[发明专利]一种大空域三维相对导航方法

摘要

本发明公开了一种大空域三维相对导航方法，包括相对定位算法、相对几何位置关系表示方法和相对导引方法三部分，本发明是基于双导航接收机工作模式的大空域三维相对导航方法，实现运动体之间相对运动引导，为施救运动体与被救运动体之间的便捷接近提供导航支持。

主权项

一种大空域三维相对导航方法，其特征在于，包括如下步骤：通过携带现有的通用型卫星导航接收机，提供运动体A和运动体B各自在地心直角坐标系下的位置坐标(xa,ya,za)和(xb,yb,zb)，或在大地坐标系下的经纬度与高程(La,Ba,Ha)和(Lb,Bb,Hb)；当导航接收机提供的是运动体在WGS‑84参考椭球体地心直角坐标系下的位置坐标，计算两运动体之间的坐标差，如下式1所示：(Δx,Δy,Δz)＝(xb‑xa,yb‑ya,zb‑za)     (1)当导航接收机提供的是运动体在大地坐标系下的经纬度与高程(La,Ba,Ha)和(Lb,Bb,Hb),则用如下式(2)解算位置坐标(xa,ya,za)和(xb,yb,zb)；xwywzw=α+Hw1-e2sin2Bw1-e2sin2BwcosBwcosLwcosBwsinLwsinBw-αe21-e2sin2Bw00sinBw,(w=a,b)---(2)]]>式中,a＝6378137±2m和分别是WGS‑84参考椭球体的半长轴和第一偏心率；对运动体A和运动体B，通过式(2)实现大地坐标(La,Ba,Ha)和(Lb,Bb,Hb)到笛卡尔坐标之间转换，利用式(1)同样得到二者之间坐标差；当通用型卫星导航接收机携带有简易的信号收发模块时，通过信息交互，A和/或B则快速确定对方相对于自己的坐标关系，而坐标差并不能直观地显示对方离自身的远近，以及相对位置与相对运动等情况，为此，建立运动体间相对直角坐标系，以运动体A为例：坐标原点为运动体A的接收机信号接收端口位置，X轴指向大地北极，Y轴指向天顶，Z轴与X和Y形成右手系；在运动体A相对直角坐标系下，确定运动体B的三维坐标如下式所示：x~y~z~=0-sinBacosBa0cosBasinBa100-sinLacosLa0cosLasinLa0001ΔxΔyΔz---(3)]]>改用二者之间直线距离、方位角和高低角三个量来表示运动体A和运动体B之间相对位置几何关系，计算方法如下：(a)径向距离R(t)=x~2(t)+y~2(t)+z~2(t)---(4)]]>(b)方位角A(t)=arcsin{z~(t)x~2(t)+y~2(t)}+0,x~(t)≥0π,x~(t)<0---(5)]]>(c)俯仰角E(t)=arctan{y~(t)x~2(t)+y~2(t)}---(6)]]>在抢险救灾等实际应用过程中，运动体之间的相对导航主要有随动和互动两种导引方法；随动导引方法：以运动体A向B靠近为例，在运动体A导航接收机上增加信号接收模块和信号处理模块，在运动体B导航接收机上增加信号发送模块；运动体B实时发送其本体的坐标(xb,yb,zb)或大地经纬度与高程(Lb,Bb,Hb)数据。运动体A接收到B的位置数据后，与A的位置数据一道，经式(2)转换处理和式(1)比对做差，形成地心直角坐标系下的三维位置坐标差(Δx,Δy,Δz)，经式(3)转换形成运动体相对坐标系下的三维位置坐标差利用三维位置坐标差由式(4)～式(6)实时计算运动体B相对运动体A的距离、方位和高低角，导引运动体A向运动体B靠近；互动导引方法：两运动体A和B彼此接近过程的互动导引，实现方法是：分别在A的导航接收机和B的导航接收机上均增加信号收/发模块和信号处理模块；运动体A和B分别发送各自所处的地心坐标(xa,ya,za)与(xb,yb,zb),或各自大地经纬度与高程(La,Ba,Ha)与(Lb,Bb,Hb)数据；运动体A接收到B的位置数据后，与A的位置数据一道，经过式(2)转换处理后和式(1)比对做差，形成地心直角坐标系下的三维位置坐标差(Δxa,Δya,Δza)，经式(3)转换形成运动体相对坐标系下的三维位置坐标差利用三维位置坐标差由式(4)～(6)实时计算出B相对运动体A的距离、方位和高低角，导引运动体A向运动体B靠近；类似地，运动体B接收到A的位置数据后，类似处理，得到二者间的三维位置坐标差利用三维位置坐标差由式(4)～(6)实时计算出A相对于运动体B的距离、方位和高低角，导引运动体B向运动体A靠近。