基于信号极化三维平稳性的飞行器姿态估计
2016-12-27 来源：南京航空航天大学 作者：黄海行， 陈广东， 陈 智
摘 要 以电磁波为参照的飞行器姿态测量研究， 可弥补空间参照物缺乏， 丰富姿态测量手段。利用３ 个正交电（磁） 场传感器接收电磁波三维电（磁） 信号， 测量运动平台姿态。该方法根据姿态参数估计的ＣＲＢ （克拉美—罗界） 是否为有限值， 判断该环境电磁波信号能否用于运动平台姿态测量； 根据基准姿态与实时姿态互相关矩阵变化， 估计得到实时天线坐标系到基准天线坐标系的转换矩阵， 据此将实时姿态坐标系下的运动平台姿态， 转换到基准姿态坐标系下， 再转换到地理坐标系下， 完成运动平台姿态感知。电磁波信号可以为独立或相干信号， 波达方向和极化状态任意， 可不受多径效应困扰。仿真试验表明该方法稳定有效。
关键词 电磁矢量传感器； 极化状态； 波达方向； 姿态导航
０.引言
人造的和自然界的各种电磁波充斥着地球表面和太空，这些电磁波信息与接收平台姿态具有密切关联性，电磁波提供的姿态基准不受运动平台姿态及其运动影响，可以像利用地磁场指南那样利用电磁波测量运动平台姿态。国内外都研究在地球卫星导航系统接收端，利用多点接收、三角计算的方法感知姿态［１－９］ ，缺点是体积大、精度低、系统复杂和速度慢，影响了该技术的推广应用。本文利用３ 个正交电（磁）场传感器接收电磁波三维电（磁）信号测量运动平台姿态，可以单点测量飞行器姿态，接收信号既可以相互独立，也可以相干，信号数任意，波达方向和极化状态任意，各信号强弱任意，因此不受多径效应困扰，既可以利用主动发射电磁波信号，也可以被动接收空间分布的广播电磁波信号测量姿态，提高了系统的隐蔽性，进一步揭示了电磁波测量姿态的能力。
１.信号模型
图１ 极化电磁波椭圆状旋转电场波结构
电磁矢量传感器接收单元示意图如图２ 所示。全电磁矢量传感器包含３ 个正交电场和３ 个正交磁场接收单元。
图２ 电磁矢量传感器接收单元示意
３个正交电场传感器为３ 正交偶极子天线，在基准姿态从第ｎ 信号源接收到的信号导向矢量表达为［１０］ ：
２.姿态测量基本原理
电磁矢量传感器安装在姿态变化的运动平台上，选取运动平台的某一姿态为基准姿态，标定好基准姿态平台天线坐标系与大地坐标系的关系。接收机天线平台运动会改变天线姿态，使空间姿态有关
３.参数估计算法
接收信号可以为相干信号，不受多径效应困扰，信号总数Ｎ 可以为１ 到无穷大，波达方向和极化状态任意，各信号强弱任意。对接收电磁波环境的要求是式（３）确定的ＣＲＢ 为有限值；接收极化三维电（磁）信号互相关矩阵在解除接收姿态旋转变化影响后保持平稳，即运动平台测量姿态所处时、空、频、极化域，信号二次统计特性不变。因此本文既可以主动利用发射电磁波信号，也可以被动利用空间分布的广播电磁波信号测量姿态，提高了系统的隐蔽性。
４.姿态测量具体实施步骤
姿态测量具体实施步骤如下：
① 确定运动平台基准姿态坐标系与大地坐标系转换关系。
② 在运动平台基准姿态以极化敏感的电磁矢量传感器中的３ 个正交电（磁）场传感器接收电磁波信号，估计三维电（磁）信号互相关矩阵。计算姿态参数估计的ＣＲＢ（克拉美—罗界）是否为有限值，判断该环境电磁波信号能否用于运动平台姿态测量。
该步骤对电（磁）极化三维特征进行学习评估，在单一接收点以极化敏感的电磁矢量传感器中的３ 个正交电（磁）场传感器在基准姿态接收电磁波信号，选取时间ｔ 中的Ｋ 个采样点采样ｋ ＝ １，２，…，Ｋ次，计算估计值为：
充分采样才能获得精确的估计值，对于主动发射的电磁波，也可以通过理论计算估计Ｒ＾ Ｙ 。
③ 在运动平台实时姿态以极化敏感的电磁矢量传感器中的３ 个正交电（磁）场传感器接收电磁波信号，计算估计三维电（磁）信号互相关矩阵。对实时姿态和基准姿态互相关矩阵ＲＹ′和ＲＹ ，进行特征植分解，根据各自特征值比例是否近似相等，初略判断该环境电磁波信号是否平稳。
５.仿真实验
６.结束语
测控技术利用电磁波时域信息测距，频域信息测速，空域信息测方位，极化域信息却没有得到深入研究和利用，本文正是在这一领域展开探索，只需运动平台上有单一接收点，就可实现姿态／ 航向感知，系统可微型化，信号不受多径效应困扰，既可以利用主动发射电磁波信号，也可以被动接收空间分布的广播电磁波信号测量姿态，提高了系统的隐蔽性。适用于空或天飞行器
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