CN105571593B

CN105571593B - 一种基于mls的地理位置信息获取方法

Info

Publication number: CN105571593B
Application number: CN201510845834.7A
Authority: CN
Inventors: 赵建伟; 钟兴泉; 高新国; 董加成; 肖作民
Original assignee: CETC 20 Research Institute
Current assignee: CETC 20 Research Institute
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: CN105571593A

Abstract

本发明提供了一种基于MLS的地理位置信息获取方法，首先获取MLS测量信息和机场信息，若MLS测量信息和机场信息有效，则采用旋转高斯‑让德迭代算法获得飞机在MLS坐标系中的位置；否则继续获取；最终计算飞机在大地坐标系中的坐标。本发明可避免采用卫星导航接收机受卫星信号影响导致的易损性和完好性问题，也可避免采用惯导推算方法所导致的精度随时间漂移的问题，保证了机载设备地理位置信息输出的可靠性。

Description

一种基于MLS的地理位置信息获取方法

技术领域

本发明属于导航领域，涉及陆基导航系统，特别是一种利用微波着陆系统(MLS)的测角和测距信息，获得地理位置信息(纬度、经度和高度)的方法。

背景技术

微波着陆系统(MLS)是新一代飞机精密进近引导着陆系统，典型的地面设备组成包括方位台、仰角台和测距台，分别为机载设备提供相对于方位台站的方位角，相对于仰角台站的仰角和相对于测距台站的距离。方位台和测距台一般为共址架设，处于跑道出口后端；仰角台架设在跑道入口一侧；所有台站均面向飞机着陆方向。飞机着陆时，飞行员或自动驾驶仪操控飞机，将方位角和仰角保持在一定的数值上(典型值为方位0°、仰角3°)，并参考距离信息，调整飞机的速度和姿态，实现着陆。这种仪表着陆方式是采用测角信息作为导航引导信息的。

随着基于导航卫星(GPS、北斗等)的卫星导航系统的逐渐应用，越来越多的机载平台采用地理位置信息(纬度、经度和高度)匹配航路图作为导航引导信息。为了适应这种应用方式，着陆系统也需要具备输出地理位置信息的功能。

传统的地理位置获取方法，可采用卫星导航接收机或惯导推算。采用卫星导航接收机，特别是结合差分增强信息的运用，可使机载设备获得极高的地理位置精度(采用实时载波相位差分技术后，定位精度可达厘米级)，但是，卫星导航系统存在易损性和完好性问题。所谓“易损性”是指卫星导航系统的易干扰问题，由于卫星离地面的距离太远，到达地面上的信号非常微弱，极易受到干扰；所谓完好性问题是指卫星导航接收机难以判断卫星的实时状态以及发送的信号是否异常。受此影响，在某些条件下(如存在卫星信号的压制式干扰、欺骗式干扰)，卫星导航接收机输出的地理位置信息是不可靠的。采用惯导推算的缺点在于惯导的精度会随时间的推移而逐渐漂移，导致地理位置信息的精度逐渐恶化。

目前，国内外MLS机载设备仅有输出角度和距离信息的功能，未发现具有地理位置信息输出功能的相关文献报导。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种地理位置信息获取方法，基于MLS测角和测距信息，结合MLS台站坐标信息和跑道地理位置信息，获得MLS机载设备所处的地理位置信息(纬度、经度和高度)，可用于将MLS机载设备输出信息与卫星导航接收机输出信息直接比对、修正惯导信息、与地图匹配等应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)获取MLS测量信息和机场信息，具体步骤如下：

(1.1)建立以跑道着陆点为原点的笛卡尔坐标系，X轴和Y轴在水平面上，X轴在跑道中心延长线上，负值表示向跑道的末端方向；

(1.2)获得MLS地面设备中方位台、仰角台和测距台天线相位中心在MLS系统坐标系中的坐标(X_A,Y_A,Z_A)、(X_E,Y_E,Z_E)和(X_D,Y_D,Z_D)。

(1.3)获取MLS机载设备的测量信息，包括飞机相对方位天线的方位角θ、飞机相对仰角天线的仰角以及飞机相对测距天线的距离ρ；

(1.4)获取跑道地理信息，包括着陆点的大地坐标(φ₀,λ₀,h₀)和跑道的进场真北角γ；

(2)若步骤(1)获取的MLS测量信息和机场信息有效，则采用旋转高斯-让德迭代算法获得飞机在MLS坐标系中的位置(X_T,Y_T,Z_T)；否则返回步骤(1)继续获取；

(3)计算飞机在大地坐标系中的坐标，具体步骤如下：

(3.1)将(φ₀,λ₀,h₀)转换为WGS-84坐标系的坐标(x₀,y₀,z₀)，其中，x₀＝(N+h₀)cosφ₀cosλ₀，y₀＝(N+h₀)cosφ₀sinλ₀，z₀＝[(N(1-e²)+h₀)]sinφ₀，φ₀为纬度，λ₀为经度，h₀为高度，N为基准椭球体的卯酉圆曲率半径，e为椭球偏心率，e²＝0.00669437999，a＝6378137；

(3.2)将(X_T,Y_T,Z_T)转换为站心坐标系下的坐标(Δe,Δn,Δu)，其中，

根据着陆点在WGS-84坐标系下的坐标(x₀,y₀,z₀)得到飞机在WGS-84坐标系中的坐标(x,y,z)，其中，x＝Δx+x₀，y＝Δy+y₀，z＝Δz+z₀；

所述的步骤(1)中，跑道地理信通过数据链路上传或预先输入得到。

所述的步骤(3.4)采用迭代法来逐次逼进，先假设φ的值为0，依次计算出N，h和φ，然后再将得到的φ值重新代入式中计算，再次更新N，h和φ值，如此循环，直到φ值保持不变。

本发明的有益效果是：基于MLS自身的测角和测距信息，结合MLS台站坐标信息和跑道地理位置信息，获得MLS机载设备所处的地理位置信息。由于MLS信号难于干扰，自身具有良好的完好性保障手段，系统精度稳定，再加上MLS台站位置(各台站在MLS系统坐标系下的坐标)及跑道信息(跑道真北角和着陆点的地理坐标)都是事先可精确测量并且固定不变的，因此，本发明可避免采用卫星导航接收机受卫星信号影响导致的易损性和完好性问题，也可避免采用惯导推算方法所导致的精度随时间漂移的问题，保证了机载设备地理位置信息输出的可靠性。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是以跑道着陆点为原点的笛卡尔坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提出一种基于MLS的地理位置信息获取方法，包括以下步骤：

(1)获取MLS测量信息和机场信息，如下：

a)建立MLS系统坐标系。参照图2，建立以跑道着陆点为原点的笛卡尔坐标系，X轴和Y轴为水平面，坐标系的X轴选在跑道中心延长线上，负值表示向跑道的末端方向。

b)获得MLS地面设备中方位台、仰角台和测距台天线相位中心在MLS系统坐标系中的坐标。这些坐标会通过MLS地面设备自身的数据链路上传给机载设备，机载设备通过接收地面设备发播的数据字信息可以获得方位天线相位中心、仰角天线相位中心、测距天线相位中心在笛卡尔坐标系中的坐标位置，分别设为(X_A,Y_A,Z_A)，(X_E,Y_E,Z_E)，(X_D,Y_D,Z_D)。

c)获取MLS机载设备的测量信息。机载设备测量得到的角度数据和距离数据分别是飞机相对方位天线的方位角θ，飞机相对仰角天线的仰角飞机相对测距天线的距离ρ。

d)获取跑道地理信息。包括着陆点的地理大地坐标(φ₀,λ₀,h₀)和跑道的进场真北角γ(指跑道中心线与地理真北的夹角，即X轴与地理真北的夹角)。需要指出的是，标准的MLS数据字中已包含跑道信息的内容，但精度较差(纬度和经度精度为100毫秒、高度精度为1米、真北角精度为0.01°)，仅可作为机场跑道参考信息，无法作为本发明所述的变换算法的输入精度要求(纬度和经度精度要求为1毫秒、高度精度要求为0.06米、真北角精度要求为0.002°)参与运算，因此，需要通过其余技术途径(如通过数据链路上传，或根据任务安排，提前输入拟降落机场的跑道信息)为MLS机载设备提供跑道地理信息。

(2)若MLS机载设备已获得上述信息并判断有效，则执行坐标变换，采用旋转高斯-让德迭代算法获得飞机在MLS坐标系中的位置(X_T,Y_T,Z_T)；若未获得有效信息，则继续获取。

(3)已知着陆点的地理大地坐标(φ₀,λ₀,h₀)、跑道的进场真北角γ、飞机相对着陆点的坐标(X_T,Y_T,Z_T)，通过以下计算步骤便可计算出飞机在地理大地坐标系中的坐标：

(1)将着陆点的大地坐标转换为WGS-84坐标系坐标(x₀,y₀,z₀)。计算方法为：

从大地坐标(φ₀,λ₀,h₀)到地心地固直角坐标系(x₀,y₀,z₀)之间的变换公式为：

x₀＝(N+h₀)cosφ₀cosλ₀

y₀＝(N+h₀)cosφ₀sinλ₀

z₀＝[(N(1-e²)+h₀)]sinφ₀

其中，φ₀为纬度，λ₀为经度，h₀为高度。N为基准椭球体的卯酉圆曲率半径，e为椭球偏心率，它们与基准椭球体的长半径a和短半径b存在如下关系：

对于WGS-84坐标系，有a＝6378137米，基准椭球的极扁率为：

e²＝0.00669437999

(2)将飞机坐标由MLS坐标转换为以着陆点为原点的站心坐标系坐标(Δe,Δn,Δu)。计算方法为：

将MLS系统坐标系绕Z轴旋转γ角即可得出以着陆点为原点的站心坐标系，由此可将飞机在着陆直角坐标系中的坐标(X_T,Y_T,Z_T)转换为站心坐标系下的坐标(Δe,Δn,Δu)，其变换关系为：

(3)将飞机坐标由站心坐标系转化为WGS-84坐标系坐标(x₀,y₀,z₀)，计算方法如下：

根据飞机在站心坐标系中的位置(Δe,Δn,Δu)，通过以下变换公式可以变换至WGS-84坐标系的(Δx,Δy,Δz)：

其中，坐标变换矩阵为：

根据a)中计算出的着陆点在WGS-84坐标系下的坐标(x₀,y₀,z₀)，可得到飞机在WGS-84坐标系中的坐标(x,y,z)：

x＝Δx+x₀

y＝Δy+y₀

z＝Δz+z₀

(4)将飞机坐标由WGS-84坐标系坐标转化大地坐标系坐标(φ,λ,h)，计算方法为：

从WGS-84坐标系坐标(x,y,z)到大地坐标系坐标(φ,λ,h)的变换公式为：

其中：

a＝6378137，

e²＝0.00669437999

中间变量p的计算公式为：

步骤d)需要借助迭代法来逐次逼进：先假设φ的值为0，依次计算出N，h和φ，然后再将刚得到的值重新代入式中计算，再次更新N，h和φ的值，如此循环，直到φ值保持不变。

参照图1，本发明的实施例包括以下步骤：

(1)获取MLS测量信息和机场信息，如下：

a)获得MLS地面设备中方位天线相位中心、仰角天线相位中心、测距天线相位中心在MLS系统坐标系中的坐标位置，分别设为(X_A,Y_A,Z_A)，(X_E,Y_E,Z_E)，(X_D,Y_D,Z_D)。

b)获取MLS机载设备的测量信息。机载设备测量得到的角度数据和距离数据分别是飞机相对方位天线的方位角θ，飞机相对仰角天线的仰角飞机相对测距天线的距离ρ。

c)获取跑道地理信息。包括着陆点的地理大地坐标(φ₀,λ₀,h₀)和跑道的进场真北角γ。精度要求为：纬度和经度精度为1毫秒、高度精度为0.06米、真北角精度为0.002°。

(2)MLS机载设备执行坐标变换，获得飞机在MLS坐标系中的位置(X_T,Y_T,Z_T)，计算方法采用旋转高斯-让德迭代算法。

(3)计算出飞机在地理大地坐标系中的坐标：

a)将着陆点的大地坐标转换为WGS-84坐标系坐标(x₀,y₀,z₀)。计算方法为：

x₀＝(N+h₀)cosφ₀cosλ₀

y₀＝(N+h₀)cosφ₀sinλ₀

z₀＝[(N(1-e²)+h₀)]sinφ₀

对于WGS-84坐标系，有a＝6378137米，基准椭球的极扁率为：

e²＝0.00669437999

b)将飞机坐标由MLS坐标转换为以着陆点为原点的站心坐标系坐标(Δe,Δn,Δu)。计算方法为：

c)将飞机坐标由站心坐标系转化为WGS-84坐标系坐标(x₀,y₀,z₀)，计算方法如下：

其中，坐标变换矩阵为：

x＝Δx+x₀

y＝Δy+y₀

z＝Δz+z₀

d)将飞机坐标由WGS-84坐标系坐标转化大地坐标系坐标(φ,λ,h)，计算方法为：

其中：

a＝6378137，

e²＝0.00669437999

中间变量p的计算公式为：

根据上述步骤，假定跑道真北角为0.00°，着陆点的大地坐标为(经度109.2655°，纬度34.63206°，高度358.00米)，选取两种不同的地面台站配置，每种台站配置选取了两种不同的MLS测量数据，通过MATLAB仿真计算得出了相应的数据，验证了大地坐标转换算法的正确性，具体见表1。

表1

本发明方法原理简单，数据来源可靠，具有较强的工程应用性。

Claims

1.一种基于MLS的地理位置信息获取方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)获取MLS测量信息和机场信息，具体步骤如下：

(1.2)获得MLS地面设备中方位台、仰角台和测距台天线相位中心在MLS系统坐标系中的坐标(X_A,Y_A,Z_A)、(X_E,Y_E,Z_E)和(X_D,Y_D,Z_D)；

(3)计算飞机在大地坐标系中的坐标，具体步骤如下：

(3.3)将(Δe,Δn,Δu)变换至WGS-84坐标系的坐标(Δx,Δy,Δz)，其中，坐标变换矩阵

(3.4)将飞机坐标(x,y,z)转化到大地坐标系坐标(φ,λ,h)，其中，中间变量

2.根据权利要求1所述的基于MLS的地理位置信息获取方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，跑道地理信息通过数据链路上传或预先输入得到。

3.根据权利要求1所述的基于MLS的地理位置信息获取方法，其特征在于包括下述步骤：所述的步骤(3.4)采用迭代法来逐次逼进，先假设φ的值为0，依次计算出N，h和φ，然后再将得到的φ值重新代入式中计算，再次更新N，h和φ值，如此循环，直到φ值保持不变。