本發(fā)明屬于通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，更進(jìn)一步涉及衛(wèi)星定位、信號處理
技術(shù)領(lǐng)域：
中的一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航的導(dǎo)彈測姿方法。本發(fā)明可利用導(dǎo)彈與衛(wèi)星的空間坐標(biāo)定義導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)的參考方向，用信號處理方法估計(jì)調(diào)制信號的頻率與相位，最終確定導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)。
背景技術(shù)：
：衛(wèi)星導(dǎo)航是使用衛(wèi)星對物體精確定位的技術(shù)。目前有成熟的技術(shù)利用衛(wèi)星導(dǎo)航獲得導(dǎo)彈的空間坐標(biāo)與飛行方向。而對于導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的估計(jì)，尚沒有成熟的解決方案。InterstateElectronicsCorporation,Anaheim,CA(Us)擁有的專利技術(shù)“SYSTEMSANDMETHODSFORDETERMININGAROTATIONALPOSITIONOFANOBJECT”(申請?zhí)枺?3/189,962，申請日：2011.07.25，授權(quán)號:US8,199,052B1，授權(quán)日:2012.06.12)中提出了一種估計(jì)導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)位置的方法。該方法利用全球定位系統(tǒng)GPS在任意時(shí)刻至少有四顆衛(wèi)星可以看到同一物體的特點(diǎn)，假設(shè)在導(dǎo)彈飛行時(shí)間內(nèi)，看到導(dǎo)彈的四顆衛(wèi)星是同一組衛(wèi)星。以彈載天線指向衛(wèi)星方向?yàn)樾D(zhuǎn)參考位置描述導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)。用鎖相環(huán)技術(shù)處理預(yù)存的導(dǎo)彈航跡與衛(wèi)星信號，實(shí)時(shí)計(jì)算準(zhǔn)確的導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)角度。該專利技術(shù)存在的不足之處是：1.導(dǎo)彈飛行時(shí)，必須在同一組衛(wèi)星的可視范圍內(nèi)。對于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，這種方法是無效的。2.要預(yù)存導(dǎo)彈航跡，這就增加了存儲器的消耗并且降低了處理速度。如果導(dǎo)彈偏航，該方法的效果也會大打折扣。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，針對目前缺乏有效方法估計(jì)導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)姿態(tài)這一現(xiàn)狀，提供一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航的導(dǎo)彈測姿方法，描述導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，為精確制導(dǎo)提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的具體思路是：首先根據(jù)導(dǎo)彈和衛(wèi)星的位置坐標(biāo)計(jì)算導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)的參考方向，然后處理衛(wèi)星發(fā)射到導(dǎo)彈的調(diào)制信號，得到信號的頻率與相位，最后根據(jù)調(diào)制信號的頻率與相位得到導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)角度以及導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)到參考方向的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體步驟如下：(1)采集信號：通過彈載天線采集從衛(wèi)星發(fā)射到導(dǎo)彈的幾何位置信號和調(diào)制信號；(2)處理幾何位置信號：(2a)按照連線方向公式，計(jì)算導(dǎo)彈到衛(wèi)星的連線方向；(2b)按照天線背離地面方向公式，計(jì)算導(dǎo)彈天線背離地面方向；(2c)按照接收增益最大方向公式，計(jì)算導(dǎo)彈天線接收增益最大方向；(2d)按照矢量內(nèi)積公式，計(jì)算導(dǎo)彈天線背離地面方向與導(dǎo)彈天線增益最大方向的夾角；(3)使用差分法，估計(jì)調(diào)制信號的頻率變化率：(3a)從調(diào)制信號中任意截取一段作為待測信號，從調(diào)制信號中截取與待測信號相鄰且長度相同的一段，作為輔助信號，按照下式，構(gòu)造差頻信號：ΔX＝X1X2*其中，ΔX表示差頻信號，X1表示待測信號，X2表示輔助信號，*表示取共軛操作；(3b)用離散傅里葉變換，估計(jì)差頻信號的頻率；(3c)按照下式，計(jì)算調(diào)制信號的頻率變化率：ωa＝Δω/N其中，ωa表示調(diào)制信號的頻率變化率，Δω表示差頻信號的頻率，N表示待測信號的長度；(4)使用離散傅里葉變換，估計(jì)調(diào)制信號的頻率；(5)估計(jì)調(diào)制信號的相位：(5a)按照參考信號構(gòu)造公式，構(gòu)造一個(gè)中心點(diǎn)相位為0，長度與待測信號相同的參考信號；(5b)按照相位計(jì)算公式，計(jì)算待測信號的相位；(6)計(jì)算描述導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的參量：(6a)使用轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，計(jì)算導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速；(6b)使用旋轉(zhuǎn)角計(jì)算公式，計(jì)算導(dǎo)彈天線的旋轉(zhuǎn)角度；(6c)使用旋轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)算公式，計(jì)算導(dǎo)彈天線旋轉(zhuǎn)到背離地面方向的時(shí)間；(7)描述導(dǎo)彈姿態(tài):(7a)使用彈載天線采集到的幾何位置描述導(dǎo)彈的空間位置；(7b)使用導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速、天線旋轉(zhuǎn)角度和天線旋轉(zhuǎn)到背離地面方向的時(shí)間描述導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，本發(fā)明僅將導(dǎo)彈天線背離地面的方向設(shè)置為旋轉(zhuǎn)參考方向，此方向與衛(wèi)星的位置，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)無關(guān)?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中導(dǎo)彈飛行時(shí)，必須在同一組衛(wèi)星可視范圍內(nèi)的問題。使得本發(fā)明具有適用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的優(yōu)點(diǎn)。第二，本發(fā)明使用差分法估計(jì)調(diào)制信號的頻率變化率，使用構(gòu)造參考信號法估計(jì)調(diào)制信號的相位，可以用于轉(zhuǎn)速緩變導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)估計(jì)，克服了現(xiàn)有技術(shù)為了解決這一問題，需要根據(jù)預(yù)存的導(dǎo)彈航跡做矯正的不足。使得本發(fā)明在處理速度上優(yōu)于現(xiàn)有方法。第三，本發(fā)明使用差分法估計(jì)調(diào)制信號的頻率變化率，使用構(gòu)造參考信號法估計(jì)調(diào)制信號的相位，使得本發(fā)明在低采樣頻率下依然可以保證精度。這可以降低信號采集系統(tǒng)的成本。附圖說明圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是本發(fā)明導(dǎo)彈飛行姿態(tài)示意圖；圖3是本發(fā)明的仿真圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。參照附圖1，本發(fā)明的具體步驟如下。步驟1，采集信號。信號采集系統(tǒng)通過彈載天線實(shí)時(shí)采集從衛(wèi)星發(fā)射到導(dǎo)彈的幾何位置信號和調(diào)制信號。幾何位置信號包括衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)、導(dǎo)彈的空間位置坐標(biāo)和導(dǎo)彈的飛行方向。步驟2，處理幾何位置信號。結(jié)合附圖2的本發(fā)明導(dǎo)彈飛行姿態(tài)示意圖，解釋本發(fā)明中定義的兩個(gè)重要的方向：天線背離地面方向與接收增益最大方向。圖2中的符號表示導(dǎo)彈飛行方向，符號表示重力加速度方向，符號表示導(dǎo)彈到衛(wèi)星的連線方向。圖2中的彈載天線垂直于導(dǎo)彈且隨著導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)到與重力加速度方向，導(dǎo)彈飛行方向在同一平面時(shí)，天線指向“正上方”。在本發(fā)明中將該方向稱為天線背離地面方向，用這個(gè)方向作為參考，描述導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)。圖2中的符號表示天線背離地面方向。圖2中，當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)到與導(dǎo)彈飛行方向，導(dǎo)彈到衛(wèi)星連線方向在同一平面時(shí)，天線接收增益達(dá)到最大，在本發(fā)明中將該方向稱為接收增益最大方向。圖2中的符號表示接收增益最大方向。根據(jù)上面的定義，當(dāng)導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)到接收增益最大方向，調(diào)制信號的相位為0。當(dāng)導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)到其他位置，調(diào)制信號的相位為此時(shí)天線指向與接收增益最大方向的夾角。本發(fā)明就是通過估計(jì)調(diào)制信號的相位，求得天線指向與接收增益最大方向的夾角，進(jìn)而求得天線指向與天線背離地面方向的夾角，從而描述導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)角度。按照下式，計(jì)算導(dǎo)彈到衛(wèi)星的連線方向：S→=SV→-P→]]>其中，表示從導(dǎo)彈到衛(wèi)星的連線方向，表示衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)，表示導(dǎo)彈的空間位置坐標(biāo)。按照下式，計(jì)算導(dǎo)彈天線背離地面方向：up→=G→·F→-G→]]>其中，表示導(dǎo)彈天線背離地面方向，表示重力加速度方向，表示導(dǎo)彈的飛行方向。按照下式，計(jì)算接收增益最大方向：其中，表示導(dǎo)彈天線接收增益最大方向，表示從導(dǎo)彈到衛(wèi)星的連線方向，表示導(dǎo)彈的飛行方向。按照下式，計(jì)算線背離地面方向與接收增益最大方向的夾角：其中，α表示導(dǎo)彈天線背離地面方向與導(dǎo)彈天線接收增益最大方向的夾角，arccos表示反余弦操作，表示導(dǎo)彈天線背離地面方向，表示導(dǎo)彈天線接收增益最大方向。步驟3，使用差分法，估計(jì)調(diào)制信號的頻率變化率。從調(diào)制信號中截取任意一段作為待測信號，從調(diào)制信號中截取與待測信號相鄰且長度相同的一段，作為輔助信號，按照下式，構(gòu)造差頻信號：ΔX＝X1X2*其中，ΔX表示差頻信號，X1表示待測信號，X2表示輔助信號，*表示取共軛操作。用離散傅里葉變換，估計(jì)差頻信號的頻率。按照下式，計(jì)算調(diào)制信號的頻率變化率：ωa＝Δω/N其中，ωa表示調(diào)制信號的頻率變化率，Δω表示差頻信號的頻率，N表示待測信號的長度；步驟4，使用離散傅里葉變換，估計(jì)調(diào)制信號的頻率。步驟5，估計(jì)調(diào)制信號的相位。按照下式，構(gòu)造一個(gè)中心點(diǎn)相位為0，長度與待測信號相同的參考信號：Xref(k)=exp[j(ω0k+12ωak2)]]]>其中，Xref表示參考信號，k表示調(diào)制信號的離散采樣時(shí)間，k∈(-N/2,N/2)，∈表示屬于符號，N表示參考信號的長度，exp表示自然底數(shù)符號，j表示虛數(shù)單位，ω0表示調(diào)制信號的頻率，ωa表示調(diào)制信號的頻率變化率。按照下式，計(jì)算待測信號的相位：φ=1NΣk=1NX1Xref*]]>其中，φ表示待測信號的相位，N表示待測信號的長度，∑表示求和操作，X1表示待測信號，Xref表示參考信號，*表示求共軛操作。步驟6，計(jì)算描述導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的參量。按照下式，計(jì)算導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速：n＝ω0·fs/2π其中n表示導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速，ω0表示調(diào)制信號的頻率，fs表示調(diào)制信號的采樣頻率，π表示圓周率。按照下式，計(jì)算導(dǎo)彈天線的旋轉(zhuǎn)角度：γ＝|α-φ|其中，γ表示導(dǎo)彈天線的旋轉(zhuǎn)角度，|·|表示取絕對值操作，α表示導(dǎo)彈天線背離地面方向與導(dǎo)彈天線接收增益最大方向的夾角，φ表示調(diào)制信號的相位。按照下式，計(jì)算導(dǎo)彈天線旋轉(zhuǎn)到背離地面方向的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)算公式如下：tup=γ2π·n]]>其中tup表示導(dǎo)彈天線旋轉(zhuǎn)到背離地面方向的時(shí)間，γ表示導(dǎo)彈天線的旋轉(zhuǎn)角度，n表示導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速，π表示圓周率。步驟7，描述導(dǎo)彈姿態(tài):使用彈載天線采集到的幾何位置描述導(dǎo)彈的空間位置。使用導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速、天線的旋轉(zhuǎn)角度和天線旋轉(zhuǎn)到背離地面方向的時(shí)間描述導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。下面結(jié)合仿真圖對本發(fā)明的效果做進(jìn)一步的描述。1.仿真條件：本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行系統(tǒng)為Intel(R)Core(TM)i7-4790CPU@3.60GHz，64位Windows操作系統(tǒng)，仿真軟件采用MATLABR(2014b)。本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的參量如下表所示：參量指標(biāo)調(diào)制信號的采樣頻率1KHz導(dǎo)彈轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/秒轉(zhuǎn)速變化率-4轉(zhuǎn)/秒2導(dǎo)彈飛行速度930米/秒導(dǎo)彈的初始位置[50,481,132]米導(dǎo)彈的初始速度方向[5,4,9]導(dǎo)彈位置坐標(biāo)誤差20米衛(wèi)星高度3.6萬千米衛(wèi)星位置坐標(biāo)誤差5米重力加速度方向[00-9.8]2.仿真內(nèi)容與結(jié)果分析：根據(jù)上表本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的參量，做3秒的導(dǎo)彈飛行仿真。模擬產(chǎn)生衛(wèi)星發(fā)送給導(dǎo)彈的幾何位置信號與調(diào)制信號。為了模擬真實(shí)環(huán)境，仿真實(shí)驗(yàn)中對導(dǎo)彈位置坐標(biāo)與衛(wèi)星位置坐標(biāo)添加了隨機(jī)誤差，對調(diào)制信號添加了噪聲。根據(jù)設(shè)置的參量，計(jì)算在仿真時(shí)段內(nèi)，導(dǎo)彈轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)角度的精確值。采用本發(fā)明的方法，估計(jì)導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)角度，并與精確值做差，作為估計(jì)誤差。根據(jù)估計(jì)誤差評價(jià)本發(fā)明的效果。圖3(a)是導(dǎo)彈轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差仿真圖。圖3(a)中橫坐標(biāo)表示導(dǎo)彈的飛行時(shí)間，縱坐標(biāo)表示導(dǎo)彈轉(zhuǎn)速的估計(jì)誤差。圖3(a)中折線的峰值不超過0.2，這表明，導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差不超過0.2(轉(zhuǎn)/秒)。圖3(b)導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)角度估計(jì)誤差仿真圖。圖3(b)中橫坐標(biāo)表示導(dǎo)彈的飛行時(shí)間，縱坐標(biāo)表示導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)角度的估計(jì)誤差。圖3(b)中折線的峰值不超過7，這表明，導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)角度估計(jì)誤差不超過7(度)。仿真實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)彈的初始轉(zhuǎn)速為300(轉(zhuǎn)/秒)，調(diào)制信號的采樣頻率為1KHz。那么導(dǎo)彈每旋轉(zhuǎn)1周，大約可以采集到3個(gè)調(diào)制信號的離散采樣點(diǎn)，這屬于低采樣率情況。在低采樣率情況下，仿真結(jié)果準(zhǔn)確的。這表明本發(fā)明能根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航精確估計(jì)導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，并且在低采樣頻率下也是有效的。當(dāng)前第1頁1 2 3