[发明专利]一种超短波定向仪原位测试系统的导航定位方法

权利要求书

1.一种超短波定向仪原位测试系统的导航定位方法，其特征在于，包括检测移动设备、检测固定设备、测距测角组件和便携式显控终端以及定向精度测试方法，

所述测距测角组件，为测试系统的参数测量单元，完成飞机标记点、检测移动设备标记点的斜距、水平角、俯仰角几何参数的测量，为建立以飞机超短波定向仪天线相位中心为原点的飞机基准坐标系、进行卫星导航定位模块的本地坐标标定以及标准方位角度计算提供原始输入数据；

便携式显控终端，用于检测固定设备操作人员和机上操作人员之间的无线数据交互；

所述检测移动设备包括：

第一显控单元，包括主控计算机和液晶显示屏，为测试系统的控制终端和数据处理终端，通过运行测试软件实现测试系统的工作流程控制，在测试过程中给出操作指引，并对测试数据进行分析、存储和管理，给出超短波定向仪的测试结果和处理建议，

第一数传模块，用于检测移动设备、检测固定设备和便携式显控终端之间的无线数据传输，解决了因测试距离远而不便于布置线缆的问题，

超短波电台，具有无线电信号发射功能，可以为超短波定向仪的测向功能检测提供信标信号，其发射功率、信道频率工作参数由第一显控单元进行变更和调节，

第一电源单元；

检测固定设备包括：

第二显控单元，包括主控计算机和液晶显示屏，为测试系统的控制终端和数据处理终端，通过运行测试软件实现测试系统的工作流程控制，在测试过程中给出操作指引，并对测试数据进行分析、存储和管理，给出超短波定向仪的测试结果和处理建议，

第二数传单元，用于检测移动设备、检测固定设备和便携式显控终端之间的无线数据传输，解决了因测试距离远而不便于布置线缆的问题，

第二电源单元；

先定义三个坐标系：

飞机基准坐标系O-XYZ：以定向仪天线相位中心O为原点，以飞机轴线为X轴，指向机头方向为正，Z轴竖直向上为正，Y轴由右手定则确定；

测距测角组件坐标系A-X_AY_AZ_A：以测距测角组件测量中心A为原点，A-X_AY_A平面和测距测角组件参考基准面共面，X_A轴是测距测角仪瞄准加油机第一个标记点B时AB连线在参考基准面内的投影线，Z_A轴垂直于参考基准面，指向上为正，Y_A轴由右手定则确定；

地球空间直角坐标系O_E-X_EY_EZ_E：以地球参考椭球中心为原点O_E，起始子午面与赤道面交线为X_E轴，在赤道面上与X_E轴正交的方向为Y_E轴，椭球体的旋转轴为Z_E轴；

在不整平状态下通过测距测角组件对加油机标记点和检测移动设备标记点进行测量来完成超短波定向仪的定向精度测试，定向精度测试方法包含以下步骤：

步骤一：在飞机侧面距离飞机一定位置处通过三脚架架设测距测角组件，只需要将组件大致调水平即可，需要保证在架设位置可以分别瞄准到提前在飞机机身上标记的三个标记点B、C和E，提前已知标记点在飞机基准坐标系下的坐标，分别记为B(X_{B_O},Y_{B_O},Z_{B_O})、C(X_{C_O},Y_{C_O},Z_{C_O})和E(X_{E_O},Y_{E_O},Z_{E_O})；

步骤二：通过测距测角组件分别瞄准机身上的三个标记点B、C和E，得到三个标记点的斜距S、水平角和俯仰角θ，分别计算得到各飞机标记点在测距测角组件坐标系下的坐标,记飞机标记点在测距测角组件坐标系下坐标为B(X_{B_Z},Y_{B_A},Z_{B_A})、C(X_{C_A},Y_{C_A},Z_{C_A})和E(X_{E_A},Y_{E_A},Z_{E_A})，标记点B在测距测角组件坐标系下坐标的计算方法为：

Z_{B_A}＝S_B*sin(θ_B) (3)

其中，S_B、和θ_B分别是测距测角组件测量标记点B时得到的斜距、水平角和俯仰角，标记点C和E的坐标计算可以参照B的计算方法得到；

步骤三：根据提前已知的飞机标记点在飞机基准坐标系下的坐标并结合在测距测角组件坐标系下的坐标，可以计算得到由测距测角组件坐标系向飞机基准坐标系转换的7个转换参数，包括三个平移量δ_X、δ_Y、δ_Z，三个旋转量α、β、γ和一个尺度缩放因子m，具体计算方法描述为：

若要将标记点B在测距测角组件坐标系下的坐标转换到飞机基准坐标系中，可以通过连续坐标转换表示为：

参照式(4)写出标记点C和E由测距测角组件坐标系向飞机基准坐标系的转换关系，将转换关系展开后可以得到包含9个方程7个未知参数的超定方程组，通过最小二乘法可以得到方程组7个未知参数的最小二乘解，即得到了所需的坐标转换参数δ_X、δ_Y、δ_Z、α、β、γ和m；

步骤四：检测移动设备操作人员携带检测移动设备移动至指定位置，操作人员转动测距测角组件瞄准检测移动设备上的标记点A_n，可以计算得到当前检测移动设备标记点在测距测角组件坐标系下的坐标计算方法参照步骤二中式(1)～(3)，根据步骤三中计算得到的坐标转换参数通过坐标转换得到移动设备标记点A_n在飞机基准坐标系下的坐标计算公式为：

根据坐标计算得到检测移动设备当前位置相对飞机基准坐标系的方位角，计算公式为：

步骤五：检测移动设备操作人员控制检测移动设备超短波电台向飞机超短波定向仪发送无线电信标，飞机上操作人员控制超短波定向仪测量得到当前移动设备相对飞机基准坐标系的方位角

步骤六：将步骤四中由测试系统计算得到的方位角作为标准值和步骤五中由飞机超短波定向仪测量得到的方位角进行比对，两个方位角的差值即超短波定向仪在该测试位置的定向精度；

来完成检测移动设备操作人员及设备相对飞机的实时导航定位功能，包含以下步骤：

步骤一：根据上述定向精度测试方法中测量计算得到测距测角组件坐标系向飞机基准坐标系的坐标转换参数δ_X、δ_Y、δ_Z、α、β、γ和m；

步骤二：检测移动设备操作人员携带检测移动设备大致沿着机身轴线向前方运动至距离飞机50m以远位置，该位置记为P1，连续存储30s时间内的卫星导航定位模块接收到的定位信息并求取平均值，平均值记为P1(W1,L1,H1)，根据平均值计算得到当前检测移动设备在地球空间直角坐标系下的坐标P1(X_{P1_E},Y_{P1_E},Z_{P1_E})，计算方法为：

X_{P1_E}＝(N+H1)*cos(W1)*cos(L1) (7)

Y_{P1_E}＝(N+H1)*cos(W1)*sin(L1) (8)

Z_{P1_E}＝[N(1-e²)+H1]*sin(W1) (9)

式中，e为地球参考椭球偏心率，记地球参考椭球长短半轴分别为a和b，则有：

e＝1-b²/a² (10)

通过数传模块将坐标P1(X_{P1_E},Y_{P1_E},Z_{P1_E})发送给检测固定设备，测距测角组件操作人员转动测距测角组件测量检测移动设备标记点，参照上述定向精度测试方法中式(1)～式(3)计算得到当前检测移动设备标记点在测距测角组件坐标系下的坐标P1(X_{P1_A},Y_{P1_A},Z_{P1_A})；

步骤三：检测移动设备操作人员携带检测移动设备运动至大致以机身轴线为基准并且以定向仪为垂足距离飞机50m以远的位置，该位置记为P2，参照上述定向精度测试方法中式(7)～式(8)计算得到当前检测移动设备在地球空间直角坐标系下的坐标P2(X_{P2_E},Y_{P2_E},Z_{P2_E})并发送给检测固定设备，测距测角组件操作人员测量计算得到当前检测移动设备在测距测角组件坐标系中坐标P2(X_{P2_A},Y_{P2_A},Z_{P2_A})；

步骤四：检测移动设备操作人员携带检测移动设备运动至大致和机身轴线共线且距离飞机后方50m以远位置，该位置记为P3，参照上述定向精度测试方法中式(7)～式(8)计算得到当前检测移动设备在地球空间直角坐标系下坐标P3(X_{P3_E},Y_{P3_E},Z_{P3_E})并发送给检测固定设备，测距测角组件操作人员测量计算得到当前检测移动设备在测距测角组件坐标系下坐标P3(X_{P3_A},Y_{P3_A},Z_{P3_A})；

步骤五：检测固定设备根据三个标记位置检测移动设备在地球空间直角坐标系和测距测角组件坐标系下的坐标，计算得到地球空间直角坐标系向测距测角组件坐标系的转换参数，包含3个平移量δ_X1、δ_Y1、δ_Z1、三个转动量α1、β1、γ1和一个尺度缩放因子m1，具体计算方法为：

若要将位置P1在地球空间直角坐标系下的坐标转换到测距测角组件坐标系中，可以表示为：

参照式(12)写出位置P2和P3由地球空间直角坐标系向测距测角组件坐标系的转换关系，将转换关系展开可以得到包含9个方程7个未知参数的超定方程组，通过最小二乘法可以得到方程组7个未知参数的最小二乘解，即得到了所需的坐标转换参数δ_X1、δ_Y1、δ_Z1、α1、β1、γ1和m1；

步骤六：检测固定设备将一种超短波定向仪原位测试系统的导航定位方法步骤一中计算得到的测距测角组件坐标系向飞机基准坐标系的坐标转换参数δ_X、δ_Y、δ_Z、α、β、γ和m以及一种超短波定向仪原位测试系统的导航定位方法步骤五中计算得到的地球空间直角坐标系向测距测角组件坐标系之间的转换参数δ_X1、δ_Y1、δ_Z1、α1、β1、γ1和m1发送给检测移动设备；

步骤七：检测移动设备卫星导航定位模块接收当前时刻当前位置P的卫星定位信息，记为P(W,L,H)，首先根据卫星定位信息并参考式(7)～(11)计算得到当前位置在地球空间直角坐标系下坐标P(X_{P_E},Y_{P_E},Z_{P_E})；之后根据步骤六中地球空间直角坐标系和测距测角组件坐标系之间的转换参数计算得到当前位置P在测距测角组件坐标系中的坐标P(X_{P_A},Y_{P_A},Z_{P_A})，具体计算方法为：

最后根据步骤六中测距测角组件坐标系向飞机基准坐标系的坐标转换参数计算得到当前位置P在飞机基准坐标系下的坐标P(X_{P_O},Y_{P_O},Z_{P_O})，具体计算方法为：

将坐标P(X_{P_O},Y_{P_O},Z_{P_O})以图形化的形式显示在检测移动设备显示界面中，并且将坐标通过数传模块发送给检测固定设备同样显示在检测固定设备显示界面中，此时，检测移动设备操作人员可以根据界面显示的自己相对飞机的导航定位信息，调整自己的行进方向快速到达指定位置进行方位角测试，同时，检测固定设备操作人员也可以实时观察检测移动设备和操作人员的位置，实时掌握检测移动设备操作人员的状态。