一種射頻相對(duì)姿態(tài)敏感器測(cè)試裝置及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線電導(dǎo)航定位器的測(cè)試裝置的技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種射頻相對(duì) 姿態(tài)敏感器測(cè)試裝置及其測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 射頻相對(duì)姿態(tài)敏感器是基于空間交會(huì)和微波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)任意一對(duì)飛行器之間 的位置和姿態(tài)參數(shù)測(cè)量，它由多個(gè)發(fā)射天線、接收天線、射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)W及基帶 處理單元組成。射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器用于飛行器自主相對(duì)姿態(tài)測(cè)量時(shí)，需要每個(gè)飛行 器上安裝一套自主相對(duì)姿態(tài)測(cè)量裝置，每個(gè)飛行器上的裝置由其多個(gè)發(fā)射機(jī)經(jīng)過發(fā)天線向 其他飛行器發(fā)射測(cè)距信號(hào)，每個(gè)飛行器的裝置同時(shí)利用其接收天線和射頻接收機(jī)收集其它 飛行器發(fā)來的測(cè)距信號(hào)，并送給基帶處理單元進(jìn)行測(cè)距信號(hào)的處理。測(cè)距信號(hào)由偽隨機(jī)碼 序列調(diào)制在射頻載波上而形成，裝置接收到測(cè)距信號(hào)后可W測(cè)量得到偽碼序列的相位和載 波信號(hào)的相位，為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)距必須使用載波信號(hào)相位作為測(cè)距信息來源，由于每 個(gè)發(fā)射天線使用唯一的偽隨機(jī)碼序列，接收天線可W用偽隨機(jī)碼序列來識(shí)別來自不同發(fā)射 天線的測(cè)距信號(hào)。每個(gè)飛行器上的裝置利用其接收到的測(cè)距信號(hào)，可W解算得到其各個(gè)接 收天線與其它飛行器各個(gè)發(fā)射天線之間的距離，利用運(yùn)些距離信息，可W根據(jù)空間交會(huì)法 原理，確定各收發(fā)天線之間的相對(duì)位置，利用收發(fā)天線的相對(duì)位置結(jié)合方向余弦公式可W 推算出各個(gè)飛行器之間的相對(duì)姿態(tài)。運(yùn)種射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器的測(cè)量距離在200米左 右，遠(yuǎn)距離上通過GPS定位兩個(gè)飛行器之間的絕對(duì)位置，近距離上通過運(yùn)種射頻相對(duì)姿態(tài) 測(cè)量敏感器即可測(cè)出兩個(gè)飛行器之間的相對(duì)姿態(tài)。
[0003] 射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器中，是通過測(cè)量信號(hào)從發(fā)射到接收到的時(shí)間來測(cè)量?jī)蓚€(gè) 天線之間的距離，但是信號(hào)從基帶到射頻之間的延遲和射頻到天線之間的延遲是無法測(cè)出 的，所W發(fā)射和接收天線之間的初始距離需要人為給定。敏感器可W測(cè)出天線移動(dòng)的增量， 天線移動(dòng)后，通過人為給定的天線之間的初始距離，加上天線移動(dòng)的增量，即可確定當(dāng)前天 線之間的距離。另外由于兩個(gè)裝置之間存在鐘差，通過發(fā)射和接收信號(hào)測(cè)得的天線之間的 距離是偽距，不是發(fā)射和接收天線之間的真實(shí)距離。而且射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器是用于 測(cè)量飛行器之間的位置和姿態(tài)，需要將該敏感器的各個(gè)天線固定到飛行器上。所W將該敏 感器安裝在飛行器上進(jìn)行初期的測(cè)試時(shí)，需要的人力和物力成本會(huì)非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種經(jīng)濟(jì)、快捷型的射頻相對(duì)姿態(tài)敏感器測(cè)試裝置，無需借 助昂貴的光學(xué)儀器如激光跟蹤儀、經(jīng)締儀，并且無需將敏感器安裝在飛行器上，即可對(duì)射頻 相對(duì)姿態(tài)敏感器進(jìn)行初期的測(cè)試，在很大程度上節(jié)約了成本。 陽(yáng)〇化]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種射頻相對(duì)姿態(tài)敏感器測(cè)試裝置，包括兩個(gè)平板、導(dǎo) 軌和天線，其中一個(gè)平板位于平面ABCD上，另一個(gè)平板位于平面EFGH上，兩個(gè)平板用來放 置天線，與平面ABCD和平面EF(ffl相交的Y軸上放置導(dǎo)軌，位于平面ABCD上的平板固定在 導(dǎo)軌的一端，位于平面EFGH上的平板能沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。
[0006] 其中，該裝置天線布局：將天線安裝于兩個(gè)平面上，天線的安裝位置不可共線。
[0007] 其中，通過平面上的特殊點(diǎn)確定兩個(gè)坐標(biāo)系之間的初始相對(duì)關(guān)系：W其中一個(gè)平 面為本體坐標(biāo)系，另一個(gè)平面為移動(dòng)坐標(biāo)系。
[0008] 另外，本發(fā)明還提供一種射頻相對(duì)姿態(tài)敏感器測(cè)試方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1)將敏感器上的天線分別安裝在兩個(gè)平面上；
[0010] 步驟2)通過幾何關(guān)系計(jì)算兩個(gè)平面之間的相對(duì)關(guān)系；
[0011] 步驟3)計(jì)算發(fā)射和接收天線之間的初始距離；
[0012] 步驟4)移動(dòng)某一平面后，通過平面移動(dòng)的增量計(jì)算天線移動(dòng)的增量，驗(yàn)證敏感器 測(cè)得的天線移動(dòng)的增量是否正確；
[0013] 步驟5)通過天線之間的測(cè)距量計(jì)算兩個(gè)平面之間的相對(duì)姿態(tài)關(guān)系，并與步驟2) 中的結(jié)果對(duì)比。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 1.本發(fā)明裝置能通過測(cè)量特殊點(diǎn)之間的距離來計(jì)算出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的相對(duì)位 置關(guān)系，然后通過測(cè)量天線在各自坐標(biāo)系下的位置計(jì)算出發(fā)送和接收天線之間的初始距 離。
[0016] 2.本發(fā)明當(dāng)移動(dòng)其中一個(gè)平面后，只需通過平面移動(dòng)的增量即可計(jì)算出該平面上 的天線在另一平面所在坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，從而計(jì)算出天線移動(dòng)的增量，驗(yàn)證敏感器測(cè)得的 天線移動(dòng)的增量是否正確。
[0017] 3.本發(fā)明根據(jù)天線之間的測(cè)距量帶入公式似計(jì)算出兩個(gè)飛行器之間的相對(duì)姿 態(tài)參數(shù)，并與第1步得出的姿態(tài)參數(shù)對(duì)比，驗(yàn)證第3步由敏感器測(cè)得的姿態(tài)參數(shù)是否正確。
【附圖說明】
[0018] 圖1為射頻相對(duì)姿態(tài)敏感器系統(tǒng)配置圖；
[0019] 圖2為基元旋轉(zhuǎn)的立種情況，即繞X軸、繞y軸、繞Z軸旋轉(zhuǎn)； 陽(yáng)020] 圖3為裝置簡(jiǎn)易示圖；
[0021] 圖4為天線布局示圖； 陽(yáng)022] 圖5為兩平面的相對(duì)關(guān)系示圖；
[0023] 圖6為兩坐標(biāo)系相對(duì)位置關(guān)系的確定與轉(zhuǎn)化流程圖；
[0024] 圖7為本發(fā)明整體測(cè)試流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[00巧]下面結(jié)合附圖W及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。 陽(yáng)0%] 射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器，如圖1所示，包括Ξ個(gè)發(fā)射天線T1、T2、T3,Ξ個(gè)接收 天線R1、R2、Κ3，Ξ個(gè)射頻發(fā)射通道，Ξ個(gè)射頻接收通道，Ξ個(gè)輔助射頻通道，一個(gè)基帶處理 單元，W及高穩(wěn)時(shí)基單元等部分組成。射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器采用空間交會(huì)原理實(shí)現(xiàn)定 位和定姿，即測(cè)量一個(gè)飛行器上的各個(gè)發(fā)射天線到另一飛行器上的各個(gè)接收天線之間的距 離，利用空間交會(huì)原理確定各個(gè)收發(fā)天線在相對(duì)坐標(biāo)系下的位置，最后由天線位置確定天 線所在飛行器的姿態(tài)。為確定兩個(gè)飛行器的相對(duì)姿態(tài)，需要在每個(gè)飛行器上安裝至少Ξ個(gè) 發(fā)射或者接收天線，而且運(yùn)些天線的安裝位置不可共線。
[0027] 關(guān)于相對(duì)姿態(tài)的描述：對(duì)相對(duì)姿態(tài)的描述主要工具有方向余弦矩陣、歐拉軸/轉(zhuǎn) 角、歐拉角、W及四元數(shù)方法。歐拉角又稱為姿態(tài)角（滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角），對(duì)于空間 中的任意兩個(gè)坐標(biāo)系而言，將其中一個(gè)坐標(biāo)系繞其坐標(biāo)軸最多轉(zhuǎn)動(dòng)3次就可W與另一個(gè)坐 標(biāo)系方向相同，通過運(yùn)Ξ個(gè)轉(zhuǎn)角的大小來表示兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系。
[0028] 歐拉角：對(duì)于空間中的任意兩個(gè)右手坐標(biāo)系都可W通過若干次基元旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)來 使它們的方向相同，所謂基元旋轉(zhuǎn)就是坐標(biāo)系繞它的其中一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度。圖2顯 示了基元旋轉(zhuǎn)的Ξ種情況，即繞X軸、繞y軸、繞Z軸旋轉(zhuǎn)。
[0029] 假設(shè)一個(gè)坐標(biāo)系化yz，繞其X軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度Φ變成坐標(biāo)系化y' Z'，則從坐標(biāo)系 化yz到坐標(biāo)系化y' Z'的變換矩陣就是繞X軸轉(zhuǎn)過Φ角基元變換矩陣：
[0030]
[0031] 同樣，繞y軸轉(zhuǎn)過Θ角的基元變換矩陣是：
[0032]
[0033] 繞Z軸轉(zhuǎn)過Φ角的基元旋轉(zhuǎn)矩陣是：
[0034]
[0035] 假設(shè)空間中的一個(gè)坐標(biāo)系A(chǔ)先繞其Z軸轉(zhuǎn)過Φ角，再繞先坐標(biāo)系的y軸轉(zhuǎn)過Θ 角，最后繞X軸轉(zhuǎn)過Φ角成為坐標(biāo)系B，則由坐標(biāo)系A(chǔ)到B的變化矩陣為：
W40] 通過旋轉(zhuǎn)矩陣（姿態(tài)矩陣）Ab。，即可求出兩個(gè)飛行器之間的相對(duì)姿態(tài)角Φ、Θ、Φ(也稱作滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角）。
[0041] 本發(fā)明的射頻相對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器測(cè)試裝置簡(jiǎn)易示圖如圖3所示，兩個(gè)平面代表 兩個(gè)飛行器，將天線安裝在兩個(gè)平面上。首先確定兩個(gè)平面之間的相對(duì)關(guān)系，然后通過測(cè)量 天線在各自坐標(biāo)系下的位置，即可計(jì)算出發(fā)送和接收天線之間的初始距離。再將其中一個(gè) 飛行器移動(dòng)一段距離后，通過幾何關(guān)系計(jì)算出天線移動(dòng)的增量，驗(yàn)證敏感器測(cè)得的天線移 動(dòng)的增量是否正確（注：平面移動(dòng)時(shí)只沿著某一坐標(biāo)軸移動(dòng)，且在移動(dòng)時(shí)兩個(gè)平面的相對(duì) 姿態(tài)關(guān)系保持不變。如果平面移動(dòng)時(shí)平面之間的相對(duì)姿態(tài)關(guān)系變化，則需要多次坐標(biāo)之間 的轉(zhuǎn)化才能得到天線移動(dòng)的距離。由于該發(fā)明只是用于初期的測(cè)試，所W為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在 平面移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)平面之間的相對(duì)姿態(tài)關(guān)系保持不變）。
[0042] 平面移動(dòng)后通過發(fā)射和接收天線之間的偽距，計(jì)算出當(dāng)前兩個(gè)平面之間的相對(duì)姿 態(tài)。一個(gè)平面上的任一發(fā)射天線到另一平面上的Ξ個(gè)接收天線之間可W得到3個(gè)測(cè)距量， 每