[發明專利]一種基于扁率角補償的坐標變換方法

有效

• 申請號: 201611141776.0
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106840159B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 晁寧;李竹君;劉鵬;羅曉英;李榮;徐文強
• 申請（專利權）人: 西安空間無線電技術研究所
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

本發明一種基于扁率角補償的坐標變換方法，包括假設飛行器當前大地直角坐標系的位置速度已確定，通過大地直角坐標系轉換為大地坐標系的迭代算法獲得飛行器當前位置的地理經緯高，然后計算得到當地地心緯度A和地理緯度B’的轉換關系并計算出地球扁率角C。判斷當前所處緯度區z_dg(i)，根據緯度區域確定補償規則。根據迭代緯度B’(i)與C(i)的趨勢綜合判斷閾值抑制方式。最后利用四元數關系實現非正交矢量轉換。根據本發明的基于扁率角補償的坐標變換方法，可實現航空飛行中無航跡信息與當地水平信息情況下利用氣動姿態信息的坐標精確轉換，有助于提高天線通信指向的準確性。

技術領域

本發明屬于天線通信技術領域，具體地，涉及一種基于扁率角補償的從固連系到航跡系的坐標變換方法。為無航跡信息與當地水平信息情況下利用氣動姿態的航空飛行坐標精確轉換提供了一種途徑。

背景技術

航天飛機是兼具空間飛行器和飛機特性，可重復使用的天地運輸工具。再入返回段的飛行狀態同導彈類似，因要考慮空氣力學影響氣動姿態的使用較為普遍。氣動姿態描述國內外情況較為一致，都是結合飛行器位置速度姿態信息針對當地水平面進行一系列轉換來實現。若轉換關系直觀則采用直接投影法，變換關系較為復雜時采用旋轉矩陣法。常用轉換流程有兩種，與彈道相關的轉換和與地面相關的轉換。前者需要兩步轉換，即首先通過由當地水平面確定的發射坐標系結合航跡傾角、航跡偏角以及速度傾側角轉換至當地航跡坐標系，該坐標系有飛行器的速度情況確定。然后根據提供的攻角、側滑角氣動姿態信息轉換至機體坐標系；第二種轉換流程則通過機體相對于當地水平面的相互關系，即俯仰、滾動、偏航姿態角來實現發射坐標系向機體坐標系的轉換。但是兩種計算流程都需要機體內部的慣導設備、重力敏感設備和中央處理器實時采集積分計算獲得當前的彈道情況和相對于水平面的姿態情況。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種基于扁率角補償的坐標變換方法，利用四元數關系實現橢球模型下地固坐標系向地面坐標系以及航跡坐標系的準確轉換，提高了再入段指向計算的精度。

本方法的技術方案是：一種基于扁率角補償的坐標變換方法，包括以下步驟：

(1)獲取飛行器在當前大地直角坐標系的位置r(i)＝[r₁(i) r₂(i) r₃(i)]^T與速度信息，通過迭代算法獲得飛行器當前位置的地理經度L(i)、緯度B’(i)、高度H(i),；根據r₁(i),r₂(i),r₃(i),v_r1(i),v_r2(i),v_r3(i)計算獲得地球扁率角C(i)；

(2)根據當前所處緯度區，設置扁率角補償策略，使得扁率角在不同緯度范圍中C(i)具有相應的補償方向；所述當前所處緯度區通過地球固連坐標系z軸分量z_dg(i)描述；地球固連坐標系定義為：原點為地球質心，基本平面為當前時刻地球真赤道，X軸指向格林尼治子午圈，Z軸指向北極的國際慣用原點CIO，X，Y，Z成右手系；

(3)對B’(i)與C(i)的情況進行聯合判斷，設置閾值|σ|與分類決策并最終確定C(i)，保證在緯度趨近于兩極與赤道附近時，C(i)不斷趨近于零；

(4)根據地球固連坐標系z軸與當前地心矢量R_dx(i)計算補償旋轉矢量n(i)；利用四元數法實現地心矢量R_dx(i)繞旋轉矢量n(i)補償C(i)后的鉛垂矢量R_qc(i)，進而利用R_qc(i)完成從地球固連坐標系向當地航跡坐標系的準確轉換；所述當地航跡坐標系定義為：坐標原點位于飛行器的質心O處，OX_k沿飛行器速度方向，OY_k軸在包含OX_k軸的鉛垂平面內且垂直于OX_k軸指向上方，OZ_k軸的指向按右手法則確定。