一种基于扁率角补偿的坐标变换方法技术

本发明专利技术一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，包括假设飞行器当前大地直角坐标系的位置速度已确定，通过大地直角坐标系转换为大地坐标系的迭代算法获得飞行器当前位置的地理经纬高，然后计算得到当地地心纬度A和地理纬度B’的转换关系并计算出地球扁率角C。判断当前所处纬度区z

【技术实现步骤摘要】
一种基于扁率角补偿的坐标变换方法
本专利技术属于天线通信
，具体地，涉及一种基于扁率角补偿的从固连系到航迹系的坐标变换方法。为无航迹信息与当地水平信息情况下利用气动姿态的航空飞行坐标精确转换提供了一种途径。
技术介绍
航天飞机是兼具空间飞行器和飞机特性，可重复使用的天地运输工具。再入返回段的飞行状态同导弹类似，因要考虑空气力学影响气动姿态的使用较为普遍。气动姿态描述国内外情况较为一致，都是结合飞行器位置速度姿态信息针对当地水平面进行一系列转换来实现。若转换关系直观则采用直接投影法，变换关系较为复杂时采用旋转矩阵法。常用转换流程有两种，与弹道相关的转换和与地面相关的转换。前者需要两步转换，即首先通过由当地水平面确定的发射坐标系结合航迹倾角、航迹偏角以及速度倾侧角转换至当地航迹坐标系，该坐标系有飞行器的速度情况确定。然后根据提供的攻角、侧滑角气动姿态信息转换至机体坐标系；第二种转换流程则通过机体相对于当地水平面的相互关系，即俯仰、滚动、偏航姿态角来实现发射坐标系向机体坐标系的转换。但是两种计算流程都需要机体内部的惯导设备、重力敏感设备和中央处理器实时采集积分计算获得当前的弹道情况和相对于水平面的姿态情况。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，利用四元数关系实现椭球模型下地固坐标系向地面坐标系以及航迹坐标系的准确转换，提高了再入段指向计算的精度。本方法的技术方案是：一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，包括以下步骤：(1)获取飞行器在当前大地直角坐标系的位置r(i)＝[r1(i)r2(i)r3(i)]T与速度信息，通过迭代算法获得飞行器当前位置的地理经度L(i)、纬度B’(i)、高度H(i),；根据r1(i),r2(i),r3(i),vr1(i),vr2(i),vr3(i)计算获得地球扁率角C(i)；(2)根据当前所处纬度区，设置扁率角补偿策略，使得扁率角在不同纬度范围中C(i)具有相应的补偿方向；所述当前所处纬度区通过地球固连坐标系z轴分量zdg(i)描述；地球固连坐标系定义为：原点为地球质心，基本平面为当前时刻地球真赤道，X轴指向格林尼治子午圈，Z轴指向北极的国际惯用原点CIO，X，Y，Z成右手系；(3)对B’(i)与C(i)的情况进行联合判断，设置阈值|σ|与分类决策并最终确定C(i)，保证在纬度趋近于两极与赤道附近时，C(i)不断趋近于零；(4)根据地球固连坐标系z轴与当前地心矢量Rdx(i)计算补偿旋转矢量n(i)；利用四元数法实现地心矢量Rdx(i)绕旋转矢量n(i)补偿C(i)后的铅垂矢量Rqc(i)，进而利用Rqc(i)完成从地球固连坐标系向当地航迹坐标系的准确转换；所述当地航迹坐标系定义为：坐标原点位于飞行器的质心O处，OXk沿飞行器速度方向，OYk轴在包含OXk轴的铅垂平面内且垂直于OXk轴指向上方，OZk轴的指向按右手法则确定。所述步骤(1)中计算获得地球扁率角C(i)的具体通过以下方式实现：(11)规定北半球为正南半球为负，地心纬度始终为正；根据平面化地球椭球模型计算出当前与地理纬度随动的扁率角C(i)；C(i)＝||B'(i)|-A(i)|；式中A(i)与B’(i)分别为飞行器当前所处位置对应的地心纬度与地理纬度，A(i)＝arccos(OM(i)/|r(i)|)，所述步骤(2)具体通过以下方式实现：(21)计算当前地球固连坐标系z轴坐标zdg(i)与当前地心矢量Rdx(i)所确定的平面的法向量n(i)，即单位补偿矢量式中为地球固连坐标系z轴单位矢量；(22)获取当前所处纬度区分类，判断当前纬度区极性；若zdg(i)≥0且zdg(i)B’(i)≥0，则为反向补偿设置，补偿方向标志cf(i)＝0；若zdg(i)<0且zdg(i)B’(i)<0，则为正向补偿设置，补偿方向标志cf(i)＝1；若zdg(i)与B’(i)极性相反，以zdg(i)为判断依据。所述步骤(3)具体通过以下方式实现：(31)获取当前地球固连坐标系z轴坐标zdg(i)与地理纬度B’(i)；(32)C(i)为0时分为两种情况处理；在纬度区处于赤道附近时，如果满足-|σ|≤B’(i)≤|σ|，判断zdg(i)与B’(i)是否同向；若zdg(i)与B’(i)同向，则C(i)不变，若zdg(i)与B’(i)不同向，则C(i)＝ε；如果不满足-|σ|≤B’(i)≤|σ|，判断C(i)C(i-1)是否大于等于0，若C(i)C(i-1)大于等于0，则C(i)不变，若C(i)C(i-1)小于0，则C(i)＝ε；在纬度区处于南北两极附近时，如果满足-|σ|≤|B’(i)±90°|≤|σ|，判断zdg(i)与B’(i)是否同向；若zdg(i)与B’(i)同向，则C(i)不变，若zdg(i)与B’(i)不同向，则C(i)＝ε；如果不满足-|σ|≤|B’(i)±90°|≤|σ|，判断C(i)C(i-1)是否大于等于0，若C(i)C(i-1)大于等于0，则C(i)不变，若C(i)C(i-1)小于0，则C(i)＝ε。|σ|≤0.3°，ε＝1e-6；所述步骤(4)具体通过以下方式实现：(41)根据步骤(3)计算得到的C(i)，对纵剖面法向量n(i)与补偿方向标志cf(i)判断；地心矢量rdx的补偿关系为：若cf(i)＝0，ΔC(i)＝-C(i)；若cf(i)＝1，ΔC(i)＝C(i)；ΔC(i)为地心矢量rdx绕法向量n(i)旋转至铅垂矢量rqc的转角；(42)设置规范归一化四元数为式中四元数形式为q＝q0+q,q＝q1i+q2j+q3k；各分量分别为根据该四元数可直接构造出当前rdx(i)到rqc(i)的转换矩阵A(i)，即rqc(i)＝A(i)·rdx(i)；简化省去时标i后的转换矩阵具体如下：本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)提出的通过地球椭球剖面模型实现对不同纬度区地球扁率角的计算补偿方法，引入了扁率对发射坐标系向航迹系坐标转换的影响，改善了转换精度；(2)提出的扁率角补偿策略，分类识别了不同工况对应设计了补偿策略。提高了坐标变换的适用范围；(3)提出的扁率角零值跳变抑制策略，提高了依赖对时间敏感数据进行转换计算的鲁棒性；(4)通过矢量间四元数关系推导获得了地心矢量向铅垂矢量的转换关系，使非正交矢量变换计算过程更为简单。附图说明图1为椭球模型下各矢量关系图；图2为不同纬度区扁率角分类补偿示意图；图3为一个矢量绕一个单位矢量的旋转示意图；图4为扁率角补偿坐标变换流程示意图。具体实施方式下面将结合具体实施例对根据本专利技术的基于扁率角补偿的坐标变换方法做进一步详细的说明。S1)方法首先通过大地直角坐标系转换为大地坐标系的迭代算法获得飞行器当前位置的地理经纬高，然后计算得到当地地心纬度A和地理纬度B’的转换关系并计算出地球扁率角C。在正球体模型中，地球的纵剖面为正圆，正圆上的任意点N与地心的连线恰好与曲面在点N的法线方向重合，如图1所示。根据模型分析，在椭球上的某点N与地心的连线方向和当地水平面的法线方向存在差异。将其定义为地球扁率角，并且C随地理纬度的变化而变化，赤道零纬度地区以及两极地区C均为零，中纬度附近存在极大值。将实际问题平面化，根据三角几何关系可得C＝1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获取飞行器在当前大地直角坐标系的位置r(i)＝[r

【技术特征摘要】
1.一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获取飞行器在当前大地直角坐标系的位置r(i)＝[r1(i)r2(i)r3(i)]T与速度信息，通过迭代算法获得飞行器当前位置的地理经度L(i)、纬度B’(i)、高度H(i),；根据r1(i),r2(i),r3(i),vr1(i),vr2(i),vr3(i)计算获得地球扁率角C(i)；(2)根据当前所处纬度区，设置扁率角补偿策略，使得扁率角在不同纬度范围中C(i)具有相应的补偿方向；所述当前所处纬度区通过地球固连坐标系z轴分量zdg(i)描述；地球固连坐标系定义为：原点为地球质心，基本平面为当前时刻地球真赤道，X轴指向格林尼治子午圈，Z轴指向北极的国际惯用原点CIO，X，Y，Z成右手系；(3)对B’(i)与C(i)的情况进行联合判断，设置阈值|σ|与分类决策并最终确定C(i)，保证在纬度趋近于两极与赤道附近时，C(i)不断趋近于零；(4)根据地球固连坐标系z轴与当前地心矢量Rdx(i)计算补偿旋转矢量n(i)；利用四元数法实现地心矢量Rdx(i)绕旋转矢量n(i)补偿C(i)后的铅垂矢量Rqc(i)，进而利用Rqc(i)完成从地球固连坐标系向当地航迹坐标系的准确转换；所述当地航迹坐标系定义为：坐标原点位于飞行器的质心O处，OXk沿飞行器速度方向，OYk轴在包含OXk轴的铅垂平面内且垂直于OXk轴指向上方，OZk轴的指向按右手法则确定。2.根据权利要求1所述的一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，其特征在于：所述步骤(1)中计算获得地球扁率角C(i)的具体通过以下方式实现：(11)规定北半球为正南半球为负，地心纬度始终为正；根据平面化地球椭球模型计算出当前与地理纬度随动的扁率角C(i)；C(i)＝||B'(i)|-A(i)|；式中A(i)与B’(i)分别为飞行器当前所处位置对应的地心纬度与地理纬度，A(i)＝arccos(OM(i)/|r(i)|)，3.根据权利要求1或2所述一种基于扁率角补偿的坐标变换方法，其特征在于：所述步骤(2)具体通过以下方式实现：(21)计算当前地球固连坐标系z轴坐标zdg(i)与当前地心矢量Rdx(i)所确定的平面的法向量n(i)，即单位补偿矢量式中为地球固连坐标系z轴单位矢量；(22)获取当前所处纬度区分类，判断当前纬度区极性；若zdg(i)≥0且z...

【专利技术属性】
技术研发人员：晁宁，李竹君，刘鹏，罗晓英，李荣，徐文强，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61