基于GPS信号的目标位置姿态信息解算方法

2020-04-27熊天武黄宗卫

舰船电子对抗 2020年1期

关键词：方位角经度纬度

周晖，熊天武，黄宗卫

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

为测试靶弹的抗干扰能力，现设计一款干扰设备，根据靶弹的航迹信息(GPS信号)实时解算为设备自身所需要的伺服指向信息(方位角、俯仰角)，驱动伺服机构动作，实现干扰设备对目标靶弹的实时跟踪和干扰，验证其抗干扰能力。

1 干扰设备工作基本原理

如图1所示，A点为干扰设备所在位置，设为坐标原点，B点为目标靶弹位置，B点在以A为原点的大地坐标系上的投影为C点，B点相对于A点的方位角为A′,俯仰角为E。干扰设备根据目标位置信息(GPS信号)结合自身位置实时计算方位、俯仰角度，驱动伺服机构指向目标靶弹，实现跟踪和干扰。

图1 干扰设备工作位置示意图

2 姿态信息解算

侦察、干扰设备的位置分别为A点和B点：A点的地理位置为(LR，BR，HR)，B点的地理坐标位置为(Lt，Bt，Ht)。

(1) GPS与球心坐标换算[1-2]

B点的地心坐标：

(1)

式中:Nt为B点所处地理位置的卯酉圈曲率半径；Ht为B点的高程，Ht=H+h，H为B点位置的地面海拔高度；h为B点相对地面的高度；Bt为B点所处位置的地理纬度；Lt为B点所处位置的地理经度；a为地球椭圆球体的长半轴长度，为6 378 137 m，e2为0.006 694 379 901 4，为第一偏心率的平方。

A点的地心坐标位置为：

(2)

式中：LR、BR、HR及NR为A点所处地理位置的经纬度、高程及卯酉圈曲率半径。

(2) 球心坐标系与大地直角坐标系转换

以A点为坐标原点，建立大地直角坐标系，计算B点在A点雷达大地测量坐标系内的直角坐标位置可得：

(3)

(3) 大地直角坐标与极坐标换算[3-5]

根据式(3)计算B点相对于A点的方位、俯仰角度可得：

(4)

(5)

3 MATLAB验证与DSP实现

3.1 MATLAB仿真验证

利用MATLAB工具编写m语言程序实现相应功能，并验证其正确性。设备所在位置设为参考基准点0，GPS信号取(90,30,0)，分别为经度、纬度、高度，目标所在位置：GPS值(x,y,z)，正北方向为0°(坐标系中纬度方向)。首先保持目标经度(90.5°)、高度(0)不变，纬度从5°到55°变化，研究方位、俯仰角度变化，结果如图2、图3所示。在纬度变为30°，方位角为90°，随着纬度从5°变化到55°，方位角从近似0°渐变到近似180°，验证正确。

图2 经纬度与位置角度关系

图3 纬度变化引起的方位角度变化

如图4所示，保持目标纬度(35°)、高度(0)不变，经度从65°到115°变化，研究方位、俯仰角度变化，结果如图5所示。在经度变为90°时，方位角为0°，随着经度从65°到115°依次渐变，方位角从270°到360°，再变化到90°，验证正确。

图4 经纬度与位置角度关系

3.2 试验结果及分析

目标位置为一虚拟固定点，GPS信息(121.151 389，40.625 251，7.687 423)，表1为设备实时的GPS信号，表2为方位测量值、计算值及误差，表3为俯仰测量值、计算值及误差。由计算结果可知，方位误差最大为0.2，俯仰误差最大为0.63，均小于2°的设计要求，满足精度要求。方位角度及误差如图6所示，俯仰角度及误差如图7所示。