CN117192578A - 一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法。所示方法通过建立双差观测模型，利用机载和船载GNSS设备同步记录原始观测量，结合惯导姿态数据和变形测量数据，解算得到高精度的相对定位结果及比对基准数据，并建立了直接电轴参数标定模型，根据相对定位结果及比对基准数据和直接电轴参数标定模型，得到无人机跟踪的船载测控天线轴系参数标定结果。本方法通过无人机搭载测控频点信标，可以实现直接测控频点的轴系参数标定，在提高标校效率的同时，降低了标校成本。
Description
技术领域
本申请涉及航天测控技术领域，特别是涉及一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法。
背景技术
受安装误差、结构变形、信号频率变化等因素影响，通过轴角编码器直接获取的角度与天线实际指向会存在一定偏差，为了实现海上高精度目标跟踪测量，需要对这一偏差进行修正。在海上，早期由于天线的电轴参数很难直接标定，通常以与天线固连的微光电视光轴为基准(轴系参数包括方位零值、俯仰零值、光机偏差、方位俯仰不正交、大盘不水平值、大盘不水平角度等六个参数)，再结合光电偏差对电轴指向偏差进行修正。其中，光轴轴系参数在坞内进行标定并作为固定参数使用，光电偏差在每次测控前，通过海上跟踪测控频点信标球方式标定。受温度、湿度、船摇晃动等因素的影响，实际上光轴参数也会产生一定程度的变化，针对这种情况，目前主要有两种方式进行标定，一种是以光轴作为中间量，通过跟踪信标球标定光电偏差，再通过同步测恒星的方式，以经纬仪作为基准，标定微光电视光轴轴系参数；另一种是利用跟踪标校星等精轨目标进行直接电轴轴系参数的标定，但为了适应中心机参数装订模式，该方式以光电偏差作为一个已知的过度量，计算得到光轴参数，因此该方式也称为等效轴系参数标定法。第一种方式容易受天气因素的影响，多云天气情况下无法标校，第二种方式，需要进行多天多圈次的跟踪才能覆盖不同方位俯仰角度，得到有效的标定结果，并且标校星等精轨目标频点无法切换，因此该方法无法直接针对测控频点进行轴系参数标定。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法。
一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法，所述方法包括：
根据中心机记盘数据进行USB有效跟踪测量数据提取，得到每个自跟踪时刻及对应的方位观测值和俯仰观测值。
根据机载和船载GNSS设备同时观测的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果。
根据所述机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果、信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标、无人机姿态、船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平坐标系坐标。
根据船摇和变形数据对所述无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平系坐标进行坐标转换，并根据得到的坐标转换结果和大气折射修正值，得到轴系误差修正后的俯仰角和方位角。
根据所述轴系误差修正后的俯仰角和方位角、所述方位观测值以及所述俯仰观测值，建立轴系参数计算方程组，并采用最小二乘法进行求解，得到船载测控天线轴系参数标定结果。
上述跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法，所示方法通过建立双差观测模型，利用机载和船载GNSS设备同步记录原始观测量，结合惯导姿态数据和变形测量数据，解算得到高精度的相对定位结果及比对基准数据，并建立了直接电轴参数标定模型，根据相对定位结果及比对基准数据和直接电轴参数标定模型，得到无人机跟踪的船载测控天线轴系参数标定结果。本方法通过无人机搭载测控频点信标，可以实现直接测控频点的轴系参数标定，在提高标校效率的同时，降低了标校成本。
附图说明
图1为一个实施例中跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法的流程示意图；
图2为另一个实施例中数据预处理流程；
图3为另一个实施例中无人机信标天线相对于USB天线三轴中心位置计算流程。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
随着无人机技术的发展，无人机的成本在不断降低，操控性和功能在不断升级，无人机的应用也在不断的拓展。通过前期的研究，已成功实现固定翼无人机在测量船上的起飞和安全回收，完成了跟踪无人机的数字引导系统、远程频率修改系统和动态航路规划技术，并且成功应于测控过程中的相位检查及光电偏差的标定，在提高标校效率的同时，降低了标校成本。同样，通过无人机搭载测控频点信标，可以实现直接测控频点的轴系参数标定。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法，该方法包括以下步骤：
步骤100：根据中心机记盘数据进行USB有效跟踪测量数据提取，得到每个自跟踪时刻及对应的方位观测值和俯仰观测值。
步骤102：根据机载和船载GNSS设备同时观测的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果。
具体的，在无人机上搭载测控频点信标，可以实现直接测控频点的轴系参数标定。机载GNSS设备是搭载在无人机上的GNSS设备。
采用机载GNSS设备和船载GNSS设备同时观测并记原始测量信息，将船载GNSS设备作为移动基准站。
根据获得的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果。
步骤104：根据机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果、信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标、无人机姿态、船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平坐标系坐标。
步骤106：根据船摇和变形数据对无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平系坐标进行坐标转换，并根据得到的坐标转换结果和大气折射修正值，得到轴系误差修正后的俯仰角和方位角。
步骤108：根据轴系误差修正后的俯仰角和方位角、方位观测值以及俯仰观测值，建立轴系参数计算方程组，并采用最小二乘法进行求解，得到船载测控天线轴系参数标定结果。
上述跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法中，所示方法通过建立双差观测模型，利用机载和船载GNSS设备同步记录原始观测量，结合惯导姿态数据和变形测量数据，解算得到高精度的相对定位结果及比对基准数据，并建立了直接电轴参数标定模型，根据相对定位结果及比对基准数据和直接电轴参数标定模型，得到无人机跟踪的船载测控天线轴系参数标定结果。本方法通过无人机搭载测控频点信标，可以实现直接测控频点的轴系参数标定，在提高标校效率的同时，降低了标校成本。
在其中一个实施例中，步骤100包括：从中心机记盘数据中进行USB跟踪原始策略数据提取，根据提取的数据的状态码，只选用状态码表示自跟踪对应时间段的数据，得到第i个自跟踪时间Ti及对应的方位观测值和俯仰观测值，其中，i＝1,2...,N，N为有效数据的数量。
在其中一个实施例中，步骤102包括：构建双差观测方程，并对双差观测方程进行线性化处理，得到线性后的双差观测方程为：
其中，v为残差，X、N为待估参数，分别表示非模糊度参数和模糊度参数；上标n和m分别表示非模糊度参数的维数和模糊度参数的维数；A、B分别表示为双差观测方程设计矩阵中非模糊度参数X和模糊度参数N的对应子矩阵；l＝L-F(X0,N0)；L为双差观测量。
根据机载和船载GNSS设备同时观测的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标。
具体的，传统的GPS定位结果采用伪距直接求解得到，定位速度快，实时性好，使用方便，但容易受传播误差及钟差等因素的影响，定位精度相对较低，在米的量级。当采用跟踪校星方式进行轴系参数标定时，由于校星距离在几百到上千千米，米级的定位误差转换成角度误差后，在角秒量级，能够满足轴系参数标定的要求。受无人机性能的限制，其相对距离较近(数千米)，米级的定位精度转换成角度后，误差达到几十角秒，很难满足轴系参数标定的精度要求。因此，需要获得更高的定位精度才能满足轴系参数标定的精度要求。传统的载波相位差分GPS，采用精度更高的载波相位作为观测值，通过差分的方式消除部分误差影响，在定位精度上得到了较大的提升，但需要已知精确位置且固定的基准站，在海上，这一条件无法满足。由于轴系参数标定基准是一个相对量，及目标相对天线三轴中心的角度(位置)，在计算中，不需要获取无人机(测量船)精确的单点位置，只需要得到精确的相对位置。因此，要实现跟踪无人机的轴系参数标较，需要解决动态条件下高精度的相对位置计算问题。
GNSS接收机在对卫星信号的采集、测量过程中一般会产生两种基本的原始观测量：伪距观测量和载波相位观测量，其表现形式如下所示：
上式中，P和L分别表示伪距观测量和载波相位观测量(单位：m)，上标s表示观测卫星，r表示接收机，i表示观测信号的频点；表示卫星到接收机之间的几何距离(单位：m)；dtr(tr)和dTs(ts)分别表示为接收机钟差和卫星钟差(单位：m)；/>表示为电离层延迟(单位：m)，α是一个常量，TEC为信号传播路径上的电子密度总量，fi为观测信号的频率；/>表示为对流层延迟(单位：m)；/>和/>分别表示伪距和载波相位观测量的多路径效应误差(单位：m)；/>表示载波相位观测量的模糊度参数(单位：周)；c表示光在真空中的传播速度(单位：m/s)；εp和εL分别表示伪距观测量和载波相位观测量的观测噪声(单位：m)。
将同一观测历元两颗卫星的站间单差观测量或者两个测站的星间单差观测量作差，得到基于两颗卫星两个测站的双差观测量。
假设在A和B两点对卫星j和k同步观测，现引入如下约定：
上式中，*可用L或P替换，在双差方程中这些符号具体可以表述为：
由于双差观测量消除了卫星钟差以及接收机钟差的影响，有效削弱了信号的对流层延迟和电离层延迟误差，因此在相对定位中能得到较高的计算精度。
GNSS相对定位观测方程可表示为：
上式中，Xi、Xk分别为接收机和卫星的位置信息；δti、δtk分别为接收机钟差和卫星钟差；δion、δtrop、δtide和δrel分别为电离层、对流层、潮汐和相对论效应，潮汐效应包括地球潮汐和海水负荷潮汐效应；为模糊度参数；δrel_f为相对论效应频率改正数。O为观测量，F为隐函数，因此，GNSS观测量是测站和卫星的状态矢量，若干物理效应和模糊度参数的函数。原则上，所有待估参数可以通过GNSS观测量解算出来。显然上述方程是非线性方程，可通过伪距观测量进行单点定位得到的坐标作为近似值对GNSS载波相位和伪距观测方程一阶泰勒级数展开后，忽略高阶项后将非线性函数线性化，采样最小二乘估计法获得相对位置。
对式(7)这样的非线性多变量函数表示为
O＝F(Y)＝F(y1,y2,...yn) (8)
式中，Y为n维矢量，线性化采用一阶泰勒级数展开
其中，
式中，符号表示偏导数/>在Y＝Y0处的取值，ε为截断误差，它是二阶偏导和dY的函数，Y0是初始矢量。则式(9)可变为
式中，C＝F(Y0)。观测误差和截断误差用v表示，O-C用l表示，偏导数则式(11)可变为：
式中，l为平差观测量，j和i为未知参数和观测量的下标，式(12)仅是一个线性误差方程，一组GNSS观测量组成的线性误差方程为
将式(13)表示成矩阵的形式
式中，m为观测量维数。在本文中，方程的解X为两个GNSS天线相位中心的相对位置差，为3维矢量，即n＝3。
为了获得高精度的相对位置，观测量采用载波相位观测量进行解算，每个载波相位观测量都包含未知整数模糊度参数，而最小二乘法求解得到的线性方程解是实数解。因此，需要对模糊度进行求解，得到模糊度的整数解，就可采用混合整数最小二乘法来实现。
在求模糊度实数解的过程中，将双差观测方程线性化后，可以写为
式中，v为残差，X、N为待估参数，分别表示非模糊度参数和模糊度参数；上标n和m分别表示非模糊度参数的维数和模糊度参数的维数；A、B分别表示为双差观测方程设计矩阵中非模糊度参数X和模糊度参数N的对应子矩阵；
l＝L-F(X0,N0)；L为双差观测量，F为观测量L的函数模型，X0、N0为待估参数的近似值。
对式(15)进行求解，依据最小二乘准则，其目标函数为
式中，QL为观测量的协方差矩阵。可以看到，由于模糊度参数存在约束条件N∈Zm，因此，式(16)实际上是混合整数最小问题。在计算过程中，通常是先将模糊度参数当做实数进行求解，得到其浮点解，将方程变为：
将式(17)简写为：
其中，为观测量的权矩阵，求解方程式(18)可以得到X、N的实数解及其协方差矩阵：
然后，通过下式将模糊度浮点解固定为整数解/>
得到模糊度参数的固定解之后，进而计算非模糊度参数及其协方差矩阵
式中，为模糊度固定后的解。由式(25)和式(26)可以看出，模糊度参数浮点解得到固定之后，非模糊度参数解的精度也会相应提高，及/>另外，模糊度参数得到固定之后，观测方程中待估参数的数量一定程度上减少，这使得解算结果的更加稳定。这里得到的解/>为机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果。
在其中一个实施例中，步骤104包括如下步骤：
步骤200：根据机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果进行坐标转换，得到机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的惯导地平系坐标。
步骤202：根据信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标和无人机姿态，得到信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标。
步骤204：根据船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标。
步骤206：将机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的惯导地平系坐标、信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标以及船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标相加，得到无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平坐标系坐标。
在其中一个实施例中，步骤202包括：根据信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标和无人机姿态，得到信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标为：
x2＝B(c2)x30 (27)
其中，x2为信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标，B(c2)为无人机机体坐标到惯导地平系下的转换矩阵，x30为无人机信标天线相对于机载GNSS天线相位中心位置的机体坐标系坐标。
在其中一个实施例中，步骤204包括：根据船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标为：
x1＝B(c1)(x20-x10) (28)
其中，x1为船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系下坐标，B(c1)为惯导甲板系到惯导地平系下的转换矩阵，x20为船载GNSS天线相位中心相对于经纬仪三轴中心的甲板系坐标，x10为天线三轴中心相对于经纬仪三轴中心的甲板系坐标。
具体的，惯导甲板坐标系(inertial deck coordinate system)以惯导甲板平面为基本平面，以惯导三轴中心为坐标原点建立的坐标系。
惯导地平坐标系(inertial horizontal coordinate system)，以“当地水平面”为基准平面，以惯导三轴中心为原点所建立的坐标系。
在其中一个实施例中，转换矩阵为：
其中，B(j)，j＝b,c1,c2分别表示变形、惯导船姿以及无人机姿态等效欧拉角的旋转矩阵，Kbi、和θbi分别为Ti时刻艏摇变形角、纵摇变形角和横摇变形角的测量值。
在其中一个实施例中，步骤106包括：根据船摇和变形数据对无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平系坐标进行坐标转换，得到信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标为：
x＝BT(b)BT(c1)(x0+x1+x2) (33)
其中，x为信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标，x0为机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的惯导地平系坐标(x0由机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果经过坐标轴变换(转成船惯导地平系坐标)后得到)，x1为船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系下坐标，x2为信标天线相对于机载GNSS天线相位中心在惯导地平系下坐标，(x0+x1+x2)为信标天线相对USB天线三轴中心在惯导地平系下的坐标，B(b)为USB天线到经纬仪的变形转换矩阵，B(c1)为惯导甲板系到惯导地平系下的转换矩阵。
根据每个自跟踪时刻对应的方位观测值和俯仰观测值从大气网格折射数据中选择对应的折射修正值；根据信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标和折射修正值进行计算，得到轴系误差修正后的俯仰角和方位角。
具体的，与现有的轴系参数标定方法相比，采用跟踪无人机的方式由于其相对距离较近，信标和机载GNSS设备的天线的相对位置关系不能忽略，需要根据无人机的姿态信息和信标与GPS的相对位置分析得到获得高精度的信标位置，使得现有的跟踪卫星等精轨目标的轴系标定数据处理方法无法直接应用，本申请提出了针对跟踪无人机标校的数据处理方法。
对GNSS观测数据处理结果，无人机姿态测量结果与测量船设备观测数据进行时间对准，其中，测控设备采用经过与GPS时间同步后的时统时间，GNSS相对定位结果中的时标也采用与GPS同步后的时间。经过有效跟踪测量数据提取等预处理，得到USB(“Unified SBand”统一s波段)设备自跟踪段相应时间信标天线相对USB三轴中心的理论相对位置关系，从而得到用于轴系参数标定的有效测量数据，数据预处理流程如图2所示，其中，无人机信标天线相对于USB天线三轴中心位置计算流程如图3所示。
图2中USB有效自跟踪数据段提取：根据数据的状态码，只选用状态码表示自跟踪对应时间段的数据，得到第i个自跟踪时间Ti及对应的Ai,Ei角度，
(i＝1,2...,N)N为有效数据的数量。
大气折射修正：第i个自跟踪时间Ti及对应的Ai,Ei角度，从大气网格折射数据中选择对应的折射修正值ΔEi。
坐标转换：坐标转换过程需要用到船摇和变形数据，具体计算过程如下：
设艏摇变形角Kbi，纵摇变形角横摇变形角θbi为Ti时刻的测量值，Kb'i、/>θb'i为等效欧拉角，则：
θb'i＝sin-1(bcosα)-α (36)
其中，
在船内坐标系与无人机坐标系转换时，大量使用欧拉角旋转矩阵。
设其中j＝b,c1,c2分别表示变形、惯导船姿以及无人机姿态等效欧拉角的旋转矩阵。其表达式如式(29)至式(32)所示。B(j)与B-1(j)和BT(j)的关系式为：
假设天线三轴中心相对于经纬仪三轴中心的甲板系坐标为x10，船载GNSS天线相位中心相对于经纬仪三轴中心的甲板系坐标为x20。无人机信标天线相对于机载GNSS天线相位中心位置的机体坐标系坐标为x30，经过双差模型解算得到机载GNSS相位中心相对于船载GNSS天线相位中心的相对船载惯导地平系坐标为x0，则信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标如式(33)所示。
根据信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标计算理论角度E'i、A'i。
在其中一个实施例中，步骤108包括：根据轴系误差修正后的俯仰角和方位角、方位观测值以及俯仰观测值，建立轴系参数计算方程组为：
Dx＝l (38)
x＝(A01 E01 x1 x2 δm Sb1)' (40)
其中，E为俯仰观测值；E01为俯仰电轴零值，E01＝E0+Ce，E0为俯仰光轴零值，Ce为天线光电轴纵向不匹配；A为方位观测值；A01为方位电轴零值；E′为轴系误差修正后的俯仰角；A′为轴系误差修正后的方位角；ΔAZ为方位动态滞后；ΔEZ为俯仰动态滞后；ΔEg为重力下垂量；δm为俯仰轴和方位轴不正交；Sb1为电轴相对机械轴的偏差，Sb1＝Sb+Cs，Sb为光轴相对机械轴的偏差，CS为天线光电轴横向不匹配；x1＝βm·cos(Am),x2＝βm·sin(Am)，βm为大盘不水平最大倾斜量，Am为大盘不水平最大倾斜方位。
采用最小二乘法对轴系参数计算方程组进行计算，得到A01、E01、x1、x2、δm、Sb1六个参数值；根据x1,x2的值计算得到大盘不水平最大倾斜量和大盘不水平最大倾斜方位；根据俯仰电轴零值与俯仰光轴零值的关系式、电轴相对机械轴的偏差与光轴相对机械轴的偏差的关系式以及光电偏差值，得到俯仰光轴零值和光轴相对机械轴的偏差。
具体的，建立轴系参数计算方程组，利用有效观测数据，解算轴系参数根据测角轴系参数修正公式，采用无人机进行轴系参数标定，可以不借助光电偏差，直接进行标定，可获得测角修正表达式为
E′＝E-E01-βm·cos(A-Am)-ΔEZ-ΔEg·cosE (42)
A′＝A-A01-βm·tanE·sin(A-Am)-δm·tanE-Sb1·secE-ΔAZ·secE (43)
式中，E′为轴系误差修正后的俯仰角，E为俯仰观测值，E01为俯仰电轴零值，A′为轴系误差修正后的方位角，A为方位观测值，A01为方位电轴零值，βm为大盘不水平最大倾斜量，Am为大盘不水平最大倾斜方位；ΔAZ为方位动态滞后，ΔEZ为俯仰动态滞后，ΔEg为重力下垂量，δm为俯仰轴和方位轴不正交，Sb1为电轴相对机械轴的偏差，上述参数为电轴参数。
为了便于与原有含有光电偏差参数的等效轴系参数方法比较，下面给出含有光电偏差参数的测角误差方程，
E′＝E-E0-βm·cos(A-Am)-Ce-ΔEZ-ΔEg·cosE (44)
A′＝A-A0-βm·tanE·sin(A-Am)-δm·tanE-Sb·secE-CS·secE-ΔAZ·secE (45)
其中，E0为俯仰光轴零值，A0为方位光轴零值，CS为天线光电轴横向不匹配，Ce为天线光电轴纵向不匹配，ΔAZ为方位动态滞后，ΔEZ为俯仰动态滞后，这里Sb为光轴相对机械轴的偏差，上述轴系参数为光轴参数。
对比式(30)和式(32)可知，
E01＝E0+Ce (46)
对比式(31)和式(33)可知，
Sb1＝Sb+Cs (47)
其它参数都是一致的。从上述方程中也可以看出，等效轴系参数模型是在光轴参数基础上，通过光电偏差参数将光轴指向转换成电轴指向，在光电偏差已知的情况下两者求解方法是一致的，当Ce＝0、Cs＝0时，光轴参数和电轴参数的值也是一致的。
令x1＝βm·cos(Am),x2＝βm·sin(Am)，代入式(42)和式(43)，可进一步表示为如式(38)至(41)所示。
利用信标天线相对USB天线三轴中心的相对位置计算结果作为修正后的方位、俯仰角度，结合实际测量角度，利用式(38)结合实测数据建立方程组，采用最小二乘法可以计算得到x。从而可直接得到A01、E01、x1、x2、δm、Sb1六个参数值，在根据x1,x2的值可计算得到βm和Am，结合式(46)和式(47)以及光电偏差值可得到等效的光轴参数E0,Sb。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法，其特征在于，所述方法包括：
根据中心机记盘数据进行USB有效跟踪测量数据提取，得到每个自跟踪时刻及对应的方位观测值和俯仰观测值；
根据机载和船载GNSS设备同时观测的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果；
根据所述机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果、信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标、无人机姿态、船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平坐标系坐标；
根据船摇和变形数据对所述无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平系坐标进行坐标转换，并根据得到的坐标转换结果和大气折射修正值，得到轴系误差修正后的俯仰角和方位角；
根据所述轴系误差修正后的俯仰角和方位角、所述方位观测值以及所述俯仰观测值，建立轴系参数计算方程组，并采用最小二乘法进行求解，得到船载测控天线轴系参数标定结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据中心机记盘数据进行USB有效跟踪测量数据提取，得到每个自跟踪时刻及对应的方位观测值和俯仰观测值，包括：
从中心机记盘数据中进行USB跟踪原始策略数据提取，根据提取的数据的状态码，只选用状态码表示自跟踪对应时间段的数据，得到第i个自跟踪时间Ti及对应的方位观测值和俯仰观测值，其中，i＝1,2,...,N，N为有效数据的数量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据机载和船载GNSS设备同时观测的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标，包括：
构建双差观测方程，并对所述双差观测方程进行线性化处理，得到线性后的双差观测方程为：
其中，v为残差，X、N为待估参数，分别表示非模糊度参数和模糊度参数；上标n和m分别表示非模糊度参数的维数和模糊度参数的维数；A、B分别表示为双差观测方程设计矩阵中非模糊度参数X和模糊度参数N的对应子矩阵；l＝L-F(X0,N0)；L为双差观测量；
根据机载和船载GNSS设备同时观测的一组原始测量数据采用混合整数最小二乘法对线性化后的双差观测方程进行求解，得到机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果、信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标、无人机姿态、船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平坐标系坐标，包括：
根据所述机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的相对定位结果进行坐标转换，得到机载GNSS相位中心相对船载GNSS天线相位中心的惯导地平系坐标；
根据信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标和无人机姿态，得到信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标；
根据船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标。
将所述机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的惯导地平系坐标、所述信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标以及所述船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标相加，得到无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平坐标系坐标。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标和无人机姿态，得到信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标，包括：
根据信标天线相对机载GNSS天线相位中心在机体坐标系下坐标和无人机姿态，得到信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标为：
x2＝B(c2)x30
其中，x2为信标天线相对机载GNSS天线相位中心在惯导地平系坐标，B(c2)为无人机机体坐标到惯导地平系下的转换矩阵，x30为无人机信标天线相对于机载GNSS天线相位中心位置的机体坐标系坐标。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标，包括：
根据船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导甲板系坐标以及测量船的姿态及变形数据，得到船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系坐标为：
x1＝B(c1)(x20-x10)
其中，x1为船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系下坐标，B(c1)为惯导甲板系到惯导地平系下的转换矩阵，x20为船载GNSS天线相位中心相对于经纬仪三轴中心的甲板系坐标，x10为天线三轴中心相对于经纬仪三轴中心的甲板系坐标。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述转换矩阵为：
其中，B(j)，j＝b,c1,c2分别表示变形、惯导船姿以及无人机姿态等效欧拉角的旋转矩阵，Kbi、和θbi分别为Ti时刻艏摇变形角、纵摇变形角和横摇变形角的测量值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据船摇和变形数据对所述无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平系坐标进行坐标转换，并根据得到的坐标转换结果和大气折射修正值，得到轴系误差修正后的俯仰角和方位角，包括：
根据船摇和变形数据对所述无人机信标天线相对USB天线三轴中心惯导地平系坐标进行坐标转换，得到信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标为：
x＝BT(b)BT(c1)(x0+x1+x2)
其中，x为信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标，x0为机载GNSS天线相位中心相对船载GNSS天线相位中心的惯导地平系坐标，x1为船载GNSS天线相位中心相对USB三轴中心在惯导地平系下坐标，x2为信标天线相对于机载GNSS天线相位中心在惯导地平系下坐标，(x0+x1+x2)为信标天线相对USB天线三轴中心在惯导地平系下的坐标，B(b)为USB天线到经纬仪的变形转换矩阵，B(c1)为惯导甲板系到惯导地平系下的转换矩阵；
根据每个自跟踪时刻对应的方位观测值和俯仰观测值从大气网格折射数据中选择对应的折射修正值；
根据所述信标天线相对天线三轴中心在USB天线测量坐标系下的相对坐标和所述折射修正值进行计算，得到轴系误差修正后的俯仰角和方位角。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述轴系误差修正后的俯仰角和方位角、所述方位观测值以及所述俯仰观测值，建立轴系参数计算方程组，并采用最小二乘法进行求解，得到船载测控天线轴系参数标定结果，包括：
根据所述轴系误差修正后的俯仰角和方位角、所述方位观测值以及所述俯仰观测值，建立轴系参数计算方程组为：
Dx＝l
x＝(A01 E01 x1 x2δm Sb1)′
其中，E为俯仰观测值；E01为俯仰电轴零值，E01＝E0+Ce，E0为俯仰光轴零值，Ce为天线光电轴纵向不匹配；A为方位观测值；A01为方位电轴零值；E′为轴系误差修正后的俯仰角；A′为轴系误差修正后的方位角；△AZ为方位动态滞后；△EZ为俯仰动态滞后；△Eg为重力下垂量；δm为俯仰轴和方位轴不正交；Sb1为电轴相对机械轴的偏差，Sb1＝Sb+Cs，Sb为光轴相对机械轴的偏差，CS为天线光电轴横向不匹配；x1＝βm·cos(Am),x2＝βm·sin(Am)，βm为大盘不水平最大倾斜量，Am为大盘不水平最大倾斜方位；
采用最小二乘法对所述轴系参数计算方程组进行计算，得到A01、E01、x1、x2、δm、Sb1六个参数值；
根据x1,x2的值计算得到所述大盘不水平最大倾斜量和所述大盘不水平最大倾斜方位；
根据俯仰电轴零值与俯仰光轴零值的关系式、电轴相对机械轴的偏差与光轴相对机械轴的偏差的关系式以及光电偏差值，得到俯仰光轴零值和光轴相对机械轴的偏差。
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| CN202311172745.1A CN117192578A (zh) | 2023-09-12 | 2023-09-12 | 一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法 |
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| CN202311172745.1A CN117192578A (zh) | 2023-09-12 | 2023-09-12 | 一种跟踪无人机的船载测控天线轴系参数标定方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111121826A (zh) * | 2020-01-11 | 2020-05-08 | 吉林大学 | 一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量方法及装置 |
| CN117824712A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-05 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种机动平台惯导标定方法 |
| CN118209113A (zh) * | 2024-05-20 | 2024-06-18 | 中国人民解放军海军工程大学 | 基于进化差分算法的单信标测距匹配辅助惯性导航方法 |
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2023
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| CN111121826B (zh) * | 2020-01-11 | 2024-06-07 | 吉林大学 | 一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量方法及装置 |
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