一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，属于雷达探测、导航技术领域。在运动的飞行器上安装电磁矢量传感器多次接收极化导航信号，惯导记录每次接收间隔飞行器的姿态偏移，利用合成孔径原理形成拓展阵列。根据极化导航信号的极化、波达信息建立波结构坐标系，联合各传感器的安装姿态、惯导记录的姿态偏移量和飞行器姿态建立拓展阵列的导向矢量模型。采用空间谱的特征值算法通过三维搜索飞行器姿态参数使得信号空间谱最大化，实现飞行器姿态估计。本方法利用波结构向量作为飞行器姿态测量的参照，通过融合惯导解算的飞行器姿态偏移，可实现单点测姿，并且减少了惯导长时间工作产生的误差累积对姿态测量的影响。测量的影响。测量的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法


[0001]本专利技术涉及一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，属于雷达探测、导航


技术介绍

[0002]目前运动飞行器姿态测量主要有两大类方法：
[0003]一是采用惯性导航系统，它使用滤波器将高带宽陀螺仪数据与低带宽的加速度计矢量信息相融合，以产生高带宽和低漂移的姿态估计。这种方法虽然不受外界电磁干扰，但是加速度计在大加速度环境(如转弯)下的测量易被动态加速度干扰，影响测量精度；
[0004]二是利用极化导航信号多点接收，三角计算的方法测量姿态，虽然能实时校正误差，但是系统复杂，并没有充分利用极化导航信号的矢量信息。
[0005]国内外研究表明，电磁波的极化信息可用来作为飞行器姿态测量的参照，并且其对动态加速度不敏感。

技术实现思路

[0006]为解决的问题，本专利技术提供了一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，采用安装在飞行器上的电磁矢量传感器对极化导航信号进行N次采样，记为N个慢拍，每个慢拍采样T个快拍数据。以第N个慢拍时飞行器为基准平台，通过惯导解算前N
‑
1个慢拍时飞行器相比于基准平台的姿态偏移。将N个慢拍的数据与N
‑
1次姿态偏移量结合起来，利用合成孔径原理形成拓展阵列，并建立导向矢量模型，通过计算空间谱的特征值算法三维搜索飞行器姿态参数寻找谱峰可实现飞行器姿态测量。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008]一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：通过安装在飞行器上的K个电磁矢量传感器对极化导航信号进行N次采样，记为N个慢拍，每个慢拍采样T个快拍数据；
[0010]步骤2：以第N个慢拍时飞行器为基准平台，通过惯导解算前N
‑
1个慢拍时飞行器相比于基准平台的姿态偏移量；
[0011]步骤3：将基准平台下K个电磁矢量传感器的安装姿态融合惯导解算的N
‑
1个姿态偏移量，生成基准平台下的另外(N
‑
1)K个虚拟电磁矢量传感器，利用合成孔径原理形成含有NK个电磁矢量传感器的拓展阵列，并建立该拓展阵列的导向矢量；
[0012]步骤4：根据拓展阵列采样信号呈现多维张量的特定结构，采用空间谱的特征值算法，三维搜索飞行器姿态参数使得信号空间谱最大化，实现基准平台姿态的捕获；
[0013]步骤5：利用捕获的基准平台姿态和N
‑
1个姿态偏移量，解算出每个慢拍时的飞行器姿态。
[0014]进一步，步骤1中还包括：确定每个电磁矢量传感器在飞行器机身坐标系的安装姿态，各电磁矢量传感器采样信号的极化、波达参数。
[0015]进一步，步骤3中，合成拓展阵列要求机载传感器为矢量传感器，本方法采用电磁矢量传感器，包括缺损电磁矢量传感器和全电磁矢量传感器。以电磁矢量传感器第N个慢拍时的飞行器为基准平台，将前N
‑
1个慢拍时飞行器相比于基准平台的姿态偏移量作为各传感器在基准平台的安装姿态偏移量进行处理，利用合成孔径原理形成含有NK个电磁矢量传感器的拓展阵列。当K＝1时，本方法仍可形成含有N个电磁矢量传感器的拓展阵列，实现单偶极子或单磁环传感器测姿。建立拓展阵列的导向矢量模型就是根据各电磁矢量传感器采样信号的极化波达信息建立波结构坐标系，根据各电磁矢量传感器的安装姿态和飞行器旋转规律建立拓展阵列的极化
‑
空域导向矢量。
[0016]进一步，步骤4中，拓展形成的矢量阵列采样获取的数据呈现多维张量结构，采用空间谱的特征值算法，利用公式转化摆脱导向矢量中无用参数的干扰。使得导向矢量中只剩下飞行器基准平台姿态未知，可通过三维搜索姿态参数使得信号空间谱最大化，实现对基准平台姿态的捕获。利用捕获的基准平台姿态和N
‑
1个姿态偏移量，可解算出每个慢拍时的飞行器姿态。该方法与信号极化状态中的参数无关，对飞行器位置误差不敏感，也不受每次传感器接收信号形成的增益与相位漂移干扰。
[0017]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0018]1)本专利技术采取极化导航信号波结构向量作为参照获取飞行器姿态，并且融合惯导数据合成孔径接收矢量阵列，可以实现单点测量飞行器姿态，减少装载的接收机体积与重量，减少多径效应干扰；
[0019]2)本专利技术每次只融合惯导所测量飞行器的短间隔姿态变化量，避免了传统惯导产生的长时间误差累积对结果产生影响；
[0020]3)本专利技术采用计算空间谱的特征值算法进行飞行器姿态搜索，可摆脱无用参数在计算过程中的干扰；与极化状态中的参数无关，对飞行器位置误差不敏感，也不受每次传感器接收信号采样形成的增益与相位漂移干扰。
附图说明
[0021]图1是电磁波的波达矢量图；
[0022]图2是电磁波的极化椭圆图；
[0023]图3是本专利技术的方法流程图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。
[0025]如图3所示，本专利技术通过融合电磁矢量传感器与惯导的测量数据，利用合成孔径原理形成拓展阵列，并建立导向矢量模型，通过空间谱的特征值算法三维搜索飞行器姿态参数寻找空间谱峰值，可实现飞行器姿态测量。
[0026]1全电磁矢量传感器接收信号模型
[0027]大地坐标系下，极化远场电磁波的到达方向如图1所示，方位角为仰角为θ，传播方向为
‑
k，与波达矢量k垂直的平面上有两个正交矢量u和v。图2为电磁波传播过程中的极化椭圆，极化椭圆率η，极化倾角γ，根据极化椭圆长短轴建立矢量和联合矢量k、可建立波结构坐标系，作为飞行器姿态的矢量参照信息。得到全电磁矢量传感器导向矢量
接收模型为其中：
[0028][0029][0030]进一步可变形成旋转向量相乘的形式：
[0031][0032]式(3)中，d(η)＝[0 cosη i sinη 0
ꢀ‑
i sinη cosη]T
，，，表征了波结构坐标系与大地坐标系的姿态旋转差异。
[0033]2机载电磁矢量传感器拓展阵列模型
[0034]在飞行器上安装K个电磁矢量传感器，序号k＝1,2
…
K。每个传感器采样N次极化导航信号，记为N个慢拍，序号n＝1,2
…
N。每个慢拍采样得到T个快拍数据，序号t＝1,2
…
T。以第N个慢拍时的飞行器为基准平台，设此时飞行器姿态为b
N
，通过成熟的定位技术可测得飞行器位置为[x
N
,y
N
,z
N
]T
。k号传感器在机身坐标系下的安装姿态b
k
、安装位置[x
k
,y
k
,z
k
]T
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过安装在飞行器上的K个电磁矢量传感器对极化导航信号进行N次采样，记为N个慢拍，每个慢拍采样T个快拍数据；步骤2：以第N个慢拍时飞行器为基准平台，通过惯导解算前N
‑
1个慢拍时飞行器相比于基准平台的姿态偏移量；步骤3：将基准平台下K个电磁矢量传感器的安装姿态融合惯导解算的N
‑
1个姿态偏移量，生成基准平台下的另外(N
‑
1)K个虚拟电磁矢量传感器，利用合成孔径原理形成含有NK个电磁矢量传感器的拓展阵列，并建立该拓展阵列的导向矢量；步骤4：根据拓展阵列采样信号呈现多维张量的特定结构，采用空间谱的特征值算法，三维搜索飞行器姿态参数使得信号空间谱最大化，实现基准平台姿态的捕获；步骤5：利用捕获的基准平台姿态和N
‑
1个姿态偏移量，解算出每个慢拍时的飞行器姿态。2.如权利要求1所述的一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，其特征在于，步骤1中还包括：确定每个电磁矢量传感器在飞行器机身坐标系的安装姿态，各电磁矢量传感器采样信号的极化、波达参数。3.如权利要求1所述的一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，其特征在于，步骤3中：根据各电磁矢量传感器采样信号的极化波达信息，建立波结构坐标系；根据各电磁矢量传感器的安装姿态和飞行器旋转规律，建立拓展阵列的极化
‑
空域导向矢量。4.如权利要求3所述的一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法，其特征在于，拓展阵列的极化
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘耀辉，陈广东，党帅军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：