[發明專利]基于差分衛星導航測量的跟蹤轉臺定姿與指令補償方法

有效

• 申請號: 201510036930.7
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104596503B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 陳磊;白顯宗;張國軍;柴華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C25/00
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明涉及一種跟蹤轉臺定姿與轉動指令補償的方法。該方法利用衛星導航系統的測量信息實現轉臺快速定姿，并結合目標狀態生成轉動指令，從而避免了確定當地基準的繁冗過程。該方法可為復雜室外環境下跟蹤轉臺的使用提供一條有效途徑。

背景技術

在工程實際中，經常需要利用轉臺搭載有效載荷完成特定的任務。轉臺的基本功能是通過轉動兩個角度(方位角和俯仰角)，達到一定的指向，使得固連在轉臺上的有效載荷對特定的目標進行瞄準或跟蹤。

傳統的調整轉臺指向的方法分為三步：首先結合當地地理信息將轉臺調整至基準狀態(找北、找水平等)，其次依據目標相對于基準框架的位置速度獲取轉臺的旋轉指令，第三利用伺服機構驅動轉臺達到相應指向。這一方法的缺陷在于，當地基準的確定需要耗費一定時間且需要專用設備。尤其是在地形起伏較大等復雜室外環境下，采用傳統方法調整轉臺指向將更加困難。

發明內容

本發明提出一種利用衛星導航系統測量數據進行室外轉臺快速定姿與轉動指令補償的方法。該方法解決了轉臺平臺定位定向和轉臺旋轉指令計算的問題。在轉臺上安裝兩根相互垂直的長桿，在長桿上安裝衛星導航系統接收天線進行轉臺旋轉中心的位置確定和轉臺平臺的方向確定。分別用位置速度轉換法和坐標轉換矩陣法計算轉臺旋轉指令。位置速度轉換方法可以計算轉臺指令角速度信息，適用于跟蹤動目標，坐標轉換矩陣方法無法計算轉臺指令角速度信息，適用于瞄準靜目標。

通過對GPS接收機的測量數據進行差分操作，可以快速確定平臺姿態與平臺位置，進而依據目標狀態計算轉動指令。本發明提出的方法設備簡單、成本低廉，且僅需要一次調整即可使得轉臺達到理想指向。

方法的技術方案如下。

一、平臺定姿

(一)長桿的安裝

平臺定姿采用衛星導航設備的載波相位測量系統完成。在轉臺安裝面上從方位旋轉中心沿俯仰軸方向和垂直軸方向各伸出一根長約3米，剛性好的長桿(平面度和垂直度滿足一定要求)，如附圖1所示。

定義兩個相互垂直的長桿的交點A和兩個端點分別為B、C點，A點與轉臺的旋轉中心O_R并不重合，而是有一個偏移量δ。兩個長桿是固連在轉臺的安裝平面上的，當轉臺的轉動方位角和俯仰角分別為0時，這兩個桿的方向可以確定平臺的指向，A、B、C三點的位置可以確定轉臺轉動中心O_R的位置。

(二)平臺定向方法

在A、B、C三點安裝衛星導航系統載波相位測量系統，任意時刻可以測得三點的大地經度L、大地緯度B'和大地高H數據，通過下式可以得到A、B、C三點地心地固(ECF)坐標系的位置矢量r_A,E、r_B,E和r_C,E：

式中：N為地球橢球的卯酉圈半徑，e為橢球的第一偏心率,

其中a和b分別為橢球的長半徑和短半徑,

本發明采用WGS-84地心大地坐標系。計算ECF坐標系A點到B、C點的相對位置矢量r_AB,E和r_AC,E

r_AB,E＝r_B,E-r_A,E,r_AC,E＝r_C,E-r_A,E (3)以A點為原點建立北東地坐標系G_A，將A到B、C的相對位置矢量r_AB,E和r_AC,E轉換到G_A坐標系，得和

由和可得北東地坐標系中轉臺坐標系三個軸的單位矢量為

可得北東地坐標系到轉臺坐標系的方向余弦陣，也即坐標轉換矩陣為

而由北東地坐標系到轉臺坐標系的轉換矩陣，可以寫為北東地坐標系到平

臺坐標系、再由平臺坐標系到轉臺坐標系的轉換矩陣的乘積

因此北東地坐標系到平臺坐標系的轉換矩陣可以寫為

而平臺坐標系到轉臺坐標系的轉換矩陣為

將式(9)代入式(8)，可得

至此，得到了北東地坐標系到平臺坐標系的轉換矩陣，也即方向余弦陣。將矩

陣寫為元素的形式

北東地坐標系到平臺坐標系的轉換矩陣與平臺方向角(方位角A_P、俯仰