一種動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)航定位測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 動態(tài)導(dǎo)航一直是導(dǎo)航涉及的最重大應(yīng)用領(lǐng)域，包括民用車輛、飛機、船舶的導(dǎo)航， 以及軍用的飛機、艦艇、導(dǎo)彈、軍車、坦克的導(dǎo)航應(yīng)用。早年動態(tài)載體的導(dǎo)航利用天上的星星 位置導(dǎo)航；后來發(fā)明了指南針，利用磁場的物理特性導(dǎo)航；到了 16世紀(jì)，隨著西方航海業(yè)的 發(fā)達，發(fā)明了航位推算方法導(dǎo)航；近代大量利用陀螺加速計等慣性器件導(dǎo)航。上世紀(jì)末，自 從有了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航很快廣泛應(yīng)用于動態(tài)載體的導(dǎo)航之中。因為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 具有全球覆蓋、終端體積小、定位精度高、使用方便等眾多優(yōu)勢，還能比較靈活方便地與慣 性器件，或地磁計等組合，解決動態(tài)載體的導(dǎo)航問題，所以引起人們的高度關(guān)注。用衛(wèi)星導(dǎo) 航解決動態(tài)載體的導(dǎo)航問題已經(jīng)成為一種熱點。
[0003] 應(yīng)用的具體領(lǐng)域大致分為兩大類。一類是在交通載體上的應(yīng)用，如：汽車、船舶、 飛機、火車方面的應(yīng)用。這類應(yīng)用的基本載體是低速運動載體，應(yīng)用量最大的為車輛，它結(jié) 合電子地圖以及存儲的空間分布信息能給人們指路引路，帶來方便與快捷；另一類是在軍 事和航空航天方面的應(yīng)用，這類應(yīng)用中，載體大多是高速運動載體，高速運動的飛行器速度 高，所以飛行慣性對軌跡的影響較大。
[0004] 無論是上述哪一種運動載體，都存在著尚待解決的一個難題。那就是如何能做到 真正實時地輸出運動載體的位置，甚至如何能預(yù)測預(yù)報運動載體下一時刻或下一時段的運 行軌跡的問題。
[0005] 就目前動態(tài)載體的導(dǎo)航而論，因為終端須接收信號、處理信號、測出偽距、定軌衛(wèi) 星位置、修正誤差、計算位置和速度、濾波處理、地圖匹配等步驟。所以當(dāng)終端位置最后在屏 幕上顯示時，已有滯后，也就是有較明顯的時延。這對于靜止?fàn)顟B(tài)的位置輸出與顯示沒有問 題，但對于動態(tài)載體則有較大影響，也就是輸出與顯示的位置并不是動態(tài)載體當(dāng)時所處的 位置了，特別是對于高速運動載體影響則更為嚴(yán)重。這樣分析后，就提出了一個問題，是否 能夠采用某種方案可以真正的得到動態(tài)載體當(dāng)時實際位置信息。實際上除了要求實時輸出 定位位置信息外，還有一種更高的需求，那就是能否預(yù)測下一時刻的位置或下一時段的軌 跡呢，倘若能實現(xiàn)，導(dǎo)航的層次就會更高，意義就會更大，因為時間量的提前，意味著能預(yù)示 軌跡的未來，這可以為動態(tài)載體的安全運行及防止事故發(fā)生創(chuàng)造條件，能使動態(tài)載體的駕 駛者判斷前景、選擇行進路徑，對規(guī)避事故、分析危險因素等頗有好處。甚至對實現(xiàn)自動駕 駛，分析交通態(tài)勢也有裨益。這對保障動態(tài)載體的安全運行會有很大的意義與作用，從學(xué)術(shù) 上說，就是為動態(tài)載體實施軌跡控制創(chuàng)造了條件。
[0006] 由于這一需求的重要意義，人們提出并一直在追求動態(tài)載體的預(yù)測預(yù)報問題。那 么如何能實現(xiàn)真正的實時輸出動態(tài)載體的位置預(yù)測預(yù)報，已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員有待解決 的技術(shù)問題。
[0007] 在現(xiàn)有技術(shù)中，專利申請?zhí)枮?00910046330. 3,發(fā)明名稱運動載體動態(tài)實時精密 水平測量方法。所屬領(lǐng)域為：運動載體水平參數(shù)測量技術(shù)；慣性導(dǎo)航水平精度鑒定技術(shù)；運 動載體結(jié)構(gòu)變形測量技術(shù)。為了解決運動載體（如車輛、船舶、飛機等）實時精密水平測量 基準(zhǔn)問題，提供運動載體關(guān)鍵點位實時精密水平信息。提出了基于"實時精密測角裝置+慣 性導(dǎo)航姿態(tài)信息+慣性同步復(fù)式平臺+精密伺服跟蹤系統(tǒng)+水平誤差檢測工具"的系統(tǒng)主 體設(shè)計方案，在時間同步和主控微機的控制下實現(xiàn)了運動載體水平信息精確測量。作為一 種通用的運動載體水平信息監(jiān)測手段，它易于實現(xiàn)分布式多點位水平測量，可以用于運動 載體實時精密水平測量、慣性導(dǎo)航設(shè)備水平精度鑒定、運動載體水平結(jié)構(gòu)變形測量等。
[0008] 專利申請?zhí)枮?01210090622. 9,發(fā)明名稱為一種運動載體光電跟蹤穩(wěn)定平臺的 控制方法，其特征在于：其具體步驟如下：步驟（1)、建立運動載體光電跟蹤穩(wěn)定平臺控制 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個提供擾動的搖擺臺和一個穩(wěn)定平臺，將陀螺安裝在穩(wěn)定平臺上；擾動 臺和穩(wěn)定平臺由各自的力矩電機直接驅(qū)動；步驟（2)、針對伺服系統(tǒng)穩(wěn)定平臺，設(shè)計高帶寬 的電流環(huán)反饋回路，以保證其力矩電機可以具有足夠快的力矩響應(yīng)；步驟（3)、建立對象模 型，所述對象包括穩(wěn)定平臺電機及其平臺負(fù)載，開啟擾動電機和穩(wěn)定電機，用動態(tài)信號分析 儀測試對象的頻率特性，經(jīng)擬合得到對象傳遞函數(shù)，將此傳遞函數(shù)設(shè)為控制系統(tǒng)內(nèi)部模型； 步驟（4)、采用低通濾波器對陀螺輸出信號進行濾波；步驟（5)、采用兩步法設(shè)計內(nèi)?？刂?器Gimc (s)，內(nèi)?？刂破鱃imc (s)中的低通濾波器取為1型濾波器；步驟（6)、在內(nèi)?？刂频?基礎(chǔ)上添加并行負(fù)反饋回路構(gòu)成雙口內(nèi)模控制，從而整個控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)是等效復(fù)合控 制，通過對第二個控制口的設(shè)計提高系統(tǒng)的低頻增益，將第二個控制器C2 (s)設(shè)計為PI控 制器，這樣控制系統(tǒng)變?yōu)?型系統(tǒng)。
[0009] 專利號為201210590613. 6,發(fā)明名稱為一種用于運動載體定位的系統(tǒng)，其特征在 于：所述系統(tǒng)包括：三分量磁強計、傾角傳感器、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、卡爾曼濾波模塊、地磁參考模塊、顯示單元，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、卡爾曼濾波模塊構(gòu) 成數(shù)據(jù)處理模塊；三分量磁強計與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 模塊連接；傾角傳感器與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊連接， 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊與卡爾曼濾波模塊連接，卡爾曼濾波模塊與顯示單元連接，地磁參考模塊與 卡爾曼濾波模塊連接；工作流程如下：（1)三分量磁強計測量地磁場在運動載體坐標(biāo)系中 的三個分量，并將三個分量的模擬信號發(fā)送給第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，傾角傳感器測量運動載 體相對于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度，并將旋轉(zhuǎn)角度的模擬信號發(fā)送給第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；（2) 第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將來自三分量磁強計的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送給坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模 塊；(3)接步驟（1)，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將來自傾角傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并 發(fā)送給坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊；(4)接步驟（2)和（3)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊利用來自第二模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 的信號將來自第一模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的信號轉(zhuǎn)換為慣性坐標(biāo)系下的三分量數(shù)據(jù)信號，并發(fā)送給 卡爾曼濾波模塊；(5)卡爾曼濾波模塊利用來自坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的信號和地磁參考模塊的信 號，對運動載體的地理位置進行估計，并將位置信號發(fā)送給顯示單元進行顯示。以上現(xiàn)有技 術(shù)均未能夠解決高速動態(tài)載體未來運行趨勢與軌跡的預(yù)測預(yù)報的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種依據(jù)當(dāng)前動態(tài)載體運行軌跡 參數(shù)，預(yù)測預(yù)報未來動態(tài)載體運行趨勢與軌跡的動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的方法。
[0011] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述預(yù)測預(yù)報方法包括如下步驟：
[0012] 步驟1，通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊和傳感器采集動態(tài)載體的坐標(biāo)信息，所述坐標(biāo)信息中包 括角度信息；
[0013] 步驟2,通過計算機對步驟1中采集到的坐標(biāo)信息進行逼近處理：
[0014] 步驟2. 1，構(gòu)建動態(tài)載體運行軌跡逼近的數(shù)學(xué)模型，建立以下數(shù)學(xué)模型公式 (1-1)-(1-3)，
[0015] 所述數(shù)學(xué)模型公式（1-1)如下：
【主權(quán)項】
1. 一種動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的方法，其特征在于，所述預(yù)測預(yù)報方法包括如下 步驟： 步驟1，通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊和傳感器采集動態(tài)載體的坐標(biāo)信息，所述坐標(biāo)信息中包括角 度信息； 步驟2,通過計算機對步驟1中采集到的坐標(biāo)信息進行逼近處理： 步驟2. 1，構(gòu)建動態(tài)載體運行軌跡逼近的數(shù)學(xué)模型，建立以下數(shù)學(xué)模型公式：
步驟2. 2,采用代入消元法求解計算步驟2. 1所述數(shù)學(xué)模型中的為外推多項式的待求 系數(shù)a、b、c， 由上述數(shù)學(xué)模型公式可得： c = yn-axn2-bxn b = tan a -2axn 將c、b代入上述數(shù)學(xué)模型公式中，可得關(guān)于a的函數(shù)式，令：
步驟3,將步驟2中經(jīng)逼近處理后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過計算機中的運算程序采用數(shù)學(xué)模型 中的關(guān)系式對坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行運算；鑒于所述動態(tài)載體系非直線運動，運行軌跡由A點到0' 點再轉(zhuǎn)向B點，其中A0'連線與水平方向的夾角為Ct 1, 〇' B連線與水平方向的夾角為α2， 經(jīng)坐標(biāo)變換后通過所述數(shù)學(xué)模型公式進行求解如下： 步驟3.1，通過Α、ο'點外推下一位置點坐標(biāo)，設(shè)Α、ο'兩點坐標(biāo)分別為 (xn, yn)，其中Αο'方向為A點速度方向，o' B方向為〇'點速度方向，選取新坐標(biāo)為X' o' y'， 其中〇'點為新坐標(biāo)原點，選取角AO' B的一半為y'軸正向，X'軸選取符合右手準(zhǔn)則， 設(shè)Ao'方向與X軸正向夾角為α^ο'Β方向與X軸正向夾角為α2，若α2-αι>〇,則 X'軸正向與X軸正向夾角按照以下公式計算：
若α 2-α 〇,則χ'軸正向與X軸正向夾角為：
步驟3. 2,根據(jù)上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，可求得A點在X' o' y'坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，如以下述 公式：
步驟3. 3,將步驟3. 2中的公式（10)反變換到xoy坐標(biāo)系中，即得下一點（xn+1'，yn+1'） 在xoy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，按照下式確定：
步驟4,由步驟3的運算結(jié)果獲得動態(tài)載體運行軌跡的預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)后，通過顯示器或 打印設(shè)備將預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)輸出，同時將所述預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)存儲到存儲器內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的方法，其特征在于所述步驟2. 1 的數(shù)學(xué)模型公式為：
3. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的方法，其特征在于步驟2. 1所述 數(shù)學(xué)模型公式為：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動態(tài)載體運行軌跡預(yù)測預(yù)報的方法，所述方法包括如下步驟：1、通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊和傳感器采集動態(tài)載體的坐標(biāo)信息，所述坐標(biāo)信息中包括角度信息；2、通過計算機對步驟1中采集到的坐標(biāo)信息進行逼近處理；3、將步驟2中經(jīng)逼近處理后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過計算機中的運算程序用數(shù)學(xué)模型中的關(guān)系式對坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行運算；4、由步驟3的運算結(jié)果獲得動態(tài)載體運行軌跡的預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)，通過顯示器或打印設(shè)備將預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)輸出，同時將所述預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)存儲到存儲器內(nèi)。該方法通過對動態(tài)載體導(dǎo)航現(xiàn)狀分析，能夠解決動態(tài)載體運動軌跡的實時測量值和下一時段軌跡的預(yù)估值。
【IPC分類】G01C21-20
【公開號】CN104677359
【申請?zhí)枴緾N201510101404
【發(fā)明人】施滸立
【申請人】施滸立
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月6日