一种用于运动终端间激光通信捕获过程中的动态补偿方法

摘要

本发明提出一种用于运动终端间激光通信捕获过程中的动态补偿方法，属于空间激光通信技术领域。此方法通过对两运动终端的相对位置和速度的全面分析，精确计算两运动通信终端在水平方向和俯仰方向每秒钟分别需要补偿的角度值和方向，消除相对位置和速度对捕获路径的影响，在缩短捕获时间的同时提高捕获概率，实现空间运动通信终端之间的快速高概率捕获。

主权项

1.一种用于运动终端间激光通信捕获过程中的动态补偿方法，其特征在于，该方法所需设备与具体实现步骤如下：所需设备：第一终端(1)和第二终端(2)；其中第一终端(1)带有第一GPS/INS导航系统(3)、第一数传电台(4)和第一陀螺(5)；第二终端(2)带有第二GPS/INS导航系统(6)、第二数传电台(7)和第二陀螺(8)；具体实现步骤：步骤1、第一终端(1)和第二终端(2)分别通电自检，进入工作状态；第一终端(1)和第二终端(2)处于运动状态；步骤2、第一数传电台(4)将第一GPS/INS导航系统(3)测量得到的第一终端(1)在WGS-84坐标系中的位置(纬度B₁、经度L₁、大地高H₁)、在东北天坐标系中的姿态(横滚角α₁、俯仰角β₁)、航向(航向角γ₁)、速度(东向速度V_1，e、北向速度V_1，n、天向速度V_1，u)发送给第二数传电台(7)；同时第二数传电台(7)将第二GPS/INS导航系统(3)测量得到的第二终端(2)在WGS-84坐标系中的位置(纬度B₂、经度L₂、大地高H₂)、在东北天坐标系中的姿态(横滚角α₂、俯仰角β₂)、航向(航向角γ₂)、速度(东向速度V_2，e、北向速度V_2，n、天向速度V_2，u)发送给第一数传电台(4)；步骤3、第一终端(1)和第二终端(2)实现初始指向；步骤4、第一终端(1)根据第一陀螺(5)输出的横滚角α₁和俯仰角β₁，对自身的姿态进行实时补偿；同时第二终端(2)根据第二陀螺(8)输出的横滚角α₂和俯仰角β₂，对自身的姿态进行实时补偿；步骤5、第一终端(1)以第一陀螺(5)测得的第一终端(1)的基台的姿态位置为中心开始扫描捕获不确定区域；同时第二终端(2)以第二陀螺(8)测得的第二终端(2)的基台的姿态位置为中心开始扫描捕获不确定区域；步骤6、根据以下方程分别计算第一终端(1)和第二终端(2)在WGS-84坐标系中的坐标(x₁″，y₁″，z₁″)^T，(x₂″，y₂″，z₂″)^T，其中e²＝0.006694379995为子午椭圆第一偏心率的平方；a＝6378137m为地球长半径，$\left[\begin{array}{c}{x}_i^{\prime \prime }\\ y_i^{\prime \prime }\\ z_i^{\prime \prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(N_i+H_i)\cos B_i\cos L_i\\ (N_i+H_i)\cos B_i\sin L_i\\ (N_i(1-e^2)+H_i)\sin B_i\end{array}\right],i=\mathrm{1,2};$$N_i=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\left(\sin B_i\right)}^2}},i=\mathrm{1,2};$步骤7、根据以下方程分别计算第一终端(1)和第二终端(2)在东北天坐标系中的坐标(x₁′，y₁′，z₁′)^T，(x₂′，y₂′，z₂′)^T，$\left[\begin{array}{c}{x}_i^{\prime }\\ y_i^{\prime }\\ z_i^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{-\sin B}_i& {\cos B}_i& 0\\ {-\sin L}_i{\cos B}_i& {-\sin L}_i{\sin B}_i& {\cos L}_i\\ {\cos L}_i{\cos b}_i& {\cos L}_i{\sin B}_i& {\sin L}_i\end{array}\right]·\left[\begin{array}{c}{x}_i^{\prime \prime }\\ y_i^{\prime \prime }\\ z_i^{\prime \prime }\end{array}\right],i=\mathrm{1,2};$步骤8、根据以下方程计算第二终端(2)在与第一终端(1)对应的第一载体坐标系中的坐标$\left[\begin{array}{c}{x}_2^1\\ y_2^1\\ z_2^1\end{array}\right]=A_1·\left[\begin{array}{c}{x}_2^{\prime }\\ y_2^{\prime }\\ z_2^{\prime }\end{array}\right],$其中$A_1=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \alpha }_1\cos {\gamma }_1-\sin {\alpha }_1\sin {\beta }_1\sin {\gamma }_1& \cos {\alpha }_1\sin {\gamma }_1+\sin {\alpha }_1\sin {\beta }_1\cos {\gamma }_1& -{\cos \beta }_1\sin {\alpha }_1\\ -\sin {\gamma }_1\cos {\beta }_1& \cos {\beta }_1\cos {\gamma }_1& \sin {\beta }_1\\ \sin {\alpha }_1\cos {\beta }_1+{\cos \alpha }_1\sin {\beta }_1{\sin \gamma }_1& \sin {\alpha }_1\sin {\gamma }_1-{\cos \alpha }_1\sin {\beta }_1\cos {\gamma }_1& \cos {\alpha }_1\cos {\beta }_1\end{array}\right]$因为与第一终端(1)对应的第一载体坐标系是以第一终端(1)为原点的，所以第一终端(1)在与第一终端(1)对应的第一载体坐标系中的坐标为A＝(0，0，0)^T；根据以下方程分别计算第一终端(1)和第二终端(2)在与第一终端(1)对应的第一载体坐标系中的速度(V_1，x¹，V_1，y¹，V_1，z¹)^T和(V_2，x¹，V_2，y¹，V_2，z¹)^T，$\left[\begin{array}{c}{V}_{i,x}^1\\ V_{i,y}\\ V_{i,z}^1\end{array}\right]=A_1·\left[\begin{array}{c}{V}_{i,e}\\ V_{i,n}\\ V_{i,u}\end{array}\right],i=\mathrm{1,2};$因为与第一终端(1)对应的第一载体坐标系的x轴方向为第一终端(1)的前进方向的右方，y轴方向为第一终端(1)的前进方向，z轴方向与x轴和y轴垂直且构成右手系，所以下面确定第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度值及其方向：将第一终端(1)和第二终端(2)当前空间位置A和B垂直投影到所述的第一载体坐标系的xoy面上，投影点分别为A＝(0，0)^T和连接此二投影点，得到一个平面矢量规定当时，即第二终端(2)在所述第一载体坐标系中的当前位置在z轴上时，第一终端(1)在水平方向的补偿从x轴正向开始；将第一终端(1)和第二终端(2)分别运动1秒后的空间位置和垂直投影到所述的第一载体坐标系的xoy面上，投影点分别为和连接此二投影点，得到另一个平面矢量${\overrightarrow{a}}_2={(x_2^1+V_{2,x}^1,y_2^1+V_{2,y}^1)}^T-{(0,V_{1,y}^1)}^T={(x_2^1+V_{2,x}^1,y_2^1+V_{2,y}^1-V_{1,y}^1)}^T,$规定当时，即第二终端(2)在所述第一载体坐标系中运动1秒后的位置在过第一终端(1)运动1秒后的位置并与z轴平行的直线上时，第一终端(1)在水平方向补偿到x轴正向结束；计算矢量和的夹角，得到第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度值θ_xy¹：${\theta }_{\mathrm{xy}}^1=\arccos \frac{({\overrightarrow{a}}_1,{\overrightarrow{a}}_2)}{\left|{\overrightarrow{a}}_1\right|·\left|{\overrightarrow{a}}_2\right|};$在实际应用中，当时，规定补偿方向为顺时针方向；(1)若且则在水平方向不需要补偿，即(2)若且则计算与x轴正向的夹角${\theta }_{\mathrm{xy}}^1=\arccos \frac{({\left(\mathrm{1,0}\right)}^T,{\overrightarrow{a}}_2)}{\left|{\left(\mathrm{1,0}\right)}^T\right|·\left|{\overrightarrow{a}}_2\right|}=\arccos \frac{x_2^1+V_{2,x}^1}{\left|{\overrightarrow{a}}_2\right|},$当时，第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度的方向为逆时针方向；当时，第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度的方向为顺时针方向；当时，第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度为0或π，具体数值由所计算的角度值θ_xy¹确定；(3)若且则计算与x轴正向的夹角${\theta }_{\mathrm{xy}}^1=\arccos \frac{({\left(\mathrm{1,0}\right)}^T,{\overrightarrow{a}}_1)}{\left|{\left(\mathrm{1,0}\right)}^T\right|·\left|{\overrightarrow{a}}_1\right|}=\arccos \frac{x_2^1}{\left|{\overrightarrow{a}}_1\right|},$当时，第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度的方向为顺时针方向；当时，第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度的方向为逆时针方向；当时，第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度为0或π，具体数值由所计算的角度值θ_xy¹确定；(4)若${\overrightarrow{a}}_1\ne 0$且${\overrightarrow{a}}_2\ne 0,$做直线：$f(x,y)=x_2^1(y-V_{1,y}^1)-y_2^{1}x=0,$将所述的第二终端(2)运动1秒后的空间位置B₀在所述的第一载体坐标系的xoy面上的垂直投影点B₂代入此直线方程，若f(B₂)＞0，则第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度的方向为逆时针方向；若f(B₂)＜0，则第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度的方向为顺时针方向；若f(B₂)＝0，则第一终端(1)在水平方向每秒钟需要补偿的角度为0或π，具体数值由所计算的角度值θ_xy¹确定；下面确定第一终端(1)在俯仰方向每秒钟需要补偿的角度值及其方向：将第一终端(1)和第二终端(2)当前空间位置A和B垂直投影到所述的第一载体坐标系的xoy面上，投影点分别为A＝(0，0，0)^T和连接此二投影点，得到空间矢量计算第一终端(1)和第二终端(2)当前空间位A和B的连线矢量与矢量的夹角θ₁，若则当时，当时，${\theta }_1=-\frac{\pi }{2};$将第一终端(1)和第二终端(2)分别运动1秒后的空间位置和垂直投影到所述的第一载体坐标系的xoy面上，投影点分别为和连接此二投影点，得到空间矢量${\overrightarrow{b}}_2={(x_2^1+V_{2,x}^1,y_2^1+V_{2,y}^1,0)}^T-{(0,V_{1,y}^1,0)}^T={(x_2^1+V_{2,x}^1,y_2^1+V_{2,y}^1-V_{1,y}^1,0)}^T;$计算第一终端(1)和第二终端(2)分别运动1秒后的空间位置A₀和B₀的连线矢量与矢量的夹角θ₂，若则当$z_2^1+V_{2,z}^1>0$时，${\theta }_2=\frac{\pi }{2},$当$z_2^1+V_{2,z}^1<0$时，${\theta }_2=-\frac{\pi }{2};$计算第一终端(1)在俯仰方向每秒钟需要补偿的角度值θ_z¹：${\theta }_z^1={\theta }_2-{\theta }_1;$当时，第一终端(1)在俯仰方向不需要补偿；当时，第一终端(1)在俯仰方向每秒钟需要补偿的角度方向为向上方向；当时，第一终端(1)在俯仰方向每秒钟需要补偿的角度方向为向下方向；步骤9、根据与步骤8相同的原理和方法计算第二终端(2)在水平方向每秒钟需要补偿的角度值及其方向，计算第二终端(2)在俯仰方向每秒钟需要补偿的角度值及其方向。