一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法与装置与流程

1.本发明涉及航空大地电磁探测技术领域，尤其涉及一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法与装置。


背景技术：

2.直升机航空电磁软支架吊舱的优点是吊舱的连接关节能够一定程度的自由活动，大幅缓解飞行测量中震动产生的影响，从而降低系统的噪声水平，而且相比硬支架吊舱能够大幅的降低吊舱的重量，更容易制造出大尺寸吊舱，提高系统的探测深度。软支架吊舱主要由直管和弯管两种线管组合而成，如图1所示。吊舱的姿态测量对于系统在空中飞行状态的修正、对后续数据进行矫正至关重要，能够帮助提升系统的性能水平。以往硬支架吊舱的姿态测量方案主要是采用惯导系统进行姿态测量，一般是通过在一个刚性管上安装姿态感应陀螺和两个gnss天线，利用部分代替整体，获取吊舱的方位角、俯仰角和横滚角三维姿态，图1所示。这种方法在硬支架吊舱系统上能够起到非常好的作用。
3.然而，对于软支架吊舱系统而言，正因为关节能够自由活动的原因，以往硬支架上使用惯导系统进行姿态测量的方法对于软支架而言不适用。由于吊舱上的直管和弯管都能够一定程度的活动，那么当惯导姿态测量系统安装在其中一个线管上时，其测量的姿态只是这个线管的姿态，而不是整个吊舱系统的姿态，如图2所示。导致这种测量方法失效。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，用以解决现有技术中存在的缺陷。
5.本发明实施例提供一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，包括：
6.天线设置：吊舱上安装有至少3个gnss天线，地面设置至少1个包含gnss天线的地面基站；
7.动态差分解算：以吊舱的一个gnss天线为移动基站，计算吊舱其余gnss天线相对移动基站的空间位置；
8.静态差分解算：通过移动基站与地面基站的静态差分解算，获得移动基站的空间坐标，以所述空间坐标为基础计算得出吊舱上移动基站之外其余gnss天线的空间坐标；
9.空间姿态解算：以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得出吊舱的空间三维姿态。
10.进一步的，动态差分解算中，所有吊舱gnss天线同步接收卫星信号，将吊舱移动基站外其余gnss天线的卫星信号与移动基站信号进行动态差分解算，获得所述其余gnss天线相对移动基站的空间位置。
11.进一步的，空间姿态解算中，以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；将吊舱简化为圆形仓，利用空间解析几何计算出圆形仓的圆心及圆的空间坐标；根据设定的朝向计算出圆形仓的方位角、俯仰角和横滚角，所述方位角、俯
仰角和横滚角即为吊舱的空间三维姿态。
12.进一步的，吊舱上安装有3个gnss天线，地面设置1个包含gnss天线的地面基站。空间姿态解算中，以吊舱上3个gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；通过求解以下方程组获取所述平面的a、b、d三个参数，呈水平状态的吊舱将z轴设为主序轴，其系数设置为1；
[0013][0014]
在求取这三个参数后，吊舱gnss天线所在平面表述为：
[0015]
ax by z d＝0
[0016]
获得吊舱gnss天线所在平面方程。
[0017]
进一步的，吊舱上安装有4
‑
8个gnss天线，地面设置1个包含gnss天线的地面基站；
[0018]
空间姿态解算中，以吊舱上所有的gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；通过求解以下超定方程组获取所述平面的a、b、d三个参数；
[0019][0020]
设左侧矩阵为a，中间未知量为x，右侧列向量为b，该方程简写为ax＝b；当n>3时，该方程为超定方程，采用最小二乘法进行求解，所得的解的表达方式为：
[0021]
x＝(a
t
a)
‑1b，
[0022]
其中a
t
为a的转置，()
‑1代表对括号内的矩阵求逆；通过最小二乘求解，得到一个与吊舱所在平面的最优平面：
[0023]
ax by z d＝0
[0024]
获得吊舱gnss天线所在平面方程。
[0025]
进一步的，吊舱上的gnss天线安装在吊舱的弯管上，吊舱的弯管位于吊舱的拐角处；gnss天线方向朝上。
[0026]
本发明的实施例同时提供了一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量装置，包括：
[0027]
移动天线模块，用于悬挂在吊舱以获取吊舱的空间位置；
[0028]
固定天线模块，用于固定在地面以确定移动天线模块各个天线的空间位置；
[0029]
数据处理模块，用于将获取的空间位置信息进行计算后获得吊舱的空间三维姿态。
[0030]
本发明的实施例同时提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法的步骤。
[0031]
本发明的实施例同时提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述所述航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法
的步骤。
[0032]
本发明实施例提供的航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，不使用惯导系统，而是使用纯粹的gnss天线解算方案，gnss天线即使随着吊舱的线管发生旋转，在没有出现天线朝向剧烈变化的情况下，根据差分gnss解算出来的位置不会有明显的变化，从而解算出来的稳定的吊舱姿态，适合软支架吊舱系统；当gnss天线足够多的时候，能够有效计算出吊舱的形变情况，从而为直升机航空电磁系统姿态校正、吊舱性能的提高提供关键数据。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1是本发明背景技术中采用陀螺仪和gnss天线进行姿态测量的吊舱示意图；
[0035]
图2是本发明背景技术中吊舱的线管旋转与姿态变化示意图；
[0036]
图3是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中gnss天线安装示意图；
[0037]
图4是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中获得的数据直观显示图；
[0038]
图5是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中吊舱4天线布置示意图；
[0039]
图6是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中吊舱6天线布置示意图；
[0040]
图7是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法的流程图；
[0041]
图8是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量装置的结构示意图；
[0042]
图9是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
目前的航空电磁测量系统，对于软支架吊舱系统而言，正因为关节能够自由活动的原因，以往硬支架上使用惯导系统进行吊舱姿态测量的方法对于软支架而言不适用。由于吊舱上的直管和弯管都能够一定程度的活动，那么当惯导姿态测量系统安装在其中一个线管上时，其测量的姿态只是这个线管的姿态，而不是整个吊舱系统的姿态。导致这种测量方法失效。
[0045]
为此，本发明实施例中提供了一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，如图7是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法的流程图，包括：
[0046]
s1天线设置：吊舱上安装有至少3个gnss天线，地面设置至少1个包含gnss天线的地面基站；
[0047]
s2动态差分解算：以吊舱的一个gnss天线为移动基站，计算吊舱其余gnss天线相对移动基站的空间位置；
[0048]
s3静态差分解算：通过移动基站与地面基站的静态差分解算，获得移动基站的空间坐标，以所述空间坐标为基础计算得出吊舱上移动基站之外其余gnss天线的空间坐标；
[0049]
s4空间姿态解算：以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得出吊舱的空间三维姿态。
[0050]
在步骤s2动态差分解算中，所有吊舱gnss天线同步接收卫星信号，将吊舱移动基站外其余gnss天线的卫星信号与移动基站信号进行动态差分解算，获得所述其余gnss天线相对移动基站的空间位置。
[0051]
在步骤s4空间姿态解算中，以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；将吊舱简化为圆形仓，利用空间解析几何计算出圆形仓的圆心及圆的空间坐标；根据设定的朝向计算出圆形仓的方位角、俯仰角和横滚角，所述方位角、俯仰角和横滚角即为吊舱的空间三维姿态。
[0052]
如图4是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中获得的数据直观显示图；可以获得吊舱的航向角、俯仰角、横滚角的实时信息，航向角即方位角，同时能够在三维空间中显示吊舱线圈的姿态位置图。
[0053]
可选的，本发明的实施例吊舱上安装有3个gnss天线，地面设置1个包含gnss天线的地面基站。如图3是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中gnss天线安装示意图；301、302和303为吊舱的gnss天线，304为地面基站的gnss天线，305为吊舱。
[0054]
在吊舱3个gnss天线的空间姿态解算步骤中，以吊舱上3个gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；通过求解以下方程组获取所述平面的a、b、d三个参数，呈水平状态的吊舱将z轴设为主序轴，其系数设置为1；
[0055][0056]
在求取这三个参数后，吊舱gnss天线所在平面表述为：
[0057]
ax by z d＝0
[0058]
获得吊舱gnss天线所在平面方程。
[0059]
gnss天线布置方案：gnss天线在吊舱上应均匀分布，且均分布在弯管上；gnss天线天线数量最好为吊舱弯管数量的约数。如吊舱为12边形，那么天线的数量最好为3,、4、6或12。
[0060]
可选的，本发明的实施例吊舱上安装有4
‑
8个gnss天线，也可以达到十多个天线数量，地面设置1个包含gnss天线的地面基站；天线的布置方法如图5是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中吊舱4天线布置示意图，其中401/402/403/404
为吊舱gnss天线，405为地面基站gnss天线，406为吊舱；如图6是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法中吊舱6天线布置示意图，其中601、602、603、604、605、606为吊舱gnss天线，607为地面基站gnss天线，608为吊舱；
[0061]
在吊舱上安装gnss天线数量大于3个时，空间姿态解算步骤中，计算方法不同于3个吊舱天线的方法。具体为：以吊舱上所有的gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；通过求解以下超定方程组获取所述平面的a、b、d三个参数；
[0062][0063]
设左侧矩阵为a，中间未知量为x，右侧列向量为b，该方程简写为ax＝b；当n>3时，该方程为超定方程，采用最小二乘法进行求解，所得的解的表达方式为：
[0064]
x＝(a
t
a)
‑1b，
[0065]
其中a
t
为a的转置，()
‑1代表对括号内的矩阵求逆；通过最小二乘求解，得到一个与吊舱所在平面的最优平面：
[0066]
ax by z d＝0
[0067]
获得吊舱gnss天线所在平面方程。
[0068]
所有gnss天线所在的点与这个平面的代数距离可表示为：
[0069][0070]
需要注意的是，这个距离不同于几何意义上的绝对距离，这个代数距离是有正也有负，一般在最优平面之上为正，在最优平面之下为负。那么吊舱的平面偏离度可用偏离标准差来表示：
[0071][0072]
其中s为吊舱的平面偏离度，d为各gnss天线点相对最优平面代数距离的平均值：
[0073][0074]
上述为吊舱上安装gnss天线数量大于3个时，空间姿态解算步骤的方法。
[0075]
本发明的实施例中，如图3、图5和图6所示，吊舱上的gnss天线安装在吊舱的弯管上，吊舱的弯管位于吊舱的拐角处；gnss天线方向朝上。相对于直管而言在飞行过程中天线旋转会比较少，能够确保gnss天线始终朝上，保障天线接收到足够强的卫星信号，确保测量的精度。
[0076]
本发明实施例同时提供了一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量装置，如图8是本发明实施例提供的一种航空电磁软支架吊舱的姿态测量装置的结构示意图，包括：
[0077]
801移动天线模块，用于悬挂在吊舱以获取吊舱的空间位置；即安装在吊舱上的gnss天线的整体；
[0078]
803固定天线模块，用于固定在地面以确定移动天线模块各个天线的空间位置；即地面基站的gnss天线；
[0079]
802数据处理模块，用于将获取的空间位置信息进行计算后获得吊舱的空间三维姿态，将天线模块获取的数据进行计算处理后得出吊舱的三维姿态数据。
[0080]
本发明实施例同时提供了一种电子设备，如图9是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备可以包括：处理器(processor)901、通信接口(communications interface)904、存储器(memory)902和通信总线903，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行上述各实施例中提供的航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，该方法包括：天线设置，吊舱上安装有至少3个gnss天线，地面设置至少1个包含gnss天线的地面基站；动态差分解算，以吊舱的一个gnss天线为移动基站，计算吊舱其余gnss天线相对移动基站的空间位置；所有吊舱gnss天线同步接收卫星信号，将吊舱移动基站外其余gnss天线的卫星信号与移动基站信号进行动态差分解算，获得所述其余gnss天线相对移动基站的空间位置；静态差分解算，通过移动基站与地面基站的静态差分解算，获得移动基站的空间坐标，以所述空间坐标为基础计算得出吊舱上移动基站之外其余gnss天线的空间坐标；空间姿态解算，以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；将吊舱简化为圆形仓，利用空间解析几何计算出圆形仓的圆心及圆的空间坐标；根据设定的朝向计算出圆形仓的方位角、俯仰角和横滚角，所述方位角、俯仰角和横滚角即为吊舱的空间三维姿态。
[0081]
此外，上述的存储器902中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0082]
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各实施例中提供的航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，该方法包括：天线设置，吊舱上安装有至少3个gnss天线，地面设置至少1个包含gnss天线的地面基站；动态差分解算，以吊舱的一个gnss天线为移动基站，计算吊舱其余gnss天线相对移动基站的空间位置；所有吊舱gnss天线同步接收卫星信号，将吊舱移动基站外其余gnss天线的卫星信号与移动基站信号进行动态差分解算，获得所述其余gnss天线相对移动基站的空间位置；静态差分解算，通过移动基站与地面基站的静态差分解算，获得移动基站的空间坐标，以所述空间坐标为基础计算得出吊舱上移动基站之外其余gnss天线的空间坐标；空间姿态解算，以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；将吊舱简化为圆形仓，利用空间解析几何计算出圆形仓的圆心及圆的空间坐标；根据设定的朝向计算出圆形仓的方位角、俯仰角和横滚角，所述方位角、俯仰角和横滚角即为吊舱的空间三维姿态。
[0083]
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的上述各实施例中提供的航空电磁软支架吊舱的姿态测量方法，该方法包括：天线设置，吊舱上安装有至少3个gnss天线，地面设置至少1个包含gnss天线的地面基站；动态差分解算，以吊舱的一个gnss天线为移动基站，计算吊舱其余gnss天线相对移动基站的空间位置；所有吊舱gnss天线同步接收卫星信号，将吊舱移动基站外其余gnss天线的卫星信号与移动基站信号进行动态差分解算，获得所述其余gnss天线相对移动基站的空间位置；静态差分解算，通过移动基站与地面基站的静态差分解算，获得移动基站的空间坐标，以所述空间坐标为基础计算得出吊舱上移动基站之外其余gnss天线的空间坐标；空间姿态解算，以吊舱上所有gnss天线空间坐标数据计算得到所有吊舱gnss天线所在平面；将吊舱简化为圆形仓，利用空间解析几何计算出圆形仓的圆心及圆的空间坐标；根据设定的朝向计算出圆形仓的方位角、俯仰角和横滚角，所述方位角、俯仰角和横滚角即为吊舱的空间三维姿态。
[0084]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0085]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0086]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。