一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法的制作方法

1.本发明属于无线电通信技术领域，具体涉及一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法。


背景技术：

2.在现有技术中，飞机着陆通过地面基站信标建立相对坐标系，与飞机载设备进行交联，对飞机位置进行定位，获取到飞机在地面系统建立的相对坐标系中的位置信息。
3.但是现有技术中在对飞行中飞机位置进行定位时，通常依靠跟踪仪或者大量的工装，这样的方式虽然能够定位到飞机，但是其位置信息容易出现误差，而且在不具备gps、北斗定位或gps、北斗定位系统受到干扰的情况下，不能够精确对飞机起到引导作用，无法精确引导飞机着陆。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，旨在解决现有技术中的在对飞行中飞机位置进行定位时，通常依靠跟踪仪或者大量的工装，这样的方式虽然能够定位到飞机，但是其位置信息容易出现误差，而且不能够精确对飞机起到引导作用，无法精确引导飞机着陆的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，包括如下步骤：
7.s1、首先，通过地面基站信标建立相对坐标系，与飞机机载设备进行交联，对飞机位置进行定位，获取到飞机在地面系统建立的坐标信息以及地面系统相对坐标系中地面基站的相对坐标；
8.s2、其次，根据相对坐标系中原点的绝对位置坐标，并对飞机的相对位置进行坐标转换；
9.s3、最后，将转换为绝对位置坐标信息，提供给机载设备，机载设备通过该绝对坐标，计算得到精确的引导信息，引导飞机着陆。
10.作为本发明一种优选的方案，在步骤s1中，所述地面基站通过倒卫星定位系统建立相对坐标系。
11.作为本发明一种优选的方案，所述倒卫星定位系统建立相对坐标系时，通过在地面布置多个信标，利用信标某个站点作为坐标系原点，然后利用其中一个站点与建立的坐标系原点的连线作为x轴，x轴上两站点在与第三个站点一同构成xoy平面，垂直于xoy平面向上作为坐标系z轴，建立空间三维直角坐标系。
12.作为本发明一种优选的方案，在步骤s1中，所述飞机在地面系统建立的坐标信息为不同位置的多个绝对位置坐标和飞机在地面系统建立的相对坐标系中的相对坐标。
13.作为本发明一种优选的方案，所述飞机通过机载电子地图设备显示引导信息，实现，引导飞机着陆飞。
14.作为本发明一种优选的方案，在步骤s2中，所述坐标转换算法如下步骤：
15.s21、东北天坐标转换；
16.s22、地心地固坐标系转换；
17.s23、绝对坐标转换。
18.作为本发明一种优选的方案，在步骤s21中，所述东北天坐标转换通过建立同原点的东北天战心坐标系，然后计算出转换的位置位于东北天战心坐标系和原相对坐标系中的相对坐标，接着在计算出机载设备在东北天战心坐标系中的相对坐标。
19.作为本发明一种优选的方案，在步骤s22中，所述地心地固坐标系转换通过获取转换的位置在基于机载位置为原点的东北天站心坐标系中位置，通过机载设备收到的飞机当前的绝对位置坐标，将其转换为地心地固坐标系中的坐标，然后经过代入，即可得到转换的位置在地心地固坐标系中的坐标。
20.作为本发明一种优选的方案，在步骤s23中，所述绝对坐标转换通过获取转换的位置在地心地固坐标系中的坐标值，最终代入计算公式中转换为绝对位置坐标经纬高。
21.作为本发明一种优选的方案，所述计算公式为：
[0022][0023][0024][0025][0026]
其中：λ为精度，为纬度，h为高度。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028]
本发明使得在不具备gps、北斗定位或gps、北斗定位系统受到干扰的情况下，该算法仍能提供地面精确的绝对位置坐标，用于与机上系统、电子地图相交连，精确引导飞机进行着陆飞行，保证飞行的安全性。能够在不具备gps、北斗定位条件下快速着陆、野外临时着陆、复杂条件下着陆过程中，进一步提升飞机着陆的安全性与倒卫星着陆引导系统的可靠性与数据兼容性。
附图说明
[0029]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0030]
图1为本发明中的倒卫星定位系统坐标定位示意图；
[0031]
图2为本发明中的数据采集流程图；
[0032]
图3为本发明中的真实绝对坐标与转换坐标对比示意图；
[0033]
图4为本发明中的真实绝对坐标与转换坐标对比局部放大示意图；
[0034]
图5为本发明中的多个飞机绝对位置转换地面信标图；
[0035]
图6为本发明中的x坐标对比示意图；
[0036]
图7为本发明中的x坐标对比局部放大示意图；
[0037]
图8为本发明中的y坐标对比示意图；
[0038]
图9为本发明中的y坐标对比局部放大示意图；
[0039]
图10为本发明中的z坐标对比示意图；
[0040]
图11为本发明中的z坐标对比局部放大示意图。
具体实施方式
[0041]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0042]
实施例1
[0043]
请参阅图1-图11，本发明提供以下技术方案：
[0044]
一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，包括如下步骤：
[0045]
s1、首先，通过地面基站信标建立相对坐标系，与飞机机载设备进行交联，对飞机位置进行定位，获取到飞机在地面系统建立的坐标信息以及地面系统相对坐标系中地面基站的相对坐标；
[0046]
s2、其次，根据相对坐标系中原点的绝对位置坐标，并对飞机的相对位置进行坐标转换；
[0047]
s3、最后，将转换为绝对位置坐标信息，提供给机载设备，机载设备通过该绝对坐标，计算得到精确的引导信息，引导飞机着陆。。
[0048]
在本发明的具体实施例中，本发明中，飞机采取倒卫星定位系统着陆飞行，需给予飞机系统绝对位置坐标，用于以地图进行关联，从而引导飞机进行着陆。
[0049]
在野外快速着陆场地、复杂条件下的着陆场，不具备gps、北斗等手段或者存在干扰，无法获取绝对位置坐标的情况下，通过机上其他系统的在远距离无干扰或干扰较弱时获取的不同位置的多个绝对位置坐标，以及飞机在地面系统建立的相对坐标系中的相对坐标、地面系统相对坐标系中地面基站的相对坐标，对地面基站、着陆点的坐标通过算法进行坐标转换，使其转换为绝对位置坐标(经纬高)，提供给机载设备，机载设备通过该绝对坐标，计算得到精确的引导信息，从而引导飞机着陆飞行；
[0050]
倒卫星定位系统，通过地面布置多个信标，利用信标某个站点作为坐标系原点，其中一个站点与原点的连线作为x轴，x轴上两站点在与第三个站点一同构成xoy平面，垂直于xoy平面向上作为坐标系z轴，建立空间三维直角坐标系。利用机载设备与地面基站之间通信测距，从而得出飞机当前在相对坐标系中的位置信息(如图1所示)；
[0051]
机载设备通过当前相对位置，与着陆点位置，以及地面坐标系原点的绝对位置，地面系统中信标相对位置，从而得到精确的位置引导信息，并将飞机的相对位置转换为绝对位置提供给飞机，预计上电子地图交联，精确引导飞机着陆。
[0052]
具体的，本发明通过坐标转换方法，解决地面系统相对坐标与绝对坐标之间的坐
标转换问题；首先需要在机载设备在对gps或北斗系统无干扰或干扰较弱，且倒卫星系统能够正常定位的位置，获取多个时刻的绝对位置信息以及相对位置坐标，以该坐标为基础，对地面系统中的信标位置进行坐标转换，将其相对位置坐标转换为绝对位置坐标，坐标转换算法的整体流程如图2所示，其中，在采集飞机以及地面系统的系统坐标位置时，获取数据如果正常，则进行坐标转换算法内，若获取数据如果异常，则返回第一步重新获取；
[0053]
具体的，坐标转换算法可以分为3个部分，a：东北天坐标转换；b：地心地固坐标系转换；c：绝对坐标转换。
[0054]
倒卫星定位系统，通过地面布置多个信标，利用信标某个站点作为坐标系原点，其中一个站点与原点的连线作为x轴，x轴上两站点在与第三个站点一同构成xoy平面，垂直于xoy平面向上作为坐标系z轴，建立空间三维直角坐标系。
[0055]
a)东北天坐标转换:
[0056]
坐标转换首先，需要建立同原点的东北天站心坐标系(以下统称：坐标系b)，并将需要转换的位置(以下统称：点p)的在原相对坐标系(以下统称：坐标系a)中的坐标转换为坐标系b中的坐标。
[0057]
由于地面布台高度不同，且布台位置依托于地形，因此坐标系a的xoy平面与水平面存在一定夹角。
[0058]
因此需要先计算求出，坐标系b通过何种旋转得到的坐标系a，即坐标系b分别绕x轴、y轴、z轴旋转的夹角，从而对点p的相对坐标旋转，得到其在坐标系b中的相对坐标。利用同样方式计算得到机载设备在坐标系b中的相对坐标。
[0059]
以机载位置(以下统称：点h1)为原点建立东北天站心坐标系(以下统称：坐标系c)，计算得到需要转换点在坐标系c中的坐标。
[0060]
计算方法如下：
[0061][0062][0063]
其中n为基准椭球体的卯酉面曲率半径，e为椭球偏心率，a为基准椭球体的长半径，b为短半径。
[0064][0065][0066][0067]
根据上述公式，将机载设备获取的飞机的两个不同位置h1、h2的绝对位置坐标转换为地心地固坐标系(以下统称：坐标系d)中的坐标。
[0068][0069][0070]
公式6中λ为飞机当前位置即点h的经度，为纬度，s为坐标转换矩阵，公式7中(x,y,z)为坐标系d中的坐标，而(x1,y1,z1)为坐标系c中的坐标。
[0071]
根据公式(6)、公式(7)计算得到点h2在坐标系c中的相对坐标。
[0072]
再根据平面投影计算得到坐标系a到坐标系b的坐标旋转角度，及绕y轴旋转角度、绕x轴旋转角度。
[0073]
；
[0074]
；
[0075]
公式8、公式9中(x1，y1，z1)为点h2在坐标系c中的相对坐标。(x0，y0，z0)为点h2在坐标系a平移至以h1为原点的相对坐标系(以下统称坐标系e)中的坐标，ay为绕y轴旋转角度，ax为绕x轴旋转角度。
[0076]
根据坐标旋转矩阵，得到点p在坐标系c中的位置坐标。
[0077][0078][0079][0080]
sz为绕z轴旋转矩阵，za为x轴与东向夹角，通过测量得到，sx为绕x轴旋转矩阵，sy为绕y轴旋转矩阵。
[0081]
将公式10、11、12所得矩阵，与得到点p在坐标系e中的坐标(可通过两相对坐标直接做差计算得到)，按顺序依次代入公式7计算公式，最终可以得到点p在坐标系c中的位置坐标。
[0082]
b)地心地固坐标转换：
[0083]
将点p在坐标系c中位置，通过机载设备收到的飞机当前的绝对位置坐标，将其转换为坐标系d中的坐标。
[0084]
将坐标依次代入计算公式3、4、5，可得到点p在坐标系d中的坐标。
[0085]
将点p在坐标系c中位置，通过机载设备收到的飞机当前的绝对位置坐标，将其转换为坐标系d中的坐标
[0086]
c)绝对坐标转换：
[0087]
将点p在坐标系d中的坐标(x,y,z)，转换为绝对位置坐标经纬高。
[0088]
计算公式如下：
[0089][0090][0091][0092][0093]
其中，λ为精度，为纬度，h为高度。由于高度h计算公式中含有未知数纬度纬度的计算中又要使用未知变量高度h，因此，此处计算需要进行多次迭代，以获取更准确
的值。
[0094]
由于在干扰情况下，机上gps、惯导、北斗输出的绝对位置坐标精度有限，使用该算法需在机载能够获取到gps、惯导、北斗输出的飞机绝对位置坐标时，选多组多次计算，以获取更为精确的地面绝对位置。
[0095]
具体的，基于机上绝对位置坐标的地面基站坐标转换算法，其中测量数据仿真见图3、图4、图5；其中
[0096]
在图3中，右侧
※
，为飞机绝对位置，左侧
○
为地面信标差分gps测量位置，与
○
重合的
※
为根据飞机位置进行坐标转换的信标绝对位置；
[0097]
在图4中，
○
为地面信标差分gps测量位置，
※
为根据飞机位置进行坐标转换的信标绝对位置。图4为图3中，重合的
○
与
※
位置放大图，通过图4可看出，转换得到坐标与测量得到坐标误差为小数点后第八位变化，约为毫米级，可以忽略；
[0098]
图5为试飞过程中，通过三个飞机的绝对位置坐标(图5中三个较为分散的高度较高的
※
)，经坐标转换得到的地面四个信标的坐标(图5中比较密集的四个低高度的
※
)；
[0099]
试飞过程中，根据差分gps测量的地面坐标系原点绝对位置坐标计算并转换得到的东北天坐标系的飞机相对位置坐标与根据飞机绝对位置进行坐标转换得到的地面坐标系原点绝对位置坐标计算并转换得到的东北天坐标系的飞机相对位置坐标对比见图6至图11；
[0100]
在图6至图11中，图中曲线为试飞过程中从起飞到降落的过程曲线，其中图6、图7为x坐标曲线，图8、图9为y坐标曲线，图10、图11为z坐标曲线。通过图6～图11可以看出，本文算法转换的得到的地面坐标系原点绝对坐标、测量的道德的地面坐标系原点绝对坐标，代入运算中，得到的结果相差不到1cm，因此也可以认为，通过本文算法得到的绝对位置坐标精度较高，且稳定可靠
[0101]
本发明已在精密引导系统中使用，并已通过各种环境试验、试飞验证，且顺利完成鉴定，本发明的算法在产品试飞中的计算精度、稳定性方面表现不错，达到了预期的目的。
[0102]
可见，本发明进行的相对坐标与绝对坐标之间的转换，在正确性、稳定性、以及精度上均能满足要求。能够实现在不具备gps、北斗卫星定位条件下，提供飞机倒卫星定位系统中所需地面系统绝对坐标，从而令系统能够精确、安全引导飞机进行着陆。同时能够在野外临时着陆场起降中，提升飞行安全性及可靠性，具有广阔的应用前景。
[0103]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，包括如下步骤：s1、首先，通过地面基站信标建立相对坐标系，与飞机机载设备进行交联，对飞机位置进行定位，获取到飞机在地面系统建立的坐标信息以及地面系统相对坐标系中地面基站的相对坐标；s2、其次，根据相对坐标系中原点的绝对位置坐标，并对飞机的相对位置进行坐标转换；s3、最后，将转换为绝对位置坐标信息，提供给机载设备，机载设备通过该绝对坐标，计算得到精确的引导信息，引导飞机着陆。2.根据权利要求1所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，在步骤s1中，所述地面基站通过倒卫星定位系统建立相对坐标系。3.根据权利要求2所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，所述倒卫星定位系统建立相对坐标系时，通过在地面布置多个信标，利用信标某个站点作为坐标系原点，然后利用其中一个站点与建立的坐标系原点的连线作为x轴，x轴上两站点在与第三个站点一同构成xoy平面，垂直于xoy平面向上作为坐标系z轴，建立空间三维直角坐标系。4.根据权利要求1所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，在步骤s1中，所述飞机在地面系统建立的坐标信息为不同位置的多个绝对位置坐标和飞机在地面系统建立的相对坐标系中的相对坐标。5.根据权利要求4所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，所述飞机通过机载电子地图设备显示引导信息，实现，引导飞机着陆飞。6.根据权利要求5所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，在步骤s2中，所述坐标转换算法如下步骤：s21、东北天坐标转换；s22、地心地固坐标系转换；s23、绝对坐标转换。7.根据权利要求6所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，在步骤s21中，所述东北天坐标转换通过建立同原点的东北天战心坐标系，然后计算出转换的位置位于东北天战心坐标系和原相对坐标系中的相对坐标，接着在计算出机载设备在东北天战心坐标系中的相对坐标。8.根据权利要求7所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，在步骤s22中，所述地心地固坐标系转换通过获取转换的位置在基于机载位置为原点的东北天站心坐标系中位置，通过机载设备收到的飞机当前的绝对位置坐标，将其转换为地心地固坐标系中的坐标，然后经过代入，即可得到转换的位置在地心地固坐标系中的坐标。9.根据权利要求8所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，在步骤s23中，所述绝对坐标转换通过获取转换的位置在地心地固坐标系中的坐标值，最终代入计算公式中转换为绝对位置坐标经纬高。10.根据权利要求9所述的一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，其特征在于，所述计算公式为：
其中：λ为精度，为纬度，h为高度。

技术总结
本发明提供一种适用于飞机着陆飞行中的地面坐标反算算法，属于无线电通信技术领域，该算法在应用于野外快速着陆场地、复杂条件下的着陆场，不具备GPS、北斗等手段或者存在干扰，无法获取绝对位置坐标的情况下，通过机上其他系统的在远距离无干扰或干扰较弱时获取的不同位置的多个绝对位置坐标，以及飞机在地面系统建立的相对坐标系中的相对坐标、地面系统相对坐标系中地面基站的相对坐标，对地面基站、着陆点的坐标通过算法进行坐标转换，使其转换为绝对位置坐标即经纬高，提供给机载设备，机载设备通过该绝对坐标，计算得到精确的引导信息，从而引导飞机着陆飞行。从而引导飞机着陆飞行。从而引导飞机着陆飞行。


技术研发人员：慕国锋 赵剑飞 邸伟彪 程军 赵亚军
受保护的技术使用者：陕西凌云电器集团有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15