CN115032669B - 基于北斗系统的无线电定高装置应用改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗系统的无线电定高装置应用改进方法，主要包括北斗系统‑无线电定高装置协同导航算法模块和考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法模块。其中，北斗系统‑无线电定高装置协同导航算法模块是考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法模块的前提，用于初步构建关于基于高度表的飞行器导航算法；考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法在北斗系统‑无线电定高装置协同导航算法模块的基础上，基于飞行器的运动状态以及当地真实地球物理数据，对导航方程予以修正。本发明提出的北斗‑无线电高度表协同导航算法可以使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，可以解决可用卫星较少时的飞行器自主导航问题；进一步，考虑了地球自转、扁率、垂线偏差等复杂地球物理因素，基于真实地球测绘信息对卫星、高度表测量方程进行修正。本发明能够使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，拓展高度表应用场景，进一步降低飞行器的总体设计复杂度、使用成本以及器件故障率。

Description

基于北斗系统的无线电定高装置应用改进方法

技术领域

本发明属于飞行器制导、导航与控制领域，涉及一种基于北斗系统的无线电定高装置应用改进方法。

背景技术

无线电定高装置是一种重要的航空仪表，它利用无线电波传播时延测量飞行器的高度，具有较大的测高范围、较高的测量精度、较快的生产速度、较宽的应用范围和较低的使用成本，能够为飞行器的制导、导航、控制系统提供十分关键的高度信息，对飞行器的综合效能提示具有重要意义，已广泛装备于飞机、导弹、无人机、直升机等领域。

目前，在无线电定高装置的实际应用中面临着如下几点问题：

（1）无线电定高算法只能获得高度信息

无线电定高装置是一种重要的航空仪表，主要利用无线电波传播时延测量飞行器的高度，根据测量方法不同可分为调频式高度表、伪码测距高度表和脉冲式高度表等。但无论哪种高度表，都只能获得飞行器的高度信息，而不能获得时间、位置等信息。

（2）卫星导航算法需要至少四颗卫星

卫星从不同位置、角度出发观测同一目标，给出测距信息和时间信息，然后通过不少于四个观测方程解出被观测目标的四维运动状态信息，即三维坐标和时间。但在一些情况下，飞行器难以持续获得不少于四颗卫星的测量支持，如低成本及小型导弹不配备北斗接收机，以及导弹集群难以获取足够的卫星资源。

结合我国中国北斗系统的逐渐完善和深入应用，本发明以北斗系统辅助无线电定高装置为背景，面向定高装置未来的应用前景发展趋势，考虑真实复杂地球物理因素，提出一种定高装置应用改进算法，使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，拓展高度表应用场景，进一步降低飞行器的总体设计复杂度、使用成本以及器件故障率。同时，针对可用卫星数量较少致使飞行器无法完全依靠北斗系统的情况，本发明可实现高度表-北斗协同自主导航。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于北斗系统的无线电定高装置应用改进方法，使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，拓展高度表应用场景，进一步降低飞行器的总体复杂度、使用成本以及器件故障率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

（1）设计北斗系统-无线电定高装置协同导航算法

根据卫星导航原理，在地心坐标系下，卫星对飞行目标的伪距观测方程如下：

式中：(x,y,z)为飞行器位置，(X _i ,Y _i ,Z _i )为第i颗北斗卫星的位置，c为光速，t为北斗接收机上的时间即飞行器当前时刻，T为卫星时钟(已知量)。因此，需求解四个未知数来确定飞行器的位置和时间。

（2）考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法

首先，考虑地球自转，分析从卫星发出信号到飞行器接收到信号这段时间里地球转过的角度，设计卫星测量量修正算法；其次，虑垂线偏差，根据飞行器的飞行航向，提出定高装置测得信号补偿算法。

本发明提出的北斗-无线电高度表协同导航算法可以使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，可以解决可用卫星较少时的飞行器自主导航问题；同时，考虑了地球自转、扁率、垂线偏差等复杂地球物理因素，基于真实地球测绘信息对卫星、高度表测量方程进行修正。

附图说明

为了清楚地说明本发明的技术方案，下面将介绍实施例附图。对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的北斗系统-无线电定高装置协同导航算法示意图。

图2为本发明实施例提供的垂线偏差示意图。

图3为本发明实施例提供的某区域内垂线偏差变化示意图。

对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，通过改变初始条件、终端条件以及剖面设计参数，还可以获得其他附图。

具体实施方式

下面结合本发明技术中的附图，对本发明的技术方案进行详细描述；所描述的实施例并非本发明的全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在未做出创造性劳动的前提下，所获得的其他实施例都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于北斗系统的无线电定高装置应用改进方法，能够使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，拓展其应用场景，进一步降低飞行器的总体复杂度，并基于真实地球测绘信息对卫星、高度表测量方程进行了修正。主要包括：北斗系统-无线电定高装置协同导航算法模块和考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法模块；其中：

（1）北斗系统-无线电定高装置协同导航算法模块是考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法模块的前提，用于初步构建关于基于高度表的飞行器导航算法。

根据卫星导航原理，在地心坐标系下，卫星对飞行目标的伪距观测方程如下：

式中：(x,y,z)为飞行器位置，(X _i ,Y _i ,Z _i )为第i颗北斗卫星的位置，c为光速，t为北斗接收机上的时间即飞行器当前时刻，T为卫星时钟(已知量)。因此，需求解四个未知数来确定飞行器的位置和时间。

当只有三颗星时上述方程没有唯一解，需要引入第四个方程。设高度表测得的飞行器高度为h，则可以建立如下方程：

式中：R _e 为当地的地球半径，即飞行器弹下点到地心的距离。

式中：a _e 为地球平均半径，e _E 为地球偏心率，

为弹下点地心纬度。根据飞行器位置 (x,y,z)可得：

因此，结合式~，可求出(x,y,z)和t。

（2）考虑真实复杂地球物理因素的改进导航算法在北斗系统-无线电定高装置协同导航算法模块的基础上，基于飞行器的运动状态以及当地真实地球物理数据，对导航方程予以修正。

对于式，从卫星发出信号到飞行器接收到信号这段时间里，地球转过了(ω _e τ)角度，其中ω _e 为地球自转角速度，τ为信号传播时间。设τ时间内，(x,y,z)发生变化(δx,δy,δ z)，则有：

考虑(ω _e τ)为小量，则需要在每个卫星的测量量上加上一个修正值：

通常假设地球为正常椭球体，以椭球面铅垂线为基准建立坐标系，但实际上真实 铅垂线通常需要借助测量装置确定，与理想假设并不一致(图2)，它们之间的夹角在大地测 量学中被称为垂线偏差。设垂线偏差在当地子午面和卯酉面内的分量分别为

和

，以真 实铅垂线偏向理想铅垂线正北和正东时为正。

定高装置测得的是飞行器到当地水准面的距离，而非到椭球表面的距离；这是因为无线电信号是由当地水准面反射回来的，而不是从“虚拟的”椭球模型表面反射回来的。高度表测出的h值代表飞行器到当地水准面间的距离，而式中的h值代表飞行器到标准椭球面间的距离。因此，在利用标准椭球体代替地球并建立坐标系时，需要对式中的h值加以修正。

在飞行器弹下点处建立北天东坐标系，记飞行器在该坐标系中的位置为(x _b ,y _b ,z _b )，根据高度表测量结果，在理想情况下有x _b =0、y _b =0且z _b =h。考虑垂线偏差后，有：

式中：

为考虑垂线偏差时，飞行器在北天东坐标系下的航向。根据实测 地理数据，经插值可获得垂线偏差

和

值，以福州地区为例，在100km×100km的区域内， 垂线偏差变化如图2所示。可见，地球表面在多数情况下并不规则，垂线偏差不可忽略。

因此，在测量方程中应使用修正后的高度值：

以三颗卫星+一组无线电定高装置为例，改进后的飞行器导航方程如下：

其中，R_t＝f(x，y，z，h)。

本发明具有如下优点：

1）本发明提出的北斗-无线电高度表协同导航算法可以使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，可以解决可用卫星较少时的飞行器自主导航问题。

2）本发明考虑了地球自转、扁率、垂线偏差等复杂地球物理因素，基于真实地球测绘信息对卫星、高度表测量方程进行修正。

上述仅为本发明诸多具体实施方式中的一种，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明所披露的技术范围内可轻易想到的变化或替换都涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.基于北斗系统的无线电定高装置协同导航方法，其特征在于，使高度表具备高度信息测量能力的同时获得自主导航功能，可用卫星较少时的飞行器自主导航；

根据卫星导航原理，在地心坐标系下，卫星对飞行目标的伪距观测方程如下：

（1）

式中：(x, y, z)为飞行器位置，(X _i , Y _i , Z _i )为第i颗北斗卫星的位置，c为光速，t为北斗接收机上的时间即飞行器当前时刻，T为卫星时钟；

当只有三颗星时上述方程没有唯一解，需要引入第四个方程；设高度表测得的飞行器高度为h，建立如下方程：

（2）

式中：R _e 为当地的地球半径，即飞行器弹下点到地心的距离；

（3）

式中：a _e 为地球平均半径，e _E 为地球偏心率，φ为弹下点地心纬度；根据飞行器位置(x,y, z)可得：

（4）

因此，结合式(1)~(4)，可求出(x, y, z)和t。

2.根据权利要求1所述的基于北斗系统的无线电定高装置协同导航方法，其特征在于，基于飞行器的运动状态以及当地真实地球物理数据，对导航方程予以修正：

对于式(1)，从卫星发出信号到飞行器接收到信号这段时间里，地球转过了(ω _e τ)角度，其中ω _e 为地球自转角速度，τ为信号传播时间；设τ时间内，(x, y, z)发生变化(δx, δy, δ z)，则第i颗北斗卫星对飞行目标的伪距变化为：

（5）

（6）

考虑(ω _e τ)为小量，则需要在每个卫星的测量量上加上一个修正值：

（7）

对于式(2)中，需要对h值加以修正；在飞行器弹下点处建立北天东坐标系，记飞行器在该坐标系中的位置为(x _b , y _b , z _b )，根据高度表测量结果，在理想情况下有x _b =0、y _b =0且z _b =h；考虑垂线偏差后，有：

（8）

式中：

为考虑垂线偏差时，飞行器在北天东坐标系下的航向；根据实测地理数据，经插值可获得垂线偏差/>

和/>

值；

因此，在测量方程中应使用修正后的高度值：

（9）

考虑三颗卫星+一组无线电定高装置，改进后的飞行器导航方程如下：

（10）

其中，

。

Images