一种基于卫星导航的飞机数字化着舰系统的制作方法

本发明涉及一种基于卫星导航的飞机数字化着舰系统，属于飞机进近导航定位着舰技术领域。

背景技术：

在军事战略中航母被视为海军的核心力量，作为海上移动机场是航母的重要价值之一，如何改进和提高飞机尤其是舰载无人机的自动化着舰引导能力，特别是在夜间和恶劣天气的着舰引导作业能力是航母技术发展的重要内容。

目前，雷达、光电、卫星是飞机着舰引导技术的三种主要手段。雷达技术相对成熟，但在无线电干扰、静默情况下着舰引导使用受到限制；光电技术应用普遍，但环境要求较高，在低能见度下着舰引导使用效果不佳；卫星技术设备相对简单，但严重依赖天基卫星，信号完好性差，且容易受到干扰。目前我国的北斗卫星导航系统发展日趋成熟，为基于卫星导航的安全通用型着舰引导技术提供了可靠地保障。

国内从上世纪80年代起已开始着手研究航母着舰技术，并陆续发表了一些文章。但从总体来看，资料仍相对较少，特别是若干关键技术都没有公开说明，且现有的研究都仅侧重于雷达引导技术，而对于飞机着舰引导系统和机－舰战术信息传输系统的研究，仍处于起步状态。

我国的第一艘航母“辽宁”号已经装备海军部队，并配备了歼15飞机。据了解“辽宁”号航母配备的飞机着舰引导系统采用的是激光测距仪和北斗/gps测向系统相结合的技术。激光测距仪安装在飞机上，激光反射镜安装在航母的特定位置，当飞机临近航母时，用激光照射航母上的激光反射镜，得到飞机到航母的距离。航母上的北斗/gps测向系统可以实时测量航母的运动方向，并传送给飞机，飞机上的测向系统结果与舰上的测向结果相比较，以确定飞机的着舰方向。

飞机着舰涉及到精密动态定位、定向、测速、测姿等方面的技术问题，目前，基于卫星导航的测量技术已经具有了解决上述技术问题的能力，利用北斗/gps技术进行自动着舰引导系统开发应用是可行的。但是，基于导航卫星的着舰引导系统是一项综合应用上述技术的系统工程，目前，我国还没有单位研制出相应的产品。

信息化时代的技术发展迫切需要进一步探索能以较为先进的技术理论，相对更简单的技术方法和更经济的方式实现航母着舰的测控引导，进一步提高航母的作战能力。目前多领域通用是飞机发展的重要途径。特别是实现陆基与飞机的通用化、快速衔接是着舰技术领域的技术难关。美国jpals同时发展了陆基和舰基两个通用化版本。但是其系统复杂、精度较低、且不能实现陆基和舰基的完美切换，且增加了两倍的硬件成本，大幅增加了飞机的重量。

技术实现要素：

为弥补上述领域存在的不足，本发明提供一种基于导航卫星的航母飞机数字化着舰系统，为国内航母飞机着舰系统的发展添砖加瓦，提高了飞机的着舰精度，实现了飞机的数字化全自动着舰，且能简单的实现陆基和舰基切换。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于导航卫星的飞机数字化着舰系统，包括设于舰船的主系统和设于飞机的辅助系统，所述主系统和辅助系统均包括软件系统和硬件系统；

所述主系统的硬件系统包括设于舰船甲板上的至少3个不在同一直线上的舰船gnss基准站；所述主系统的软件系统将所述舰船gnss基准站中的一个设为主基准站；

所述主系统的软件系统包括舰船导航定位信息获取模块、舰船实时姿态信息获取模块、坐标转换模块、差分信息获取模块和信息发播模块；

所述舰船导航定位信息获取模块以主基准站的单点定位信息为准，获取舰船导航卫星坐标信息；

所述舰船实时姿态信息获取模块通过所述主基准站与其余舰船gnss基准站组成短基线解进行坐标解算，进而得到舰船甲板的实时姿态信息；

所述坐标转换模块建立以舰船甲板平面作为基准平面的三维舰船动态坐标系，所述三维舰船动态坐标系的横轴与纵轴设于所述甲板平面或者所述三维舰船动态坐标系的横轴与纵轴所确定的平面始终平行于所述甲板平面，所述三维舰船动态坐标系的高度轴始终垂直于所述甲板平面；所述三维舰船动态坐标系的坐标原点的定位数据基准以舰船导航卫星坐标信息数据为准；

所述差分信息获取模块根据所述舰船导航卫星坐标信息数据，实时解算出导航卫星坐标系与三维舰船动态坐标系之间的坐标转换信息；

所述信息发播模块实时发播所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息；所述信息发播模块可通过5g通信模块进行实时发播。

所述辅助系统的硬件系统包括设于飞机上的至少两台gnss接收机；所述辅助系统的软件系统包括飞机定位信息获取模块和飞行姿态信息获取模块，所述飞机定位信息获取模块通过所述gnss接收机接收所述信息发播模块实时发播的所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息，将所述gnss接收机的位置信息换算到所述三维舰船动态坐标系中，获取所述gnss接收机在所述三维舰船动态坐标系中的实时相对定位坐标信息；所述飞机姿态信息获取模块通过至少两台所述gnss接收机在所述三维舰船动态坐标系中的实时相对定位坐标信息获取所述飞机在所述三维舰船动态坐标系中的实时飞行姿态信息；

在舰船三维动态坐标系中，飞机的飞行控制系统以飞机动态-舰船甲板静态的模式调整飞机的相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息使飞机与舰船甲板平台的运动模式相匹配。

作为优选，所述三维舰船动态坐标系的横轴设于所述飞机着舰甲板的边缘或着舰跑道上的拦阻索在舰船甲板上的投影，纵轴设于舰船甲板的着舰跑道中心线，高度轴垂直于所述纵轴和横轴并与二者相交于所述三维舰船动态坐标系的坐标原点，将所述三维舰船动态坐标系的坐标原点的坐标值设为(0,0,0)，并以此为基准将飞机的实时相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息显示在所述飞机的飞行控制系统中。

作为优选，每个所述舰船gnss基准站的gnss卫星天线均安装在位于舰船甲板四个角的云台上。

作为优选，所述飞机定位信息获取模块接收舰船主基准站发播的rtk差分信息并进行差分计算，得到飞机高精度的实时定位数据；所述飞行姿态信息获取模块同时用至少两台飞机gnss接收机在所述三维舰船动态坐标系中的实时相对定位坐标信息计算飞机的实时飞行姿态信息，所述实时飞行姿态信息包括飞行方向数据和俯仰角度数据。

作为优选，所述飞机的实时相对定位坐标信息包括相对于三维舰船动态坐标系坐标原点的所述飞机的位置坐标数据和速度数据，所述飞机的飞行方向数据包括相对于三维舰船动态坐标系的方位偏差数据；所述方位偏差数据是指所述飞机相对于所述纵轴方向的横向偏离角度数据，所述俯仰角度数据是指所述飞机相对于所述纵轴方向的高度轴向角度数据；所述位置坐标数据是指所述飞机相对于三维舰船动态坐标系坐标原点的水平距离数据和垂直高度数据。

作为优选，所述信息发播模块通过数据通信链路向临近舰船的飞机发播所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息，同时飞机通过数据通信链路向舰船回传所述飞机的相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息，实现飞机与舰船之间的信息交互。作为优选，所述飞机为舰载有人驾驶飞机或无人机。所述数据通信链路可为5g通信链路。

作为优选，所述横轴为第一道拦阻索。

作为优选，所述舰船gnss基准站为4个，分别设置于所述舰船甲板的四个角所在位置。

作为优选，所述舰船三维动态坐标系为高斯投影坐标系。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述的基于导航卫星的飞机数字化着舰系统针对我国现有航母着舰引导系统技术的弱点，建立以舰船甲板平面为基准平面的三维舰船动态坐标系，获取舰船甲板相对于该三维舰船动态坐标系的实时姿态信息，并向进近飞机实时发播实时所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息，进而得到飞机在三维舰船动态坐标系中相对于舰船甲板的实时相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息，整个过程相当于把飞机与舰船的“动-动”运动模式，变为易于操控的“动-静”运动关系，且全程使用数字化测量方式，使得飞机相对于航母甲板在水平和垂直面上的测量精度能够达到厘米级。且该基于导航卫星的飞机数字化着舰系统与传统的着舰系统相结合，可以将导航、防撞、通信、进近、着舰、复飞等一系列功能融为一体，形成综合化着舰引导系统；

2、本发明所述的基于导航卫星的飞机数字化着舰系统是一个完全数字化的系统，具有测量精度高、应用设备少、抗电磁波干扰性强，成本低、易维护的优点，适合于全天候及恶劣天气下运行；

3、本发明所述的基于导航卫星的飞机数字化着舰系统的辅助系统可移植到舰载无人机系统中，进一步增强航母的空中战斗力。而且该技术可以很容易应用于陆基机场的飞机自动着陆引导，尤其是当出现极端恶劣天气时。另外，如果导航卫星系统失效，还可以利用地基伪卫星定位系统代替导航卫星系统，为飞机在机场起降提供类似的导航定位服务，提高了陆基机场的自动着陆的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种基于导航卫星的飞机数字化着舰系统的总体方案示意图；

图2是本发明一种基于导航卫星的飞机数字化着舰系统的模块化流程示意图。

图中各标号列示如下：1—主系统；11—坐标原点；12—跑道中心线；13—舰船gnss基准站；131—主基准站；14—主系统的软件系统；

2—辅助系统；21—辅助系统的硬件系统；211—gnss接收机；

3—信息发播模块；

4—卫星。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

一种基于导航卫星的飞机数字化着舰系统，如图1-2所示，包括设于舰船的主系统1和设于飞机的辅助系统2，所述主系统1和辅助系统2均包括软件系统和硬件系统；所述主系统1的硬件系统包括设于舰船甲板上的至少3个不在同一直线上的舰船gnss基准站13；所述主系统1的软件系统将所述舰船gnss基准站13中的一个设为主基准站131；

所述主系统1的软件系统包括舰船导航定位信息获取模块、舰船实时姿态信息获取模块、坐标转换模块、差分信息获取模块和信息发播模块；

所述舰船导航定位信息获取模块以主基准站的单点定位信息为准，获取舰船导航卫星坐标信息；

所述舰船实时姿态信息获取模块通过所述主基准站131与其余舰船gnss基准站组成短基线进行坐标解算，由于主基准站131与其余舰船gnss基准站不在同一直线上，进而可以通过所述坐标解算得到舰船甲板的实时姿态信息；具体的可以在所述舰船甲板的四个角所在位置设置4个gnss基准站，其中任一个gnss基准站均可作为主基准站131，主基准站131一旦确定，也将其作为飞机位置测量的rtk参考站，可以通过信息发播模块3向飞机发播飞机相对于三维舰船动态坐标系的rtk信息。其余舰船gnss基准站，不管舰船转向、前进、升沉，还是横向摇动、纵向摇动，均可获得其实时动态数据，然后与主基准站组成短基线进行坐标解算，形成高精度基线网络，以便于建立三维舰船动态坐标系，并得到舰船甲板的实时姿态信息，提高舰船的实时动态测量精度。

所述坐标转换模块建立以舰船甲板平面作为基准平面的三维舰船动态坐标系，所述三维舰船动态坐标系的横轴与纵轴设于所述甲板平面或者所述三维舰船动态坐标系的横轴与纵轴所确定的平面始终平行于所述甲板平面，所述三维舰船动态坐标系的高度轴始终垂直于所述甲板平面；所述三维舰船动态坐标系的坐标原点11的定位数据基准以舰船导航卫星坐标信息数据为准；也即是说所述三维舰船动态坐标系的定位数据的坐标基准以主基准站131的实时单点定位结果为准，可以实时解算出导航卫星坐标系与舰船三维动态坐标系之间的转换参数。作为优选，所述三维舰船动态坐标系的横轴设于所述舰船着舰跑道上的拦阻索在舰船甲板上的投影或甲板的边缘，纵轴设于舰船甲板的着舰跑道中心线12，高度轴垂直于所述纵轴和横轴并与二者相交于所述三维舰船动态坐标系的坐标原点11，将所述三维舰船动态坐标系的坐标原点的坐标值设为(0,0,0)，并以此为基准将飞机的实时相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息显示在所述飞机的飞行控制系统中。

所述差分信息获取模块根据所述舰船导航卫星坐标信息数据，实时解算出导航卫星坐标系与三维舰船动态坐标系之间的坐标转换信息；

所述信息发播模块3可通过5g或4g或其他通信模块，实时发播所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息；

所述辅助系统2的硬件系统21包括设于飞机上的至少两台gnss接收机211；

所述辅助系统2的软件系统包括飞机定位信息获取模块和飞行姿态信息获取模块，所述飞机定位信息获取模块通过所述gnss接收机211接收所述信息发播模块实时发播的所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息，将所述gnss接收机211的位置信息换算到所述三维舰船动态坐标系中获取所述gnss接收机在所述三维舰船动态坐标系中的实时相对定位坐标信息；所述飞机姿态信息获取模块通过至少两台所述gnss接收机在所述三维舰船动态坐标系中的实时相对定位坐标信息获取所述飞机在所述三维舰船动态坐标系中的实时飞行姿态信息。

在舰船三维动态坐标系中，飞机的飞行控制系统或飞行员以飞机动态-舰船甲板静态的模式调整飞机的相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息使飞机与舰船甲板平台的运动模式相匹配。特别是在飞机的待机和进场阶段，也就是飞机进近舰船时，大幅简化飞行员或飞机的飞行控制系统对飞机的控制量，并提高了着舰准确度。且全程使用数字化测量方式，具有测量精度高、应用设备少、抗电磁波干扰性强，成本低、易维护的优点，使得飞机相对于舰船甲板在水平面和垂直面上的测量精度能够达到厘米级，适合于全天候及恶劣天气下运行。且该基于导航卫星的飞机数字化着舰系统与传统的着舰系统相结合，可以将导航、防撞、通信、进近、着舰、复飞等一系列功能融为一体，形成综合化着舰引导系统。

作为优选，每个所述舰船gnss基准站的gnss卫星天线均安装在设于甲板四角的云台上，以保持gnss卫星天线始终处于水平状态，保证观测数据的准确有效。

作为优选，所述飞机定位信息获取模块接收舰船主基准站131发播的rtk差分信息并进行差分计算，得到飞机高精度的实时定位数据；所述飞行姿态信息获取模块同时用至少两台飞机gnss接收机211在所述三维舰船动态坐标系中的实时相对定位坐标信息计算飞机的实时飞行姿态信息，所述实时飞行姿态信息包括飞行方向数据和俯仰角度数据。

飞机gnss接收机211均能接收卫星导航数据，其中位于前端的飞机gnss接收机具有rtk定位功能，能够根据舰船主基准站131的rtk差分信息进行高精度定位，得到飞机相对定位信息，同时将两台飞机gnss接收机211接收到的飞机卫星导航数据进行实时测量计算得到飞机的实时飞行姿态信息，所述实时飞行姿态信息包括飞行方向数据和俯仰角度数据。由于飞机的实时相对定位信息、飞行方向数据和俯仰角度数据是在三维舰船动态坐标系中的飞机实时相对定位信息、飞行方向数据和飞机俯仰角度数据，进而飞行员或飞行控制系统根据以上数据迅速调整飞机的飞行速度、方向和姿态，实现在飞机相对于静止的舰船的动-静模式下调整飞机相对于舰船的实现相对同步飞行姿态。

作为优选，所述飞机的实时相对定位坐标信息包括相对于舰船三维舰船动态坐标系坐标原点11的所述飞机的位置坐标数据和速度数据，所述飞机飞行方向数据包括相对于在三维舰船动态坐标系的方位偏差数据；所述方位偏差数据是指所述飞机相对于所述纵轴方向的横向偏离角度数据，所述俯仰角数据是指所述飞机相对于所述纵轴方向的高度轴向角度数据。

作为优选，所述信息发播模块通过数据通信链路向临近舰船的飞机发播所述舰船导航卫星坐标信息、所述舰船甲板的实时姿态信息、所述坐标转换信息和主基准站的rtk差分信息，同时飞机通过数据通信链路向舰船回传所述飞机的相对定位坐标信息和实时飞行姿态信息，实现飞机与舰船之间的信息交互。

作为优选，所述飞机为舰载有人机或无人机。本发明所述的基于导航卫星的飞机数字化着舰系统的辅助系统可移植到舰载无人机系统中，进一步增强航母的空中战斗力。而且该技术可以很容易应用于陆基机场的飞机自动着陆引导，尤其是当导航卫星系统因故失效时，可以利用地基伪卫星定位系统代替导航卫星系统，为飞机在机场起降提供类似的导航定位服务，提高了陆基机场的自动着陆可靠性。

作为优选，所述横轴为第一道拦阻索。

作为优选，所述舰船三维动态坐标系为高斯投影坐标系。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。