能覆盖整个高度角范围;
第二步,基于第一步所得结果,确定机械臂不同时刻动作的递推关系;
确定机械臂不同时刻动作的递推关系实现方式如下,
确定机械臂相对于当地的铅垂线倾斜的范围为[Xl Xu],在盘面内旋转的范围为[YlYu],其中,Xl表示倾斜动作的下限,Xu表示倾斜动作的上限,Yl表示旋转动作的下限,Yu表示倾斜动作的上限;
机械臂t时刻的倾斜角度x(t)和旋转角度y(t)的递推关系为:
其中,dx和dy分别为每次在倾斜角和旋转角上的步进量,kx和ky表示当前状态的倾斜和旋转步进方向;
步骤4,根据卫星实际轨迹和步骤3所得机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,检验机械臂动规划效果;
实现方式包括以下子步骤,
第一步,获取空间直角坐标系到当地坐标系的转换矩阵,该矩阵用于把卫星与天线的方向向量转换到当地NEU坐标系下;
第二步,根据步骤3规划的机械臂动作,获取当地NEU坐标系到机械臂坐标系的转换矩阵;
第三步,计算规划后导航卫星在天线盘面的高度角和方位角,确认采用规划的机械动作之后,天线盘面的卫星覆盖情况。
2.根据权利要求1所述的基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法,其特征在于:步骤1的实现方式包括以下子步骤,
第一步,获取标定场所坐标,在标定场所采集静态GNSS数据,使用事后精密星历和钟差产品,进行PPP定位,获取标定场空间直角坐标;
第二步,根据空间直角坐标计算标定场经纬度;
第三步,迭代进行第二步进行直到误差满足要求为止。
3.根据权利要求1所述的基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法,其特征在于:步骤2的实现方式包括以下子步骤,
第一步,获取一个星下点轨迹回归周期的卫星星历,然后计算回归周期内的卫星位置;
第二步,根据卫星位置和标定场位置计算卫星在标定场当地的高度角,对一个回归周期内所有高度角数据,记录高度角最大值。
4.一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,其特征在于:用于实现如权利要求1-3任一项所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
5.根据权利要求4所述基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,其特征在于:包括以下模块,
第一模块,用于根据室外标定场坐标,计算标定场经纬度;
第二模块,用于根据卫星星历计算标定场所一个星下点重复周期内的静止状态下的最大高度角;
第三模块,用于基于第二模块所得结果,根据标定场坐标和实测数据下的卫星最大高度角确定机械臂动作,所得机械臂动作为从起始点开始,在倾斜角和旋转角上同时步进一定量,当倾斜或者旋转角达到机械臂的物理限差时,向相反方向步进;
第四模块,用于根据卫星实际轨迹和第三模块所得机械臂动作规划,计算天线盘面的卫星覆盖情况,检验机械臂动规划效果。
6.根据权利要求4所述基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,其特征在于:包括处理器和存储器,存储器用于存储程序指令,处理器用于调用存储器中的存储指令执行如权利要求1-3任一项所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
7.根据权利要求4所述基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划系统,其特征在于:包括可读存储介质,所述可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序执行时,实现如权利要求1-3任一项所述的一种基于室外天线标定场地位置的机械臂动作规划方法。
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