基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法

摘要

本发明公开了一种基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法，属于运动平台姿态探测导航领域。该方法为：在基站与运动平台之间有电磁波信息链的条件下，运动平台通过极化敏感阵列接收信号处理获得来自基站的电磁波波达方向和极化参数，确定电磁波结构向量，将基站标定的姿态基准通过极化电磁波传递到运动平台，得到地理坐标系下的运动平台姿态。本发明方法有别于需多点测量的三角计算法，只需一个基站信号和运动平台上单一接收点，就可实现姿态感知，可替代姿态导航仪和航向导航仪。

权利要求

1.一种基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：基站标定地理坐标系，确定姿态基准；

步骤2：基站测得对运动平台的仰角θ'和方位角 并确定地理坐标系下发射信号的极化椭圆倾斜角γ'；

步骤3：运动平台通过极化敏感阵列天线接收来自基站的极化电磁波信号，并对该信号进行处理获得电磁波的波达方向 和极化参数(γ,η)，确定运动平台坐标系下的极化电磁波的结构向量，从而得到运动平台坐标系到波结构坐标系的转换矩阵；

运动平台同时从接收信号中获得基站对运动平台的仰角θ'和方位角 从而得到波结构坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

步骤4：将运动平台坐标系下的运动平台姿态方向向量先转换到波结构坐标系下，再转换到地理坐标系下，完成运动平台姿态感知；

上述内容中，所述波结构坐标系是以极化电磁波结构向量为三个坐标轴构成的直角坐标系，所述波达方向 中的参数θ、分别表示电磁波空间到达方向的仰角和方位角，所述极化参数(γ,η)中的参数γ、η分别表示电磁波的极化椭圆倾斜角和极化椭圆率。

说明书

基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种姿态感知方法，尤其涉及一种基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法，属于运动平台姿态探测导航领域。

背景技术

[0002] 运动平台姿态信息大多从惯导传感器获取。惯导传感器包括机械、光纤、激光陀螺等器件，结构复杂，不但占用空间、增加质量，还耗费了能量，增加了故障率，还因其会累积误差，所以常需融合其他信息。

[0003] 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，甚至于难以制造。

发明内容

[0004] 本发明针对现有运动平台姿态获取技术的不足，而提出一种基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法。

[0005] 该方法包括如下步骤：

[0006] 步骤1：基站标定地理坐标系，确定姿态基准；

[0007] 步骤2：基站测得对运动平台的仰角θ′和方位角 并确定地理坐标系下发射信号的极化椭圆倾斜角γ′；

[0008] 步骤3：运动平台通过极化敏感阵列天线接收来自基站的极化电磁波信号，并对该信号进行处理获得电磁波的波达方向 和极化参数(γ，η)，确定运动平台坐标系下的极化电磁波的结构向量，从而得到运动平台坐标系到波结构坐标系的转换矩阵； [0009] 运动平台同时从接收信号中获得基站对运动平台的仰角θ′和方位角 从而得到波结构坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

[0010] 步骤4：将运动平台坐标系下的运动平台姿态方向向量先转换到波结构坐标系下，再转换到地理坐标系下，完成运动平台姿态感知。

[0011] 本发明具有如下技术效果：

[0012] 1)能使运动平台仅凭电磁波(测控导航)信息就可实现对运动平台的航行导航控制；

[0013] 2)只需一个基站信号给运动平台单点接收，有别于需多点测量的三角计算法； [0014] 3)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；

[0015] 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；

[0016] 5)本方法应用到卫星定位导航系统(例如北斗卫星导航系统)中，能使接收机具有姿态感知能力，从而所有安装接收机的车辆、舰船、飞行器等都增加了姿态测量功能，为智能化现代交通打下了基础，本方法还能应用在建筑、采矿、防灾减灾等领域； [0017] 6)本发明也可与惯导融合使用，以适应不同的应用场合。

附图说明

[0018] 图1为运动平台接收信号的波结构向量与空间极化电磁波椭圆状旋转电场示意图。

具体实施方式

[0019] 本发明方法的步骤如下：

[0020] 步骤1：基站标定地理坐标系，确定姿态基准；

[0021] 步骤2：基站测得对运动平台的仰角θ′和方位角 并确定地理坐标系下发射信号的极化椭圆倾斜角γ′，从而确定发射信号波结构向量与姿态基准的关系； [0022] 步骤3：运动平台通过极化敏感阵列天线接收来自基站的极化电磁波信号，并对该信号进行处理获得电磁波的波达方向 和极化参数(γ，η)，确定运动平台坐标系下的极化电磁波的结构向量，从而得到运动平台坐标系到波结构坐标系的转换矩阵； [0023] 运动平台同时从接收信号中获得基站对运动平台的仰角θ′和方位角 从而得到波结构坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

[0024] 步骤4：运动平台将运动平台坐标系下的自身姿态方向向量先转换到波结构坐标系下，再转换到地理坐标系下；

[0025] 以上步骤通过极化电磁波将基站标定的姿态基准传递给运动平台，使得运动平台解算出地理坐标系下的自身姿态，完成自身姿态感知。

[0026] 下面以固定机翼的飞机(运动平台)为例，对本发明方法作进一步说明。 在机身坐标系(运动平台坐标系)中，x轴指向机头方向，y轴指向机身上方，z轴按右手律指向右侧机翼方向。在机身直角坐标系中，飞机姿态方向向量为单位阵 的三个列向量。

[0027] 如图1所示，电磁波信号沿-u方向传播，电磁波空间到达方向表示为 θ为仰角， 为方位角，时谐电磁波波达平面内电场和磁场矢量呈椭圆状旋转，极化状态用极化参数(γ，η)表示，γ为极化椭圆倾斜角，η为极化椭圆率。以电场极化椭圆为参照，向量u、 描述了波达方向和极化状态的电磁波空间结构信息， 分别为电场极化椭圆的长、短轴方向向量，v1、v2为极化椭圆参照向量，极化电磁波结构向量u、 相互正交，以极化电磁波结构向量为三个坐标轴构成的直角坐标系称为波结构坐标系。由于本发明只研究方向向量，波结构坐标系的原点选取不影响计算结果。

[0028] 定义地理坐标系三轴方向分别为正北、正西和垂直地面向上(反重力方向)。设基站测得的对飞机的仰角为θ′、方位角为偏北 (逆时针向)，在地理坐标系下发射信号的极化参数为(γ′，η)，其中的极化椭圆倾斜角γ′为固定值，可直接存储在飞机中，合作信号的极化椭圆率η在接收端和发射端一致且已知。

[0029] 飞机对接收信号进行处理，可得到电磁波的波达方向 和极化参数(γ，η)，根据波达角和极化角θ、 γ，可将机身坐标系下的飞机姿态方向向量(单位阵I的三个列向量)转换到波结构坐标系下：

[0030]

[0031] 根据基站测得的对飞机的仰角θ′、方位角 以及在地理坐标系下发射信号的极化椭圆倾斜角γ′，可以得到波结构坐标系到地理坐标系的转换矩阵： [0032]

[0033] 将波结构坐标系下的飞机姿态方向向量转换到地理坐标系下，就得到了地理坐标系下的飞机姿态方向向量：

[0034]

[0035] 由该地理坐标系下的飞机姿态方向向量即可确定飞机姿态，得到航向角、俯仰角和横滚角，实现姿态感知。

[0036] 本发明的实质是将依托于基站的电磁波结构向量传递给运动平台，使运动平台获得比较基准，得到基站标定的地理坐标系下的运动平台姿态，从而起到惯导姿态传感器和航向传感器的作用。基站在跟踪运动平台的过程中仰角θ′、方位角 可能要变化，需及时传递给运动平台，极化椭圆倾斜角γ′保持不变。在卫星导航系统中，接收机可从卫星传递的数据中解算出类似信息。运动平台根据一个基站信号就能解算出自身姿态，若有多个基站参与，将各站信号的解算结果融合即可。

[0037] 电磁矢量传感器与多点分布阵列天线相比，优势在于：1)因其同点极化分集接收方式可处理宽带信号；2)可全向接收信号，没有姿态测量范围的限制；3)电磁矢量传感器若缺损其中的数个天线单元，仍然可完成信号波达方向和极化状态估计，但需对信号加以约束，以弥补缺损电磁矢量传感器的不足。