基于協同源波達信息的運動平臺姿態感知方法技術

本發明專利技術公開了一種基于協同源波達信息的運動平臺姿態感知方法，屬于導航技術領域。本發明專利技術方法利用全電磁矢量傳感器、三正交電偶極子或三正交磁環極子天線在單接收點接收導航信號，估計信號（極化和非極化）波達方向；利用碼分或頻分區別不同信號源；通過兩交叉波達向量結構坐標系為運動平臺提供姿態基準，使得運動平臺有姿態參照，完成自身姿態感知。當存在多個衛星信號源時，微調姿態參數，找出使各波達方向誤差球面角方差加權和最小的姿態參數，即得融合多個波達信息的平臺姿態陣。本發明專利技術只需運動平臺上有單一接收點，就可實現姿態感知，可替代姿態導航儀和航向導航儀。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種運動平臺姿態感知方法，尤其涉及一種，屬于導航

技術介紹
運動平臺姿態信息大多從慣導傳感器融合其他信息獲取。目前使用的運動平臺姿態信息系統結構復雜，質量體積大，耗費能量，故障率高。而發展中的微型慣導姿態信息系統測量精度不高。在某些航空航天應用領域對姿態導航有特殊的要求，如測量速度快，精度高，體積、質量、能耗小，抗大加速，抗輻射，抗極端溫度，抗震動等。這些要求使得航姿導航設備成本很高。全球導航衛星系統目前包括GPS、GL0NASS、北斗和GALILEO，衛星導航信號一般為碼分多址或頻分多址源，國內外都研究在地球衛星導航系統接收端，利用多點接收，三角計算的方法感知姿態。這類方法的缺點是體積大、精度低、系統復雜、速度慢，影響了該技術的推廣應用。衛星導航接收機收到的電磁波包含了多個衛星波達方向信息，這些信息與接收平臺姿態信息具有密切關聯性，由波達方向信息轉化為接收平臺姿態信息，信息的利用直接高效，不受飛行平臺姿態及其運動影響。傳統的波達方向估計需用平面陣列天線，這種天線就是多點接收信號。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于克服現有運動平臺姿態獲取技術的不足，提供一種。本專利技術具體采用以下技術方案解決上述技術問題，包括以下步驟步驟I、利用固定設置在所述運動平臺上的一個接收機接收N個不同導航信號源發射的信號，并估計出各導航信號源在運動平臺坐標系下的波達方向，N為大于等于2的整數；步驟2、根據所述N個不同導航信號源發出的通信承載信息確定地理坐標系下所述運動平臺的位置以及各導航信號源位置，計算出大地坐標系下各導航信號源的波達方向；步驟3、從所述N個不同導航信號源中選取兩個，根據運動平臺坐標系下這兩個導航信號源的波達方向計算出運動平臺坐標系到以這兩個波達方向所構建的兩交叉波達矢量結構坐標系的轉換矩陣；根據大地坐標系下這兩個導航信號源的波達方向矢量計算出所述兩交叉波達矢量結構坐標系到大地坐標系的轉換矩陣；進而得到運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣，該轉換矩陣即為所述運動平臺的姿態矩陣。為了充分利用多信號源的波達信息，從而進一步地提高姿態感知精度，當N的值大于2時，本專利技術方法還包括步驟4、對步驟3得到的運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣中的參數進行反復微調，直到找出使波達誤差指標最小的一組參數，以該組參數所構成的運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣作為所述運動平臺最終的姿態矩陣；所述波達誤差指標按照以下方法得到用當前的運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣將步驟I中得到的各導航信號源在運動平臺坐標系下的波達方向轉換至大地坐標系下，并與步驟2中所得到的各導航信號源在大地坐標系下的波達方向比較，得到各導航信號源的波達方向誤差球面角方差， 然后按照下式計算出波達誤差指標S N$ = Σ W>M> ， =1式中，Mi表示第i個導航信號源的波達方向誤差球面角方差，Wi為第i個導航信號源的權值。相比現有技術，本專利技術具有以下有益效果I)利用現有全球導航衛星系統(目前包括GPS、GL0NASS、北斗和GALILEO)導航信號，或測控信號，僅在接收端進行信號處理，就可實現對運動接收平臺航行姿態感知，可安裝在車輛、艦船、飛行器等平臺，使運動平臺增加了姿態測量功能，為智能化現代交通打下了基礎；2)只需運動平臺單點接收，有別于需多點測量的三角計算法，系統可微型化，提高了導航信息利用率；3)姿態測量動態范圍大，各方向測量性能一致，能與測控導航系統集成為一體，適宜微型飛行器(MAV，Micro Air Vehicles)使用；4)電磁波作為火箭、導彈或炮彈的姿態信息源，具有耐大加速度和惡劣環境的特點，本專利技術適用于科研試驗和軍事訓練的靶機以及試驗導彈，能有效降低作為易耗品飛行器的成本；5)移動通信、衛星通信等系統經稍許改造，就可用本方法，本方法還能應用在建筑、采礦、防災減災等領域；6)本專利技術也可與慣導融合使用，以適應不同的應用場合。附圖說明圖I為兩交叉波達向量結構坐標系示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的技術方案進行詳細說明本專利技術的，具體包括以下步驟步驟I、利用固定設置在所述運動平臺上的一個接收機接收N個不同導航信號源發射的信號， 并估計出各導航信號源在運動平臺坐標系下的波達方向，N為大于等于2的整數。本步驟中，利用全電磁矢量傳感器、三正交電偶極子或三正交磁環極子天線等作為接收機在單接收點接收導航信號；根據各信號源具體的通信方式，利用碼分或頻分方法區分多個信號源，并利用最大似然估計(可參見文獻IEEE Transactions on Signal Processing, 42(1994):376-398.]、IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 49, No7, July 2001:1310-1324·]、)或計算 Poynting 矢量(可參見文獻雷達學報 2012，I (2) : 157-162.])等方法估計運動平臺坐標系下各導航信號源在運動平臺坐標系下的波達方向。每個信號源發出的信息包括兩部分承載的通信信息和信號特征參數信息，后者包括時間參數、頻率參數、空間到達方向參數和極化參數，本步驟中用的是特征參數信息。 導航信號一般為圓極化或非極化信號。非極化信號是部分極化波的特殊形式，因此能估計部分極化波波達方向的全電磁矢量傳感器及其缺損形式-三正交電偶極子天線或三正交磁環極子天線，也能估計非極化信號波達方向。所述在單接收點接收導航信號是利用全電磁矢量傳感器、三正交電偶極子或三正交磁環極子天線在單接收點接收導航信號的三維電場和磁場信息，估計各種極化和非極化信號波達方向。(以球面坐標系來描述波達方向，三正交電偶極子和三正交磁環極子天線可估計波達方向的不模糊區限于半球面方向范圍，全電磁矢量傳感器沒有限制。)步驟2、根據所述N個不同導航信號源發出的通信承載信息確定地理坐標系下所述運動平臺的位置以及各導航信號源位置，計算出大地坐標系下各導航信號源的波達方向。本專利技術中以地球衛星導航系統(或測控系統)發射的信號為協同信號源。步驟3、從所述N個不同導航信號源中選取兩個，根據運動平臺坐標系下這兩個導航信號源的波達方向計算出運動平臺坐標系到以這兩個波達方向所構建的兩交叉波達矢量結構坐標系的轉換矩陣；根據大地坐標系下這兩個導航信號源的波達方向矢量計算出所述兩交叉波達矢量結構坐標系到大地坐標系的轉換矩陣；進而得到運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣，該轉換矩陣即為所述運動平臺的姿態矩陣。本步驟通過兩交叉波達向量結構坐標系為運動平臺提供姿態基準，使得運動平臺有姿態參照，完成自身姿態感知。兩交叉波達向量結構坐標系由波達向量信息決定，與接收平臺姿態無關。三維直角坐標系的三個坐標軸有確定的正交約束，確定其中兩個軸就確定了坐標系，即確定三維直角坐標系的自由度為2，確定兩交叉波達方向信息就能確定兩交叉波達向量結構坐標系。運動平臺坐標系下，運動平臺姿態矩陣為單位陣，轉換到大地坐標系下的運動平臺姿態矩陣即為運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣。步驟4、對步驟3得到的運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣中的參數進行反復微調，直到找出使波達誤差指標最小的一組參數，以該組參數所構成的運本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于協同源波達信息的運動平臺姿態感知方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、利用固定設置在所述運動平臺上的一個接收機接收N個不同導航信號源發射的信號，并估計出各導航信號源在運動平臺坐標系下的波達方向，N為大于等于2的整數；步驟2、根據所述N個不同導航信號源發出的通信承載信息確定地理坐標系下所述運動平臺的位置以及各導航信號源位置，計算出大地坐標系下各導航信號源的波達方向；步驟3、從所述N個不同導航信號源中選取兩個，根據運動平臺坐標系下這兩個導航信號源的波達方向計算出運動平臺坐標系到以這兩個波達方向所構建的兩交叉波達矢量結構坐標系的轉換矩陣；根據大地坐標系下這兩個導航信號源的波達方向矢量計算出所述兩交叉波達矢量結構坐標系到大地坐標系的轉換矩陣；進而得到運動平臺坐標系到大地坐標系的轉換矩陣，該轉換矩陣即為所述運動平臺的姿態矩陣。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳廣東，王學孟，張凱，何敏，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：