專利名稱：一種采用雙天線gps實(shí)現(xiàn)可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天返回與著陸技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用雙天線GPS實(shí)現(xiàn)航天器及其它物資乘可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法。
背景技術(shù)：
返回式航天器返回過(guò)程的最終階段是安全著陸，這也是這類航天器整個(gè)飛行任務(wù)的最終階段。隨著航天返回與著陸技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)航天器回收與著陸的精度要求也越來(lái)越高，從而對(duì)降落傘系統(tǒng)提出了具有滑翔能力和可操作性的技術(shù)要求。八十年代中期，美國(guó)開(kāi)始研制用于航天器回收的大型可控翼傘，取得了很好的理論和試驗(yàn)研究成果。翼傘技術(shù)進(jìn)入航天器回收技術(shù)領(lǐng)域，使降落傘減速裝置由傳統(tǒng)的“無(wú)控下落”變成“可控滑翔下落至預(yù)定區(qū)域”，克服了傳統(tǒng)降落傘隨風(fēng)飄、著陸點(diǎn)散布大的缺點(diǎn)。沖壓翼傘的優(yōu)異性能預(yù)示著它將在航天器回收領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。為了提高可控翼傘的著陸精度提出了許多方法，如采用地面信標(biāo)機(jī)、磁方向傳感器、羅盤(pán)、GPS等。其中后兩種方法在工程實(shí)際中采用較多。地面信標(biāo)機(jī)和磁方向傳感器信號(hào)覆蓋范圍較小，且存在盲角，在實(shí)際應(yīng)用中有較大的局限性。羅盤(pán)裝置受地域的影響較大。傳統(tǒng)單天線GPS只能獲得翼傘的位置、高度和速度信息，無(wú)法獲得翼傘的航向角信息，使得可控翼傘的控制精度無(wú)法提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用雙天線GPS實(shí)現(xiàn)可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法，可以解決實(shí)時(shí)獲取可控翼傘的航向角，實(shí)現(xiàn)可控翼傘的精確控制問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種采用雙天線GPS實(shí)現(xiàn)可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法，步驟如下(1)利用雙天線GPS接收機(jī)內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的GPS模塊，分別獲取兩個(gè)天線Bi、B2 的位置信息；GPS接收機(jī)和雙天線的安裝方式雙天線中的主天線和從天線安裝位于同一直線上，由主天線指向從天線，該直線指向與可控翼傘模型航向一致，兩天線之間安裝距離 d固定且已知；(2)根據(jù)兩個(gè)天線的位置信息，計(jì)算可控翼傘航向角β，具體計(jì)算過(guò)程如下假設(shè) Bl點(diǎn)的經(jīng)度為Xtll,緯度為Υ01，Β2點(diǎn)的經(jīng)度為Xtl2，緯度為Y02,PJ 當(dāng)β在第一象限時(shí)β = arctan[ (X02-X01) (cosY01) / (Y02-Y01)]；當(dāng)β在第二象限時(shí)β = 2 π +arctan [ (X02-X01) (CosY01) / (Y02-Y01)]；當(dāng)β在第三、四象限時(shí)β = π +arctan [ (X02-X01) (cosY01) / (Y02-Y01)]；其中，K1JcilJci2Jc^ β的單位均為弧度；
(3)進(jìn)行航向角測(cè)量的準(zhǔn)確性校驗(yàn)首先根據(jù)天線Bi、B2的位置信息計(jì)算兩個(gè)天線之間的實(shí)際距離dl，然后計(jì)算dl與d的差值d’，判斷d’與預(yù)先設(shè)定的閾值S之間大小， 若d’ > s，則航向角測(cè)量失效，轉(zhuǎn)步驟；若d’ ^ s，則利用步驟(2)計(jì)算的航向角β控制翼傘歸航，方法結(jié)束；(4)當(dāng)航向角測(cè)量失效，或者可控翼傘轉(zhuǎn)彎速率>90° /s，或者步驟(1)中的一個(gè)天線失效時(shí)，利用單天線的位置信息，計(jì)算翼傘的航跡向角數(shù)據(jù)，利用該航跡向角控制翼傘歸航。所述的兩天線之間安裝距離d取值Im an。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)提高可控翼傘歸航控制的精度。本發(fā)明利用雙天線GPS作為翼傘的輸入敏感器，不但可以獲得翼傘的位置、高度、速度數(shù)據(jù)，同時(shí)可以獲得翼傘準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)航向角數(shù)據(jù)， 從而對(duì)翼傘飛行狀態(tài)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的控制。(2)提高翼傘歸航控制系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。應(yīng)用本發(fā)明可以同時(shí)獲得翼傘航向與航跡向信息，互為備份。當(dāng)翼傘轉(zhuǎn)彎速率>90° /s航向信息失鎖時(shí)，采用航跡向信息； 當(dāng)翼傘為靜態(tài)航跡向信息無(wú)法獲得時(shí)，可以采用航向信息；當(dāng)兩者同時(shí)有時(shí)，優(yōu)先采用航向信息作為歸航控制的依據(jù)。另外，由于雙天線的GPS接收機(jī)內(nèi)部集成了兩個(gè)獨(dú)立的GPS模塊和兩個(gè)天線，當(dāng)其中一個(gè)模塊或天線因?yàn)橐馔庠蚴r(shí)，另外一個(gè)模塊還是可以為翼傘提供基本導(dǎo)航所需的位置和航跡向信息，使翼傘的導(dǎo)航仍然可以完成。


圖1為本發(fā)明機(jī)載設(shè)備組成框圖；圖2為本發(fā)明地面設(shè)備組成框圖；圖3為本發(fā)明航向角和航跡向角的夾角示意圖；圖4為本發(fā)明雙天線GPS接收機(jī)和天線在可控翼傘上的安裝方式；圖5為本發(fā)明航向角的定義示意圖；圖6為本發(fā)明航跡向角的定義示意圖。
具體實(shí)施例方式(1)可控翼傘歸航控制系統(tǒng)由機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備兩部分構(gòu)成。其中機(jī)載部分包括歸航控制器、GPS定位定向儀(含GPS接收雙天線)、機(jī)載數(shù)傳機(jī)(含機(jī)載數(shù)傳天線)、左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、左右電機(jī)等。機(jī)載設(shè)備組成見(jiàn)圖1。地面部分包括地面數(shù)傳機(jī)(含數(shù)傳天線)、地面控制計(jì)算機(jī)等。地面設(shè)備組成見(jiàn)圖2。在可控翼傘回收階段，歸航控制計(jì)算機(jī)根據(jù)GPS定位定向儀接收到的定位、姿態(tài)、 速度、航向等信息，依據(jù)歸航算法進(jìn)行解算，向左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出控制指令，再由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)左右電機(jī)控制翼傘的左右操縱繩收緊或放松，使翼傘轉(zhuǎn)向并逼近目標(biāo)點(diǎn)。同時(shí)，歸航控制計(jì)算機(jī)還將GPS接收到的定位信息通過(guò)數(shù)傳機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到地面，由地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。在人工遙控操縱控制方式時(shí)，地面的遙控控制指令通過(guò)數(shù)傳機(jī)上傳到歸航控制計(jì)算機(jī)，對(duì)翼傘進(jìn)行遙控歸航控制。(2)在可控翼傘歸航的過(guò)程中，需要獲取翼傘的位置、速度、高度、航向角等數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算來(lái)確定翼傘左右電機(jī)的操縱量。傳統(tǒng)方法采用單天線的GPS只能獲得翼傘的經(jīng)度、 緯度和高度信息，無(wú)法獲得翼傘的航向角信息，只能采用航跡向角信息代替航向角信息進(jìn)行導(dǎo)航。航跡向角與翼傘的真實(shí)航向角有一定的誤差θ，見(jiàn)圖3。從而使得翼傘的導(dǎo)航輸入數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確。本發(fā)明利用特定的安裝方式見(jiàn)圖4 =GPS兩個(gè)天線的安裝位于同一直線上， 由主天線指向從天線，該直線指向與翼傘模型航向指向一致。主天線與從天線的安裝距離為一固定數(shù)值d (根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，d取值Im an之間最合適。d的值小于Im則影響測(cè)量精度， d的值大于an則會(huì)增加解算時(shí)間，影響翼傘響應(yīng)速度)。GPS的面板朝向主天線方向。兩個(gè)獨(dú)立的天線和兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)置GPS模塊分別獲得天線Bl和B2的位置數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5。通過(guò)兩個(gè)天線位置數(shù)據(jù)的運(yùn)算可以獲得翼傘模型準(zhǔn)確的航向角數(shù)據(jù)。(3)航向角β的計(jì)算方法如下假設(shè)Bl點(diǎn)的經(jīng)度為)CQ1，緯度為YQ1。B2點(diǎn)的經(jīng)度為\2，緯度為Yo2。則可控翼傘航向角β為當(dāng)β在第一象限時(shí)β = arctan[ (X02-X01) (cosY01) / (Y02-Y01)]；當(dāng)β在第二象限時(shí)β = 231 +arctan [ (X02-X01) (cosY01) / (Y02-Y01)]；當(dāng)β在第三、四象限時(shí)β = π+arctan [(Xci2-Xcil) (CosYcil)Z(Yci2-Ycil)]；其中，K1Jc^ K2Jc^ β的單位均為弧度。(4)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確性校驗(yàn)可以得知雙天線GPS的安裝是否正確及航向角β的測(cè)量結(jié)果是否正確。方法如下假設(shè)地球半徑為r，則B2點(diǎn)和Bl點(diǎn)之間的計(jì)算距離為dl
權(quán)利要求
1.一種采用雙天線GPS實(shí)現(xiàn)可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法，其特征在于步驟如下(1)利用雙天線GPS接收機(jī)內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的GPS模塊，分別獲取兩個(gè)天線Bi、B2的位置信息；GPS接收機(jī)和雙天線的安裝方式雙天線中的主天線和從天線安裝位于同一直線上，由主天線指向從天線，該直線指向與可控翼傘模型航向一致，兩天線之間安裝距離d固定且已知；(2)根據(jù)兩個(gè)天線的位置信息，計(jì)算可控翼傘航向角β，具體計(jì)算過(guò)程如下假設(shè)Bl點(diǎn)的經(jīng)度為)^，緯度為Ytll, B2點(diǎn)的經(jīng)度為Xtl2，緯度為Ytl2，則當(dāng)β在第一象限時(shí)β = arctan[ (X02-X01) (cosY01) / (Y02-Y01)]；當(dāng)β在第二象限時(shí)β = 231 +arctan [ (X02-X01) (cosY01) / (Y02-Y01)]；當(dāng)β在第三、四象限時(shí)β = Ji +arctan [ (X02-X0i) (cosY01) / (Υ02-Υ0ι)]；其中，KrYc^β的單位均為弧度；(3)進(jìn)行航向角測(cè)量的準(zhǔn)確性校驗(yàn)首先根據(jù)天線Bi、Β2的位置信息計(jì)算兩個(gè)天線之間的實(shí)際距離dl，然后計(jì)算dl與d的差值d’，判斷d’與預(yù)先設(shè)定的閾值s之間大小，若d’ > s，則航向角測(cè)量失效，轉(zhuǎn)步驟(4)；若d’ ^ s，則利用步驟(2)計(jì)算的航向角β控制翼傘歸航，方法結(jié)束；(4)當(dāng)航向角測(cè)量失效，或者可控翼傘轉(zhuǎn)彎速率>90°/s，或者步驟(1)中的一個(gè)天線失效時(shí)，利用單天線的位置信息，計(jì)算翼傘的航跡向角數(shù)據(jù)，利用該航跡向角控制翼傘歸航。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用雙天線GPS實(shí)現(xiàn)可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法，其特征在于所述的兩天線之間安裝距離d取值Im an。
全文摘要
一種采用雙天線GPS實(shí)現(xiàn)可控翼傘精確定點(diǎn)回收的方法，(1)利用雙天線GPS接收機(jī)內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的GPS模塊，分別獲取兩個(gè)天線的位置信息；主天線和從天線安裝位于同一直線上，由主天線指向從天線，該直線指向與可控翼傘模型航向一致，兩天線之間安裝距離d固定且已知；(2)根據(jù)兩個(gè)天線的位置信息，計(jì)算可控翼傘航向角β；(3)進(jìn)行航向角測(cè)量的準(zhǔn)確性校驗(yàn)首先計(jì)算兩個(gè)天線之間的實(shí)際距離d1，然后計(jì)算d1與d的差值d’，若d’＞s，則航向角測(cè)量失效，轉(zhuǎn)步驟(4)；否則，利用航向角β控制翼傘歸航；(4)當(dāng)航向角測(cè)量失效，或可控翼傘轉(zhuǎn)彎速率＞90°/s，或一個(gè)天線失效時(shí)，利用單天線的位置信息，計(jì)算翼傘的航跡向角數(shù)據(jù)，利用該航跡向角控制翼傘歸航。
文檔編號(hào)G01S19/53GK102520728SQ20111037197
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者呂智慧, 李春, 沈超, 黃偉 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所