专利名称：基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法
技术领域：
本发明涉及一种运动平台姿态感知方法，尤其涉及一种基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，属于导航技术领域。
背景技术：
运动平台姿态信息大多从惯导传感器融合其他信息获取。目前使用的运动平台姿态信息系统结构复杂，质量体积大，耗费能量，故障率高。而发展中的微型惯导姿态信息系统测量精度不高。
在某些航空航天应用领域对姿态导航有特殊的要求，如测量速度快，精度高，体积、质量、能耗小，抗大加速，抗辐射，抗极端温度，抗震动等。这些要求使得航姿导航设备成本很高。
全球导航卫星系统目前包括GPS、GL0NASS、北斗和GALILEO，卫星导航信号一般为码分多址或频分多址源，国内外都研究在地球卫星导航系统接收端，利用多点接收，三角计算的方法感知姿态。这类方法的缺点是体积大、精度低、系统复杂、速度慢，影响了该技术的推广应用。卫星导航接收机收到的电磁波包含了多个卫星波达方向信息，这些信息与接收平台姿态信息具有密切关联性，由波达方向信息转化为接收平台姿态信息，信息的利用直接高效，不受飞行平台姿态及其运动影响。传统的波达方向估计需用平面阵列天线，这种天线就是多点接收信号。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有运动平台姿态获取技术的不足，提供一种基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题
基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，包括以下步骤步骤I、利用固定设置在所述运动平台上的一个接收机接收N个不同导航信号源发射的信号，并估计出各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向，N为大于等于2的整数；步骤2、根据所述N个不同导航信号源发出的通信承载信息确定地理坐标系下所述运动平台的位置以及各导航信号源位置，计算出大地坐标系下各导航信号源的波达方向；步骤3、从所述N个不同导航信号源中选取两个，根据运动平台坐标系下这两个导航信号源的波达方向计算出运动平台坐标系到以这两个波达方向所构建的两交叉波达矢量结构坐标系的转换矩阵；根据大地坐标系下这两个导航信号源的波达方向矢量计算出所述两交叉波达矢量结构坐标系到大地坐标系的转换矩阵；进而得到运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵，该转换矩阵即为所述运动平台的姿态矩阵。
为了充分利用多信号源的波达信息，从而进一步地提高姿态感知精度，当N的值大于2时，本发明方法还包括
步骤4、对步骤3得到的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵中的参数进行反复微调，直到找出使波达误差指标最小的一组参数，以该组参数所构成的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵作为所述运动平台最终的姿态矩阵；所述波达误差指标按照以下方法得到
用当前的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵将步骤I中得到的各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向转换至大地坐标系下，并与步骤2中所得到的各导航信号源在大地坐标系下的波达方向比较，得到各导航信号源的波达方向误差球面角方差， 然后按照下式计算出波达误差指标S N
$ = Σ W>M> ， =1
式中，Mi表示第i个导航信号源的波达方向误差球面角方差，Wi为第i个导航信号源的权值。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果
I)利用现有全球导航卫星系统(目前包括GPS、GL0NASS、北斗和GALILEO)导航信号，或测控信号，仅在接收端进行信号处理，就可实现对运动接收平台航行姿态感知，可安装在车辆、舰船、飞行器等平台，使运动平台增加了姿态测量功能，为智能化现代交通打下了基�。�
2)只需运动平台单点接收，有别于需多点测量的三角计算法，系统可微型化，提高了导航信息利用率；
3)姿态测量动态范围大，各方向测量性能一致，能与测控导航系统集成为一体，适宜微型飞行器(MAV，Micro Air Vehicles)使用；
4)电磁波作为火箭、导弹或炮弹的姿态信息源，具有耐大加速度和恶劣环境的特点，本发明适用于科研试验和军事训练的靶机以及试验导弹，能有效降低作为易耗品飞行器的成本；
5)移动通信、卫星通信等系统经稍许改造，就可用本方法，本方法还能应用在建筑、采矿、防灾减灾等领域；
6)本发明也可与惯导融合使用，以适应不同的应用场合。
图I为两交叉波达向量结构坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，具体包括以下步骤步骤I、利用固定设置在所述运动平台上的一个接收机接收N个不同导航信号源发射的信号， 并估计出各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向，N为大于等于2的整数。
本步骤中，利用全电磁矢量传感器、三正交电偶极子或三正交磁环极子天线等作为接收机在单接收点接收导航信号；根据各信号源具体的通信方式，利用码分或频分方法区分多个信号源，并利用最大似然估计(可参见文献[Nehorai A.，and Paldi E.Vector-sensor array processing for electromagnetic source location.[J]IEEE Transactions on Signal Processing, 42(1994):376-398.]、[Marius P and Alex B Gershman. Maximum-Iikelihood direction-of-arrival estimation in the presence of unknown nonuniform noise. [J]IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 49, No7, July 2001:1310-1324·]、[Wong, Κ. T. Geolocation for partially polarized electromagnetic sources using multiple sparsely and uniformly spaced “spatially stretched vector sensors，，。Circuits and Systems, 1999. ISCAS' 99.Proceedings of the 1999IEEE International Symposium on Publication Year: 1999, Page (s) : 170-174vol. 3])或计算 Poynting 矢量(可参见文献[何敏，陈广东，张凯.从三正交偶极子天线接收信号中估计飞行器姿态参数.[J]雷达学报 2012，I (2) : 157-162.])等方法估计运动平台坐标系下各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向。
每个信号源发出的信息包括两部分承载的通信信息和信号特征参数信息，后者包括时间参数、频率参数、空间到达方向参数和极化参数，本步骤中用的是特征参数信息。 导航信号一般为圆极化或非极化信号。非极化信号是部分极化波的特殊形式，因此能估计部分极化波波达方向的全电磁矢量传感器及其缺损形式-三正交电偶极子天线或三正交磁环极子天线，也能估计非极化信号波达方向。所述在单接收点接收导航信号是利用全电磁矢量传感器、三正交电偶极子或三正交磁环极子天线在单接收点接收导航信号的三维电场和磁场信息，估计各种极化和非极化信号波达方向。(以球面坐标系来描述波达方向，三正交电偶极子和三正交磁环极子天线可估计波达方向的不�：抻诎肭蛎娣较蚍段В绱攀噶看衅髅挥邢拗�。)
步骤2、根据所述N个不同导航信号源发出的通信承载信息确定地理坐标系下所述运动平台的位置以及各导航信号源位置，计算出大地坐标系下各导航信号源的波达方向。本发明中以地球卫星导航系统(或测控系统)发射的信号为协同信号源。
步骤3、从所述N个不同导航信号源中选取两个，根据运动平台坐标系下这两个导航信号源的波达方向计算出运动平台坐标系到以这两个波达方向所构建的两交叉波达矢量结构坐标系的转换矩阵；根据大地坐标系下这两个导航信号源的波达方向矢量计算出所述两交叉波达矢量结构坐标系到大地坐标系的转换矩阵；进而得到运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵，该转换矩阵即为所述运动平台的姿态矩阵。
本步骤通过两交叉波达向量结构坐标系为运动平台提供姿态基准，使得运动平台有姿态参照，完成自身姿态感知。两交叉波达向量结构坐标系由波达向量信息决定，与接收平台姿态无关。三维直角坐标系的三个坐标轴有确定的正交约束，确定其中两个轴就确定了坐标系，即确定三维直角坐标系的自由度为2，确定两交叉波达方向信息就能确定两交叉波达向量结构坐标系。运动平台坐标系下，运动平台姿态矩阵为单位阵，转换到大地坐标系下的运动平台姿态矩阵即为运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵。
步骤4、对步骤3得到的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵中的参数进行反复微调，直到找出使波达误差指标最小的一组参数，以该组参数所构成的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵作为所述运动平台最终的姿态矩阵；所述波达误差指标按照以下方法得到
用当前的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵将步骤I中得到的各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向转换至大地坐标系下，并与步骤2中所得到的各导航信号源在大地坐标系下的波达方向比较，得到各导航信号源的波达方向误差球面角方差， 然后按照下式计算出波达误差指标S N
S = ^1 WiMi ，
式中，Mi表示第i个导航信号源的波达方向误差球面角方差，Wi为第i个导航信号源的权值。
为了便于公众理解，下面以固定机翼的飞机(运动平台)为例，对本发明技术方案进行进一步详细描述。
在机身平台坐标系中，X轴指向机头方向，y轴指向机身上方，Z轴按右手律指向右 O O'侧机翼方向。这样飞机姿态方向向量为单位阵I= O I O的三个列向量。O O I
假使接收机获得了两个信号源在机身坐标系下波达参数= K2，则机身坐标COS (Pi cos Oi sin φ cos Oisin Oi个信号的交叉波达矢量U1和U2的参数已知。两交叉波达矢量结构坐标系的X'轴与七重合，y'轴与U1和U2共面，与X'轴垂直，Z'轴垂直于U1和U2所在平面，X'、y'和Z'轴满足右手律。由以上几何关系可得机身坐标系到两交叉波达矢量结构坐标系的转换矩阵系下两交叉矢量如图1所示，I，/ = 1，2。图中直角坐标系三轴为X，y, z,两
权利要求
1.一种基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、利用固定设置在所述运动平台上的一个接收机接收N个不同导航信号源发射的信号，并估计出各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向，N为大于等于2的整数； 步骤2、根据所述N个不同导航信号源发出的通信承载信息确定地理坐标系下所述运动平台的位置以及各导航信号源位置，计算出大地坐标系下各导航信号源的波达方向； 步骤3、从所述N个不同导航信号源中选取两个，根据运动平台坐标系下这两个导航信号源的波达方向计算出运动平台坐标系到以这两个波达方向所构建的两交叉波达矢量结构坐标系的转换矩阵；根据大地坐标系下这两个导航信号源的波达方向矢量计算出所述两交叉波达矢量结构坐标系到大地坐标系的转换矩阵；进而得到运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵，该转换矩阵即为所述运动平台的姿态矩阵。
2.如权利要求I所述基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，N的值大于2，其特征在于，还包括步骤4、对步骤3得到的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵中的参数进行反复微调，直到找出使波达误差指标最小的一组参数，以该组参数所构成的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵作为所述运动平台最终的姿态矩阵；所述波达误差指标按照以下方法得到用当前的运动平台坐标系到大地坐标系的转换矩阵将步骤I中得到的各导航信号源在运动平台坐标系下的波达方向转换至大地坐标系下，并与步骤2中所得到的各导航信号源在大地坐标系下的波达方向比较，得到各导航信号源的波达方向误差球面角方差，然后按照下式计算出波达误差指标S 式中，Mi表示第i个导航信号源的波达方向误差球面角方差，Wi为第i个导航信号源的权值。
3.如权利要求I或2所述基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，其特征在于， 步骤I中所述接收机的天线为全电磁矢量传感器、三正交电偶极子天线或三正交磁环极子天线。全文摘要
本发明公开了一种基于协同源波达信息的运动平台姿态感知方法，属于导航技术领域。本发明方法利用全电磁矢量传感器、三正交电偶极子或三正交磁环极子天线在单接收点接收导航信号，估计信号(极化和非极化)波达方向；利用码分或频分区别不同信号源；通过两交叉波达向量结构坐标系为运动平台提供姿态基准，使得运动平台有姿态参照，完成自身姿态感知。当存在多个卫星信号源时，微调姿态参数，找出使各波达方向误差球面角方差加权和最小的姿态参数，即得融合多个波达信息的平台姿态阵。本发明只需运动平台上有单一接收点，就可实现姿态感知，可替代姿态导航仪和航向导航仪。
文档编号G01S19/53GK102981177SQ20121048349
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者陈广东, 王学孟, 张凯, 何敏 申请人:南京航空航天大学
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