CN103018762A - 一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法，步骤一，输入当前目的地坐标；步骤二，使用北斗设备测出当前飞机的位置坐标；步骤三，使用惯性导航或姿态仪测量飞机当前时刻的偏航角；步骤四，利用步骤二中测出的飞机当前位置坐标，步骤一中输入的目的地坐标以及步骤三中得到的偏航角估计飞机当前时刻纵轴与目的地的夹角，即相对方位角；步骤五，将步骤四中得到的相对方位角以及步骤三中得到的偏航角通过显示控制设备进行显示。本发明方法利用北斗的定位功能估计飞机纵轴与目的地的夹角（相对方位角），使用传统无线电罗盘的界面，具有使用简单，精度高于传统无线电罗盘，且在地面没有NDB台的情况下也可以使用等优点。

Description

一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法

技术领域

本发明涉及一种航空领域的导航方法，具体是一种使用北斗定位系统估计飞机纵轴与目的地的夹角（相对方位角），实现无线电罗盘功能的方法。

背景技术

无线电罗盘是最早使用的无线电导航仪表，它由环状天线、垂直全向天线、罗盘接收机、指示器和控制盒等组成，工作在200～1800千赫频段。使用时通过选择接收地面无方向性导航设备(简称NDB)提供的无方向性长波作为导航信号，无线电罗盘可以测算出飞机当前航向与飞机与所选择的地面NDB台连线的夹角，即飞机纵轴与目的地的夹角（相对方位角），然后通过航向指示器等显示控制设备将该夹角进行显示。无线电罗盘使用简便，并有为数众多的导航台选用，因而从30年代至今一直是飞机必备的无线电导航仪表。但由于工作在中波波段，噪声干扰很大，测量精度较低。通过对相关技术文献检索发现边存勇在2003年第3期《电子测量技术》发表的论文《软件无线电罗盘》采用软件无线电和智能天线技术构建工作在中波和超短波波段的自动无线电罗盘。中波信号用固定环形天线和垂直天线接收，通过数据据解算获得方位信息。超短波信号用圆形天线阵接收，采用MUSIC算法检测方位信息。但是这种方案其工作原理仍然是利用了无线电导航的原理，在没有地面NDB的情况下，无线电罗盘无法使用。

目前我国北斗定位系统逐步完善，而无线电罗盘由于使用简单，因此，倘若能够利用北斗定位系统来实现无线电罗盘的功能，不但精度高于传统无线电罗盘，无需改变用户的使用习惯，而且在地面没有NDB台的情况下也可以使用，这对于航空领域的导航是有一定意义的。

发明内容

本发明针对上述现有技术的问题，提供一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法。该方法使用传统显示界面，使用简单，不但精度高于传统无线电罗盘，无需改变用户的使用习惯，而且在地面没有NDB台的情况下也可以使用。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法，包括如下步骤：

步骤一，输入当前目的地坐标，如地面NDB导航台的位置坐标，或者目标航路点的坐标等。

所述NDB导航台和航路点坐标信息可以在飞行管理系统中查找。

所述当前目的地坐标，还可以采用地面指挥台通过北斗向飞机发送目的地的坐标的方法指定目的地，这种方式可以实现在紧急情况下指定飞机的紧急集合地点。

步骤二，使用北斗设备测出当前飞机的位置坐标。

所述北斗设备是我国自行研制的全球定位系统。

步骤三，使用惯性导航或姿态仪等设备测量飞机当前时刻偏航角。

步骤四，利用步骤二中北斗测出的飞机当前位置坐标、步骤一中输入的目的地坐标以及步骤三中得到的偏航角估计飞机当前时刻纵轴与目的地的夹角（相对方位角）。

步骤五，将步骤四中得到得相对方位角以及步骤三中得到的偏航角等通过航向指示器或者其他显示控制设备进行显示，最终实现无线电罗盘功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法使用传统无线电罗盘的界面，使用简单，不但精度高于传统无线电罗盘，无需改变用户的使用习惯，而且在地面没有NDB台的情况下也可以使用。

附图说明

图1为本发明一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法的原理图；

图2为本发明的偏航角和相对方位角图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法，包括如下步骤：

步骤一，输入当前目的地坐标，如地面NDS导航台的位置坐标，或者目标航路点的坐标等。

所述NDB导航台和航路点坐标信息可以在飞行管理系统中查找。若所飞向的目标航路点周围没有NDB导航台，传统的无线电罗盘在此情况下将失效，而对于本发明则只需输入航路点的坐标或当前目的地的坐标即可实现导航。此外，利用北斗的信息传输功能，还可以采用地面指挥台向飞机发送目的地的坐标的方法指定目的地，这种方式可以实现在紧急情况下指定飞机的紧急集合地点。

记输入的目标地经纬度坐标为C（c，d）。

步骤二，使用北斗设备测出当前飞机的位置坐标。

所述北斗设备是我国自行研制的全球定位系统。记当北斗测得的前飞机的经纬度坐标为A（a，b）

步骤三，使用惯性导航或姿态仪等设备测量飞机当前时刻偏航角。

记该时刻偏航角为W度。偏航角定义如图2所示。

步骤四，利用步骤二中北斗测出的飞机当前位置坐标、步骤一中输入的目的地坐标以及步骤三中得到的偏航角估计飞机当前时刻纵轴与目的地的夹角（相对方位角）。

首先将经纬度坐标A（a，b）和C（c，d）转换为地心地固坐标系（ECEF）下的坐标,记转换后的坐标分别为A′(a′,b′,z_A′)，C′(c′,d′,z_c′)。转换方法如下：

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(N+H)\cos \left(\mathrm{\α}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)\\ (N+H)\cos \left(\mathrm{\α}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ \left[(T^2/S^2)(N+H)\right]\sin \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right)$

$N=\frac{{2S}^2}{S^2\cos \left(2\mathrm{\α}\right)+T^2\sin \left(2\mathrm{\β}\right)}$

其中，X′、Y′、Z′为ECEF下的坐标，ECEF坐标系中Z轴方向为真北方向，α为纬度，β为经度，H为高度，S、T分别为椭球横半轴和纵半轴的长度，如采用的是WGS84坐标系，则S、T分别为6378137和6356752.3142，这里令H=0。

然后，将经纬度坐标C（c，d）转换为飞机当前位置的当地北东地坐标系，即以A点为坐标原点的当地北东地坐标系。当地北东地坐标系是一个坐标系，该坐标系以飞机所在位置为原点，Y轴指向东，X轴指向北，Z轴为重力方向。记C（c，d）转换后的坐标为C″(c″,d″,z_c″)，转换方法如下：

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\′\′}\\ Y^{\′\′}\\ Z^{\′\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}-\sin \left(\mathrm{\α}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)& -\sin \left(\mathrm{\α}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\\ \text{-sin}\left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(\mathrm{\β}\right)& 0\\ -\cos \left(\mathrm{\α}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)& -\sin \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}-a^{\′}\\ Y^{\′}-b^{\′}\\ Z^{\′}-z_{A^{\′}}\end{array}\right)$

其中X″、Y″、Z″分别为局部东北地坐标系下的坐标，X′、Y′、Z′为待转换的点在ECEF下的坐标，α、β分别为待转换点的纬度和经度，(a′,b′,z_A′)为A点在ECEF下的坐标。

记飞机纵轴与目的地的夹角（相对方位角）为U，则U的数值大小为：

若c″≥0，d″＞0则U数值为W-[90-57.31atan（c″/d″）]度

若c″≥0，d″＜0则U数值为W-[270-57.31atan（c″/d″）]度

若c″≤0，d″＜0则U数值为W-[270-57.31atan（c″/d″）]度

若c″≤0，d″＞0则U数值为北偏东W-[90-57.31atan（c″/d″）]度

若c″≥0，d″＝0则U数值为W

若c″≤0，d″＝0则U数值为180W

相对方位角和偏航角的关系如图2所示

步骤五，将步骤四中得到得相对方位角以及步骤三中得到的偏航角等通过航向指示器或者其他显示控制设备进行显示。

Claims (3)

1.一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，输入当前目的地坐标，包括地面NDB导航台的位置坐标，或者目标航路点的坐标；

步骤二，使用北斗设备测出当前飞机的位置坐标；

步骤三，使用惯性导航或姿态仪测量飞机当前时刻的偏航角；

步骤四，利用步骤二中测出的飞机当前位置坐标，步骤一中输入的目的地坐标以及步骤三中得到的偏航角估计飞机当前时刻纵轴与目的地的夹角，即相对方位角；

步骤五，将步骤四中得到的相对方位角以及步骤三中得到的偏航角通过显示控制设备进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法，其特征是，所述地面NDB导航台和目标航路点的坐标信息从飞行管理系统中查找。

3.根据权利要求1所述的一种使用北斗定位系统实现无线电罗盘功能的方法，其特征是，所述步骤一中的当前目的地坐标，采用地面指挥台通过北斗向飞机发送目的地的坐标的方法指定目的地。

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