[發明專利]一種超短波定向儀原位測試系統的導航定位方法有效
| 申請號： | 202010224106.5 | 申請日： | 2020-03-26 |
| 公開（公告）號： | CN111413663B | 公開（公告）日： | 2023-06-16 |
| 發明（設計）人： | 李小強;張東良;鄭志剛;李貴飛 | 申請（專利權）人： | 上海久航電子有限公司 |
| 主分類號： | G01S3/02 | 分類號： | G01S3/02;G01R31/00;G01S19/42 |
| 代理公司： | 上海天翔知識產權代理有限公司 31224 | 代理人： | 徐家豪 |
| 地址： | 201801 上海市嘉定區馬陸鎮澄*** | 國省代碼： | 上海;31 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 超短波 定向 原位 測試 系統 導航 定位 方法 | ||
1.一種超短波定向儀原位測試系統的導航定位方法，其特征在于，包括檢測移動設備、檢測固定設備、測距測角組件和便攜式顯控終端以及定向精度測試方法，
所述測距測角組件，為測試系統的參數測量單元，完成飛機標記點、檢測移動設備標記點的斜距、水平角、俯仰角幾何參數的測量，為建立以飛機超短波定向儀天線相位中心為原點的飛機基準坐標系、進行衛星導航定位模塊的本地坐標標定以及標準方位角度計算提供原始輸入數據；
便攜式顯控終端，用于檢測固定設備操作人員和機上操作人員之間的無線數據交互；
所述檢測移動設備包括：
第一顯控單元，包括主控計算機和液晶顯示屏，為測試系統的控制終端和數據處理終端，通過運行測試軟件實現測試系統的工作流程控制，在測試過程中給出操作指引，并對測試數據進行分析、存儲和管理，給出超短波定向儀的測試結果和處理建議，
第一數傳模塊，用于檢測移動設備、檢測固定設備和便攜式顯控終端之間的無線數據傳輸，解決了因測試距離遠而不便于布置線纜的問題，
超短波電臺，具有無線電信號發射功能，可以為超短波定向儀的測向功能檢測提供信標信號，其發射功率、信道頻率工作參數由第一顯控單元進行變更和調節，
第一電源單元；
檢測固定設備包括：
第二顯控單元，包括主控計算機和液晶顯示屏，為測試系統的控制終端和數據處理終端，通過運行測試軟件實現測試系統的工作流程控制，在測試過程中給出操作指引，并對測試數據進行分析、存儲和管理，給出超短波定向儀的測試結果和處理建議，
第二數傳單元，用于檢測移動設備、檢測固定設備和便攜式顯控終端之間的無線數據傳輸，解決了因測試距離遠而不便于布置線纜的問題，
第二電源單元；
先定義三個坐標系：
飛機基準坐標系O-XYZ：以定向儀天線相位中心O為原點，以飛機軸線為X軸，指向機頭方向為正，Z軸豎直向上為正，Y軸由右手定則確定；
測距測角組件坐標系A-XAYAZA：以測距測角組件測量中心A為原點，A-XAYA平面和測距測角組件參考基準面共面，XA軸是測距測角儀瞄準加油機第一個標記點B時AB連線在參考基準面內的投影線，ZA軸垂直于參考基準面，指向上為正，YA軸由右手定則確定；
地球空間直角坐標系OE-XEYEZE：以地球參考橢球中心為原點OE，起始子午面與赤道面交線為XE軸，在赤道面上與XE軸正交的方向為YE軸，橢球體的旋轉軸為ZE軸；
在不整平狀態下通過測距測角組件對加油機標記點和檢測移動設備標記點進行測量來完成超短波定向儀的定向精度測試，定向精度測試方法包含以下步驟：
步驟一：在飛機側面距離飛機一定位置處通過三腳架架設測距測角組件，只需要將組件大致調水平即可，需要保證在架設位置可以分別瞄準到提前在飛機機身上標記的三個標記點B、C和E，提前已知標記點在飛機基準坐標系下的坐標，分別記為B(XB_O,YB_O,ZB_O)、C(XC_O,YC_O,ZC_O)和E(XE_O,YE_O,ZE_O)；
步驟二：通過測距測角組件分別瞄準機身上的三個標記點B、C和E，得到三個標記點的斜距S、水平角和俯仰角θ，分別計算得到各飛機標記點在測距測角組件坐標系下的坐標,記飛機標記點在測距測角組件坐標系下坐標為B(XB_Z,YB_A,ZB_A)、C(XC_A,YC_A,ZC_A)和E(XE_A,YE_A,ZE_A)，標記點B在測距測角組件坐標系下坐標的計算方法為：
ZB_A＝SB*sin(θB)?(3)
其中，SB、和θB分別是測距測角組件測量標記點B時得到的斜距、水平角和俯仰角，標記點C和E的坐標計算可以參照B的計算方法得到；
步驟三：根據提前已知的飛機標記點在飛機基準坐標系下的坐標并結合在測距測角組件坐標系下的坐標，可以計算得到由測距測角組件坐標系向飛機基準坐標系轉換的7個轉換參數，包括三個平移量δX、δY、δZ，三個旋轉量α、β、γ和一個尺度縮放因子m，具體計算方法描述為：
若要將標記點B在測距測角組件坐標系下的坐標轉換到飛機基準坐標系中，可以通過連續坐標轉換表示為：
參照式(4)寫出標記點C和E由測距測角組件坐標系向飛機基準坐標系的轉換關系，將轉換關系展開后可以得到包含9個方程7個未知參數的超定方程組，通過最小二乘法可以得到方程組7個未知參數的最小二乘解，即得到了所需的坐標轉換參數δX、δY、δZ、α、β、γ和m；
步驟四：檢測移動設備操作人員攜帶檢測移動設備移動至指定位置，操作人員轉動測距測角組件瞄準檢測移動設備上的標記點An，可以計算得到當前檢測移動設備標記點在測距測角組件坐標系下的坐標計算方法參照步驟二中式(1)～(3)，根據步驟三中計算得到的坐標轉換參數通過坐標轉換得到移動設備標記點An在飛機基準坐標系下的坐標計算公式為：
根據坐標計算得到檢測移動設備當前位置相對飛機基準坐標系的方位角，計算公式為：
步驟五：檢測移動設備操作人員控制檢測移動設備超短波電臺向飛機超短波定向儀發送無線電信標，飛機上操作人員控制超短波定向儀測量得到當前移動設備相對飛機基準坐標系的方位角
步驟六：將步驟四中由測試系統計算得到的方位角作為標準值和步驟五中由飛機超短波定向儀測量得到的方位角進行比對，兩個方位角的差值即超短波定向儀在該測試位置的定向精度；
來完成檢測移動設備操作人員及設備相對飛機的實時導航定位功能，包含以下步驟：
步驟一：根據上述定向精度測試方法中測量計算得到測距測角組件坐標系向飛機基準坐標系的坐標轉換參數δX、δY、δZ、α、β、γ和m；
步驟二：檢測移動設備操作人員攜帶檢測移動設備大致沿著機身軸線向前方運動至距離飛機50m以遠位置，該位置記為P1，連續存儲30s時間內的衛星導航定位模塊接收到的定位信息并求取平均值，平均值記為P1(W1,L1,H1)，根據平均值計算得到當前檢測移動設備在地球空間直角坐標系下的坐標P1(XP1_E,YP1_E,ZP1_E)，計算方法為：
XP1_E＝(N+H1)*cos(W1)*cos(L1)?(7)
YP1_E＝(N+H1)*cos(W1)*sin(L1)?(8)
ZP1_E＝[N(1-e2)+H1]*sin(W1)?(9)
式中，e為地球參考橢球偏心率，記地球參考橢球長短半軸分別為a和b，則有：
e＝1-b2/a2?(10)
通過數傳模塊將坐標P1(XP1_E,YP1_E,ZP1_E)發送給檢測固定設備，測距測角組件操作人員轉動測距測角組件測量檢測移動設備標記點，參照上述定向精度測試方法中式(1)～式(3)計算得到當前檢測移動設備標記點在測距測角組件坐標系下的坐標P1(XP1_A,YP1_A,ZP1_A)；
步驟三：檢測移動設備操作人員攜帶檢測移動設備運動至大致以機身軸線為基準并且以定向儀為垂足距離飛機50m以遠的位置，該位置記為P2，參照上述定向精度測試方法中式(7)～式(8)計算得到當前檢測移動設備在地球空間直角坐標系下的坐標P2(XP2_E,YP2_E,ZP2_E)并發送給檢測固定設備，測距測角組件操作人員測量計算得到當前檢測移動設備在測距測角組件坐標系中坐標P2(XP2_A,YP2_A,ZP2_A)；
步驟四：檢測移動設備操作人員攜帶檢測移動設備運動至大致和機身軸線共線且距離飛機后方50m以遠位置，該位置記為P3，參照上述定向精度測試方法中式(7)～式(8)計算得到當前檢測移動設備在地球空間直角坐標系下坐標P3(XP3_E,YP3_E,ZP3_E)并發送給檢測固定設備，測距測角組件操作人員測量計算得到當前檢測移動設備在測距測角組件坐標系下坐標P3(XP3_A,YP3_A,ZP3_A)；
步驟五：檢測固定設備根據三個標記位置檢測移動設備在地球空間直角坐標系和測距測角組件坐標系下的坐標，計算得到地球空間直角坐標系向測距測角組件坐標系的轉換參數，包含3個平移量δX1、δY1、δZ1、三個轉動量α1、β1、γ1和一個尺度縮放因子m1，具體計算方法為：
若要將位置P1在地球空間直角坐標系下的坐標轉換到測距測角組件坐標系中，可以表示為：
參照式(12)寫出位置P2和P3由地球空間直角坐標系向測距測角組件坐標系的轉換關系，將轉換關系展開可以得到包含9個方程7個未知參數的超定方程組，通過最小二乘法可以得到方程組7個未知參數的最小二乘解，即得到了所需的坐標轉換參數δX1、δY1、δZ1、α1、β1、γ1和m1；
步驟六：檢測固定設備將一種超短波定向儀原位測試系統的導航定位方法步驟一中計算得到的測距測角組件坐標系向飛機基準坐標系的坐標轉換參數δX、δY、δZ、α、β、γ和m以及一種超短波定向儀原位測試系統的導航定位方法步驟五中計算得到的地球空間直角坐標系向測距測角組件坐標系之間的轉換參數δX1、δY1、δZ1、α1、β1、γ1和m1發送給檢測移動設備；
步驟七：檢測移動設備衛星導航定位模塊接收當前時刻當前位置P的衛星定位信息，記為P(W,L,H)，首先根據衛星定位信息并參考式(7)～(11)計算得到當前位置在地球空間直角坐標系下坐標P(XP_E,YP_E,ZP_E)；之后根據步驟六中地球空間直角坐標系和測距測角組件坐標系之間的轉換參數計算得到當前位置P在測距測角組件坐標系中的坐標P(XP_A,YP_A,ZP_A)，具體計算方法為：
最后根據步驟六中測距測角組件坐標系向飛機基準坐標系的坐標轉換參數計算得到當前位置P在飛機基準坐標系下的坐標P(XP_O,YP_O,ZP_O)，具體計算方法為：
將坐標P(XP_O,YP_O,ZP_O)以圖形化的形式顯示在檢測移動設備顯示界面中，并且將坐標通過數傳模塊發送給檢測固定設備同樣顯示在檢測固定設備顯示界面中，此時，檢測移動設備操作人員可以根據界面顯示的自己相對飛機的導航定位信息，調整自己的行進方向快速到達指定位置進行方位角測試，同時，檢測固定設備操作人員也可以實時觀察檢測移動設備和操作人員的位置，實時掌握檢測移動設備操作人員的狀態。
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