一种基于卫星通信的无人机导航数据被欺骗识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卫星通信的无人机导航数据被欺骗识别方法，包括步骤一：建立与无人机相关的地心坐标系、机体坐标系统、大地坐标系；步骤二：获得坐标系之间的变换关系；步骤三：根据无人机天线跟踪误差电压跟踪卫星得到卫星在机体坐标下的方位角和俯仰角；步骤四：根据惯性导航测量的机体的方位角、俯仰角、横滚角，计算卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角；步骤五：根据卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角，反推出飞机所在的经度和纬度θLat；本方法利用已有的卫星通信系统就可以进行导航数据被欺骗进行识别，无需要增加其它辅助设备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于无人机导 航抗欺骗

技术介绍
无人机属于智能设备，由于没有人在无人机上，地面完全靠接收机载的导航数据 来判定无人机的具体位置，常用的无人机采用惯性导航+卫星导航相结合的方式进行导 航。可以利用惯性导航的不易受干扰和卫星导航的高精度的特点，提供高精度、稳定的位置 导航数据。如果机载的导航数据受到欺骗式干扰，如干扰机载的卫星导航数据，当干扰采用 渐进式干扰时，即使是采用了组合导航的惯导也无法区分是由于无人机的飞行导致的位置 变化，还是由于受到了欺骗干扰导致的位置偏差。导航系统受到干扰后，地面将无法知道飞 机的准确位置，可能地面人员看到飞机是往本场着陆飞行，实际上飞机已经远离本场降落 到其它机场，在地面上如何识别导航是否被欺骗是必须要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，判断在地面识别导航数据是否受到欺骗，从 而采取相应的措施，是。 ，包括以下几个步骤： 步骤一：建立与无人机相关的地心坐标系、机体坐标系统、大地坐标系； 步骤二：获得坐标系之间的变换关系； 步骤三：根据无人机天线跟踪误差电压跟踪卫星得到卫星在机体坐标下的方位角 和俯仰角； 步骤四：根据惯性导航测量的机体的方位角、俯仰角、横滚角，计算卫星在飞机所 在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角； 步骤五：根据卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角，反推出 飞机所在的经度数?和炜度 本专利技术的优点在于： (1)本方法可以利用已有的卫星通信系统就可以进行导航数据被欺骗进行识别， 无需要增加其它辅助设备； (2)本方法对位置误差进行了分析，并通过实际飞行数据验证：通过卫星通信推 算的导航数据平均误差为27. 76km，精度满足导航数据欺骗识别要求。【附图说明】 图1是本专利技术的方法流程图； 图2是本专利技术的地心坐标系示意图； 图3是本专利技术的大地坐标系示意图； 图4是本专利技术的机体坐标示意图； 图5是本专利技术的地心坐标系到大地坐标系之间的变换关系示意图； 图6是本专利技术的某无人机飞行试验中实际经度和推算经度示意图；图7是本专利技术的某无人机飞行试验中实际炜度和推算炜度示意图； 图8是本专利技术的某无人机飞行试验中总误差比较示意图；【具体实施方式】 下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。 本专利技术是，如图1所示，包 括以下几个步骤： 步骤一：建立与无人机相关的地心坐标系、机体坐标系统、大地坐标系； 设飞机的经度和炜度分别为％^、Θ卫星的经度约，地球半径艮，飞机到地 面的高度为h，卫星到地面的高度为H，卫星到飞机的距离为D。 设地心坐标系为OUyy^，zj，如图2所示，其中，(?原点为地球的中心，轴过地 球中心指向真北方向，轴过地球中心指向正东方向，在赤道平面内，z^轴与X^^轴成右手 关系。 设大地坐标系为0(xg，yg，zg)，如图3所示，其中，0原点为地球质心，xg轴过地球质 心水平指向真北方向，yg轴过地球质心，指向正东方向，zg轴过地球质心，指向地心方向，与 xgyg轴成右手关系，其中Xg〇yg为水平面，Xg〇zg为垂直面。 设机体坐标系为0(Xj，yj,Zj)，如图4所示，其中，0原点为机体重心，Xj轴过质心的 机体滚动轴线，飞行方向为正（横滚轴）轴在机体机翼水平面内，指向右边，z一由在飞机 水平对称平面内，与XjYj轴成右手关系。 步骤二：获得坐标系之间的变换关系； 机体相对大地坐标系下的角度定义为： 偏航角伊为机体在大地坐标系Xg〇yjK平面的投影与oxg的夹角，自真北起 顺时针方向为正，与〇x_j构成右手旋，范围; 俯仰角Θ为机体0Xj轴与大地坐标系Xg0yg7K平面内的投影之间的夹角，以机头 抬高为正，与构成右手旋，范围; 横滚角Φ为机体〇\轴与大地坐标系Xg〇Zg垂直面之间的夹角，右侧下降为正，与 〇x.j构成右手旋，范围。 图5为本专利技术涉及的地心坐标系到大地坐标系之间的变换关系示意图。 大地坐标与机体坐标之间的转换关系为： X, =Tgvxg (1) 其中，表示机体坐标下的一个向量，表示大地坐标坐标下的一 个向量，B为从大地坐标系到机体坐标系的旋转矩阵，$具体为： 机体坐标与大地坐标之间的转换关系为： 其中："为从机体坐标系到大地坐标系的旋转矩阵，Tf具体为： 飞机所在点大地坐标与地心坐标之间的转换关系为：.表示地心坐标下的一个向量，飞机所在的点在大地坐标系位置的 经度和炜度分别为％""、Θut，地球半径为R，飞机的高度为h，V为从地心坐标系到飞机所 在点的大地坐标系的旋转矩阵。 步骤三：根据无人机天线跟踪误差电压跟踪卫星得到卫星在机体坐标下的方位角 和俯仰角； 设卫星在大地坐标系中的方位、俯仰角为AgS和EgS，卫星在机体坐标系中方位、俯 仰角为A]s和E]s，飞机姿态角为偏航角'俯仰角Θ、横滚角φ，?为卫星到飞机之间的距 离，卫星在机体坐标下的方位角、俯仰角为AjS和EjS: 其中，xgSS卫星在飞机所在点大地坐标系下的坐标，XjS为卫星在机体坐标系下的 坐标，将（7) (8)式代入（1)式，得： 通过上式可以计算出卫星在机体坐标系下方位角AjS和俯仰角EjS。 步骤四：根据惯性导航测量的机体的方位角、俯仰角、横滚角，计算卫星在飞机所 在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角； 已知卫星在机体坐标系中方位、俯仰角为AjS和EjS及飞机的偏航角俯仰角Θ、 横滚角φ，将（7)⑶式代入⑶式，得： 通过上式可以计算出卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角AgS和俯仰 角EgS。 步骤五：根据卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角，反推出 飞机所在的经度和炜度当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于卫星通信的无人机导航数据被欺骗识别方法，包括以下几个步骤：步骤一：建立与无人机相关的地心坐标系、机体坐标系统、大地坐标系；设飞机经度为飞机纬度为θLatJ，卫星经度为地球半径为Re，飞机到地面的高度为h，卫星到地面的高度为H，卫星到飞机的距离为D；设地心坐标系为O(xe,ye,ze)，原点Oe为地球的中心，xe轴过地球中心指向真北方向，ye轴过地球中心指向正东方向，在赤道平面内，ze轴与xeye轴成右手关系；设大地坐标系为O(xg,yg,zg)，原点O为地球质心，xg轴过地球质心水平指向真北方向，yg轴过地球质心，指向正东方向，zg轴过地球质心，指向地心方向，与xgyg轴成右手关系，其中xgoyg为水平面，xgozg为垂直面；设机体坐标系为O(xj,yj,zj)，原点O为机体重心，xj轴过质心的机体滚动轴线，飞行方向为正；yj轴在机体机翼水平面内，指向右边，zj轴在飞机水平对称平面内，与xjyj轴成右手关系；步骤二：获得坐标系之间的变换关系；机体相对大地坐标系下的角度定义为：偏航角为机体oxj轴在大地坐标系xgoyg水平面的投影与oxg的夹角，自真北起顺时针方向为正，与oxj构成右手旋，范围[0,360°]；俯仰角θ为机体oxj轴与大地坐标系xgoyg水平面内的投影之间的夹角，以机头抬高为正，与oyj构成右手旋，范围[‑90°,90°]；横滚角φ为机体ozj轴与大地坐标系xgozg垂直面之间的夹角，右侧下降为正，与oxj构成右手旋，范围[‑90°,90°]；大地坐标与机体坐标之间的转换关系为：xj=Tgjxg---(1)]]>其中，xj=xjyjzj]]>表示机体坐标下的一个向量，xg=xgygzg]]>表示大地坐标坐标下的一个向量，为从大地坐标系到机体坐标系的旋转矩阵，具体为：机体坐标与大地坐标之间的转换关系为：xg=Tjgxj---(3)]]>其中：为从机体坐标系到大地坐标系的旋转矩阵，具体为：飞机所在点大地坐标与地心坐标之间的转换关系为：xg=Tegxe---(5)]]>其中：xe=xeyeze]]>表示地心坐标下的一个向量，飞机所在的点在大地坐标系位置的经度和纬度分别为θLat，地球半径为R，飞机的高度为h，为从地心坐标系到飞机所在点的大地坐标系的旋转矩阵；步骤三：根据无人机天线跟踪误差电压跟踪卫星得到卫星在机体坐标下的方位角和俯仰角；设卫星在大地坐标系中的方位、俯仰角为AgS和EgS，卫星在机体坐标系中方位、俯仰角为AjS和EjS，飞机姿态角为偏航角俯仰角θ、横滚角φ，D为卫星到飞机之间的距离，卫星在机体坐标下的方位角、俯仰角为AjS和EjS：xgS=DcosEgScosAgSDcosEgSsinAgSDsinEgS---(7)]]>xjS=DcosEjScosAjSDcosEjSsinAjS-DsinEjS---(8)]]>其中，XgS为卫星在飞机所在点大地坐标系下的坐标，XjS为卫星在机体坐标系下的坐标，将(7)(8)式代入(1)式，得：通过上式计算出卫星在机体坐标系下方位角AjS和俯仰角EjS；AjS=tg-1yjSxjS,EjS=tan-1zjSx2jS+y2jS---(10)]]>步骤四：根据惯性导航测量的机体的方位角、俯仰角、横滚角，计算卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角；已知卫星在机体坐标系中方位、俯仰角为AjS和EjS及飞机的偏航角俯仰角θ、横滚角φ，将(7)(8)式代入(3)式，得：通过上式计算出卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角AgS和俯仰角EgS；AgS=tg-1ygSxgS,EgS=-tan-1zgSx2gS+y2gS---(12)]]>步骤五：根据卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角和俯仰角，反推出飞机所在的经度和纬度θLat；卫星在飞机所在点大地坐标系统下的大地方位角AgS和俯仰角EgS与飞机的坐标位置之间的关系：假设卫星的经度为卫星到地面的高度为H，则卫星在地心坐标系下的坐标XeS为：卫星在飞机所在点的大地坐标系下的坐标XgS为：xgS=xgSygSzgS---(14)]]>飞机位置点在地心坐标系下的坐标A为：由飞机所在点大地坐标与地心坐标之间的转换关系得：xgS=Teg(xe-A)=Tegxe-TegA---(16)]]>由上式得：因为：AgS=tg-1ygSxgS,EgS=-tan-1zgSx2gS+y2gS]]>得到：由已得知的AgS、EgS、反推出飞机经度、纬度和θLat：设由式(20)化简得：AgS=tg-1tanλsinθLat=sin-1sinλ1-cosθ2Latcos2λ---(21)]]>EgS=tan-1cosθLatcosλ-(R+h)...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾国奇，向锦武，赵民强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11