一种电磁波结构向量测姿和惯导测姿的数据融合方法与流程

1.本发明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、导航技术领域。


背景技术：

2.目前运动飞行器姿态测量主要有两大类方法：
3.一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；
4.二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。
5.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。


技术实现要素：

6.为解决的问题，本发明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。
7.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
8.一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：
9.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；
10.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；
11.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；
12.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；
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
18.1)本发明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；
19.2)本发明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；
20.3)本发明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
21.图1是电磁波的波达矢量图；
22.图2是电磁波的极化椭圆图；
23.图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
25.如图3所示，本发明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。
26.1全电磁矢量传感器接收信号模型
27.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
为固定值，可测量得到。则基准平台下，k号传感器在大地坐标系下的位置和姿态为：[x
kn
,y
kn
,z
kn
]
t
＝b
n
[x
k
,y
k
,z
k
]
t
[x
n
,y
n
,z
n
]
t
＝[x
′
k
,y
′
k
,z
′
k
]
t
[x
n
,y
n
,z
n
]
t
，b
kn
＝b
k
b
n
。
[0035]
测得飞行器在第n个慢拍的位置为[x
n
,y
n
,z
n
]
t
,惯导解算此时飞行器相比于基准平台的姿态偏移为b
δn,n
，此时飞行器的姿态为则第n个慢拍时k号传感器在基准平台下的位置和姿态为：[x
kn
,y
kn
,z
kn
]
t
＝b
n
[x
k
,y
k
,z
k
]
t
[x
n
,y
n
,z
n
]
t
＝[x
′
k
,y
′
k
,z
′
k
]
t
[x
n
,y
n
,z
n
]
t
，
[0036]
在基准平台下，利用合成孔径原理将n个慢拍时的k个电磁矢量传感器合成拓展阵列，其中单个电磁矢量传感器序号i＝(n
‑
1)k k，表示基准平台下第k个电磁矢量传感器在第n个慢拍时所形成的电磁矢量传感器的序号。设i号电磁矢量传感器的姿态为b
i
，通过三维空间旋转理论可将b
i
用旋转向量表示：向量为旋转向量中的元素。
[0037]
i号电磁矢量传感器接收信号的导向矢量表达式为：
[0038]
[0039]
式(3)中c
i
表示选择矩阵，其中x
i
、y
i
、z
i
表示i号传感器在大地坐标系中的姿态，表示各电磁矢量传感器独立采样形成的增益和相位漂移。
[0040]
最终可得到拓展阵列所对应的导向矢量表达式为：
[0041][0042]
矩阵
[0043]
矩阵
[0044]
建立拓展阵列的极化空域导向矢量后，可运用阵列信号处理方法对飞行器的基准平台姿态进行估计。
[0045]
3通过空间谱的特征值算法估计飞行器姿态
[0046]
拓展阵列接收极化导航信号的模型为其中s(t)为信源极化导航信号，e(t)为加性噪声，接收信号的协方差矩阵为t为每个慢拍采样的快拍数。对协方差矩阵进行特征分解，r＝uλu
h
＝[u1u2]λ[u1u2]
h
，得到信号子空间u1和噪声子空间u2。利用噪声子空间和导向矢量的正交性，可构造空间谱函数：
[0047][0048]
将式(5)d＝cξ代入，有：
[0049][0050]
故目标姿态p(φ1,φ2,φ3)的广义空间谱可简化为：
[0051][0052]
其中，λ
max
[φ1(φ1φ2φ3),φ2(φ1φ2φ3)表示取广义特征值的最大值，该值与ξ无关，故对飞行器位置误差不敏感，也不受每次传感器独立采样形成的增益与相位漂移干扰，这是由极化阵列接收数据特定结构造成的。除此之外，(10)式中只剩下飞行器基准平台姿态b
l
未知，其他参数均为已知。可以通过三维遍历飞行器姿态φ1、φ2、φ3去搜索空间谱，峰值所对应的姿态参数即为飞行器基准平台姿态。通过基准平台姿态乘以每次慢拍时的姿态偏移量，可以得到n个慢拍时飞行器的实时姿态。
[0053]
应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本技术权利要求的保护范围内。