高精度运动目标测量系统及方法
【专利摘要】本发明提出了一种高精度运动目标测量系统及方法，包括：用户地面监控设备用于接收地面用户输入的控制指令，并将控制指令发送至地面站；地面站用于将控制指令和预设的差分改正数据发送至机载站；机载站用于在接收到控制指令后，向用户机载设备转发控制指令以及载机的当前时间、位置及速度信息；用户机载设备获取当前的设备状态信息并反馈至机载站；机载站将上述信息发送至地面站；地面站根据载机的位置信息计算机载站相对地面站的北天东坐标信息，并反馈至用户地面监控设备，以由用户地面监控设备获取运动中的载机的坐标和速度信息。本发明可以实现对飞行中的运动目标的精确定位和测速。
【专利说明】
高精度运动目标测量系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及运动目标测量技术领域，特别涉及一种高精度运动目标测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]现有的运动目标测量方法，主要是针对于地面上运动目标的定位，技术集中在将运动目标和背景环境进行分割，但是对空中运动目标，例如无人机、战斗机的坐标定位的研究较少。
[0003]专利CN 104484870A公开了一种校验飞机定位方法，该方法校验飞机的当前姿态信息，实现对飞机的精确定位，弥补了基于GPS的定位技术在精度、可靠性等方面的缺陷。但是，该专利是借助外部的跑道入口图像进行飞机定位，而没有实现对空中飞行的运动目标的精确定位。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
[0005]为此，本发明的目的在于提出一种高精度运动目标测量系统及方法，可以实现对飞行中的运动目标的精确定位和测速。
[0006]为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种高精度运动目标测量系统，包括:机载站、用户机载设备、地面站和用户地面监控设备，其中，所述机载站与所述用户机载设备双向通信，且均位于载机上;所述地面站和所述用户地面监控设备双向通信，且均位于地面上，所述用户地面监控设备用于接收地面用户输入的控制指令，并将所述控制指令进行解析、重新打包成指定数据协议格式的文件发送至所述地面站;所述地面站用于将所述控制指令和预设的差分改正数据发送至所述机载站;所述机载站用于在接收到所述控制指令后，向所述用户机载设备转发所述控制指令以及所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息;所述用户机载设备根据所述控制指令及所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，获取当前的设备状态信息，并将所述设备状态信息反馈至所述机载站;所述机载站进一步将所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至所述地面站;所述地面站根据所述载机的位置信息计算所述机载站相对地面站的北天东坐标信息，并将所述北天东坐标信息、所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、所述用户机载设备的设备状态信息反馈至所述用户地面监控设备，以由所述用户地面监控设备获取运动中的载机的坐标和速度信息。
[0007]进一步，所述用户地面监控设备发出的控制指令包括:机载站配置指令、用户机载设备状态信息获取指令和雷达标校指令。
[0008]进一步，所述差分改正数据包括:基准站参数、基准站观测信息和差分改正信息，支持RTCM 2.1，2.3，3.0，3.1，CMR，CMR+和RTCA差分数据协议;所述载机的工作状态信息包括:所述载机的自检状态、定位状态、解算状态、数据记录状态及收星数量。
[0009]进一步，还包括:位于地面上的数据接收站，所述数据接收站与所述用户地面监控设备单向通信，用于接收来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，并转发至所述用户地面监控设备，以实现对所述设备状态信息、当前时间、位置、速度及工作状态信息的备份。
[0010]进一步，还包括:手持监测站，所述手持监测站与所述机载站进行通信，用于接收来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置及速度信息，以在机场飞机起飞前，通过所述手持监测站实时获取所述载机的相关信息，监测机载站工作是否正常，以避免空飞现象。
[0011]进一步，所述用户地面监控设备采用个人计算机PC，将所述北天东坐标信息、所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、所述用户机载设备的设备状态信息实时显示，以提供给所述用户查看和监控。
[0012]本发明另一方面的实施例还提供一种高精度运动目标测量方法，包括如下步骤:
[0013]步骤SI，由位于地面的用户地面监控设备接收用户输入的控制指令，并将所述控制指令进行解析、重新打包成指定数据协议格式的文件转发至地面站；
[0014]步骤S2，地面站将所述控制指令和预设的差分改正数据发送至位于载机上的机载站；
[0015]步骤S3，所述机载站将所述控制指令以及获取的所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至位于载机上的用户机载设备；
[0016]步骤S4，所述用户机载设备根据所述控制指令及所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，获取当前的设备状态信息，并将所述设备状态信息反馈至所述机载站；
[0017]步骤S5，所述机载站将所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至所述地面站；
[0018]步骤S6，所述地面站根据所述载机的位置信息计算所述机载站相对地面站的北天东坐标信息，并将所述北天东坐标信息、所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、所述用户机载设备的设备状态信息反馈至所述用户地面监控设备，以由所述用户地面监控设备获取运动中的载机的坐标和速度信息。
[0019]进一步，在所述步骤S4之后，还包括如下步骤:
[0020]由位于地面上的数据接收站将来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，转发至所述用户地面监控设备，以实现对所述设备状态信息、当前时间、位置及速度信息的备份。
[0021 ] 进一步，在所述步骤S4之后，还包括如下步骤:
[0022]由用户携带的手持监测站将来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置及速度信息，以在机场飞机起飞前，通过所述手持监测站实时获取所述载机的相关信息，监测机载站工作是否正常，以避免空飞现象。
[0023]根据本发明实施例的高精度运动目标测量系统及方法，通过在载机上配置机载站和用户机载设备，在地面上配置地面站和用户地面监控设备，分别构成上、行通道，可以实现地面用户的控制指令由上行通道传输给载机上的用户机载设备，再将用户机载设备返回的信息由下行通道返回至地面的用户地面监控设备、数据接收站和手持监测站等，通过返回数据计算得到载机的坐标和速度信息，从而实现对载机坐标的精确定位和测速。
[0024]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0025]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0026]图1为根据本发明一个实施例的高精度运动目标测量系统的结构框图；
[0027]图2为根据本发明另一个实施例的高精度运动目标测量系统的结构框图；
[0028]图3为根据本发明又一个实施例的高精度运动目标测量系统的结构框图；
[0029]图4为根据本发明实施例的高精度运动目标测量方法的流程图；
[0030]图5为根据本发明实施例的机载站相对地面站的东北天坐标的计算流程图。
【具体实施方式】
[0031]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]如图1所示，本发明实施例的高精度运动目标测量系统，包括:机载站1、用户机载设备2、地面站3和用户地面监控设备4。其中，机载站I和用户机载设备2位于载机10上，地面站3和用户地面监控设备4位于地面上，机载站I和用户机载设备2双向通信，地面站3和用户地面监控设备4双向通信。
[0033]具体地，用户地面监控设备4用于接收地面用户输入的控制指令，并将控制指令进行解析、重新打包成指定数据协议格式的文件发送至地面站3。
[0034]在本发明的一个实施例中，控制指令包括:机载站I的配置指令、用户机载设备2的状态信息获取指令和雷达标校指令。
[0035]地面站3用于将控制指令和预设的差分改正数据发送至机载站I。其中，差分改正数据包括:基准站参数、基准站观测信息和差分改正信息，支持RTCM 2.1，2.3，3.0，3.1，CMR，CMR+和RTCA差分数据协议。
[0036]具体地，地面站3配有显示屏。地面站3上内置web服务器，例如可通过IE等标准浏览器，由人工设置机载站I的差分配置信息和参数配置信息，并且可以通过显示屏实时显示系统运行参数和状态。
[0037]机载站I用于在接收到控制指令后，向用户机载设备2转发控制指令以及载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息。
[0038]用户机载设备2根据控制指令及载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，获取当前的设备状态信息，并将设备状态信息反馈至机载站I。其中，载机的工作状态信息包括:载机的自检状态、定位状态、解算状态、数据记录状态及收星数量。需要说明的是，工作状态信息还包括载机的其他状态信息，在此不再赘述。
[0039]在本发明的一个实施例中，设备状态信息为表征用户机载设备2状态的相关信息，其具体内容和格式由用户进行定义，根据用户的不同，设备状态信息也相应调整。用户可以预先设置对该设备状态信息进行加密，例如，设备状态信息在传输过程中始终以二进制形式存在，并在到达用户地面监控设备4后，由用户地面监控设备4进行解密查看。
[0040]机载站I进一步将用户机载设备2的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至地面站3。
[0041 ]地面站3根据载机的位置信息计算机载站I相对地面站的北天东坐标信息，并将北天东坐标信息、载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、用户机载设备2的设备状态信息反馈至用户地面监控设备4，以由用户地面监控设备4获取运动中的载机的坐标和速度信息。地面站3通过显示屏实时显示机载站I相对地面的北天东坐标信息，载机10的当前时间、位置、速度及工作状态信息、用户机载设备2的设备状态信息等。
[0042]下面参考图5对机载站I相对地面站3的东北天坐标计算过程进行说明。
[0043]步骤S501，获取机载站I在WGS84坐标系下的经玮高。
[0044]在本步骤中，根据载机的位置信息，获取机载站1(位于载机上)在WGS84坐标系下的经度、玮度和高度。
[0045]步骤S502，计算机载站I在ECEF坐标系下的XYZ坐标。
[0046]将机载站I在WGS84坐标系下的经度、玮度和高度转换为ECEF坐标系下的XYZ坐标。
[0047]步骤S503，获取地面站3在WGS84坐标系下的经玮高。
[0048]步骤S504，计算以地面站3为原点的站心空间直角坐标(即东北天坐标)。
[0049]根据步骤S502中的机载站I的坐标和步骤S503中的地面站3的坐标，计算以地面站3为原点的机载站I的站心空间直角坐标(东北天坐标)，即机载站I相对地面站3的东北天坐标。
[0050]步骤S505，计算以地面站3为原点的站心极坐标。
[0051 ] 在本步骤中，计算以地面站3为原点的机载站I的站心极坐标，即机载站I相对地面站的站心极坐标，包括:距地面站3的距离、高低角和方位角等信息。
[0052]优选的，地面站3的显示屏选用5吋液晶屏，分辨率800(RGB)x480。液晶屏电路的led data线可以与系统启动模式配置线复用。
[0053]在本发明的一个实施例中，机载站I和地面站3的中心控制板均可以选择型号为TIam335xD的飞凌嵌入式开发板，开发平台为TI AM3354处理器，配置参数如下:运行主频800MHz，内存为512M RAM，256M Flash，12Bit地址线，16Bit数据线，6路串 P，I路SD卡，I路RS485总线，外置RTC芯片，JTAG调试口等多路数据接口，满足高精度运动目标坐标测量系统接口众多的需求。
[0054]需要说明的是，地面站3采用AC220V供电，内部的两路开关电源，分别将220V交流电转换为3.3V直流电和12V直流电，以向地面站3内相应的单元供电。
[0055]机载站I采用DC18?36V宽电压供电，内部的两路开关电源，分别将18?36V转换为3.3V直流电和12V直流电，以向机载站I内相应的单元供电。
[0056]在本发明的一个实施例中，用户地面监控设备4采用个人计算机PC，将北天东坐标信息、载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、用户机载设备2的设备状态信息实时显示，以提供给用户查看和监控。
[0057]进一步，如图2所示，本发明实施例的高精度运动目标测量系统，还包括:数据接收站5。其中，数据接收站5位于地面上，且与用户地面监控设备4单向通信。即，数据接收站5单向的向用户地面监控设备4发送数据。
[0058]具体地，数据接收站5接收来自机载站I的用户机载设备2的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，并转发至用户地面监控设备4，以实现对设备状态信息、当前时间、位置、速度及工作状态信息的备份。
[0059]需要说明的是，数据接收站5的硬件结构与地面站3类似，二者区别在于:地面站3与用户监控设备4可以双向通信，数据接收站5与用户监控设备4单向通信。地面站3可以与需要与机载站I进行交互的用户监控设备进行双向通信，而数据接收站5则可以与仅需要被动接收机载站I的数据的设备进行单向通信，地面站3与数据接收站5可以同时工作，向不同的设备对象提供机载站I的数据。
[0060]进一步，如图3所示，本发明实施例的高精度运动目标测量系统，还包括:手持监测站6。其中，手持监测站6与机载站I进行通信，用于接收来自机载站I的用户机载设备2的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，以在机场飞机起飞前，通过手持监测站6实时获取载机的相关信息，监测机载站工作是否正常，以避免空飞现象。
[0061]如图4所示，本发明实施例还提供一种高精度运动目标测量方法，包括如下步骤:
[0062]步骤SI，由位于地面的用户地面监控设备接收用户输入的控制指令，并将控制指令进行解析、重新打包成指定数据协议格式的文件转发至地面站。
[0063]步骤S2，地面站将控制指令和预设的差分改正数据发送至位于载机上的机载站。
[0064]步骤S3，机载站将控制指令以及获取的载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至位于载机上的用户机载设备。
[0065]步骤S4，用户机载设备根据控制指令及载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，获取当前的设备状态信息，并将设备状态信息反馈至机载站。
[0066]步骤S5，机载站将用户机载设备的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至地面站。
[0067]步骤S6，地面站根据载机的位置信息计算机载站相对地面站的北天东坐标信息，并将北天东坐标信息、载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、用户机载设备的设备状态信息反馈至用户地面监控设备，以由用户地面监控设备获取运动中的载机的坐标和速度信息。
[0068]此外，在步骤S4之后，还可以包括如下步骤:
[0069]由位于地面上的数据接收站将来自机载站的用户机载设备的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，转发至用户地面监控设备，以实现对设备状态信息、当前时间、位置、速度及工作状态信息的备份。
[0070]由用户携带的手持监测站将来自机载站的用户机载设备的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，以在机场飞机起飞前，通过手持监测站实时获取载机的相关信息，监测机载站工作是否正常，以避免空飞现象。
[0071]需要说明的是，数据接收站、地面站和手持监测站可以同时或分别接收来自机载站的用户机载设备的设备状态信息和载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息。
[0072]根据本发明实施例的高精度运动目标测量系统及方法，通过在载机上配置机载站和用户机载设备，在地面上配置地面站和用户地面监控设备，分别构成上、行通道，可以实现地面用户的控制指令由上行通道传输给载机上的用户机载设备，再将用户机载设备返回的信息由下行通道返回至地面的用户地面监控设备、数据接收站和手持监测站等，通过返回数据计算得到载机的坐标和速度信息，从而实现对载机坐标的精确定位和测速。
[0073]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0074]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
【主权项】
1.一种高精度运动目标测量系统，其特征在于，包括:机载站、用户机载设备、地面站和用户地面监控设备，其中，所述机载站与所述用户机载设备双向通信，且均位于载机上;所述地面站和所述用户地面监控设备双向通信，且均位于地面上， 所述用户地面监控设备用于接收地面用户输入的控制指令，并将所述控制指令进行解析、重新打包成指定数据协议格式的文件发送至所述地面站； 所述地面站用于将所述控制指令和预设的差分改正数据发送至所述机载站； 所述机载站用于在接收到所述控制指令后，向所述用户机载设备转发所述控制指令以及所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息； 所述用户机载设备根据所述控制指令及所述载机的当前时间、位置速度及工作状态信息，获取当前的设备状态信息，并将所述设备状态信息反馈至所述机载站； 所述机载站进一步将所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至所述地面站； 所述地面站根据所述载机的位置信息计算所述机载站相对地面站的北天东坐标信息，并将所述北天东坐标信息、所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、所述用户机载设备的设备状态信息反馈至所述用户地面监控设备，以由所述用户地面监控设备获取运动中的载机的坐标和速度信息。2.如权利要求1所述的高精度运动目标测量系统，其特征在于，所述用户地面监控设备发出的控制指令包括:机载站配置指令、用户机载设备状态信息获取指令和雷达标校指令。3.如权利要求1所述的高精度运动目标测量系统，其特征在于，所述差分改正数据包括:基准站参数、基准站观测信息和差分改正信息，支持RTCM 2.1，2.3，3.0，3.1，CMR，CMR+和RTCA差分数据协议； 所述载机的工作状态信息包括:所述载机的自检状态、定位状态、解算状态、数据记录状态、及收星数量。4.如权利要求1所述的高精度运动目标测量系统，其特征在于，还包括:位于地面上的数据接收站，所述数据接收站与所述用户地面监控设备单向通信，用于接收来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，并转发至所述用户地面监控设备，以实现对所述设备状态信息、当前时间、位置及速度信息的备份。5.权利要求1或4所述的高精度运动目标测量系统，其特征在于，还包括:手持监测站，所述手持监测站与所述机载站进行通信，用于接收来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，以在机场飞机起飞前，通过所述手持监测站实时获取所述载机的相关信息，监测所述机载站工作是否正常，以避免空飞现象。6.如权利要求1所述的高精度运动目标测量系统，其特征在于，所述用户地面监控设备采用个人计算机PC，将所述北天东坐标信息、所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、所述用户机载设备的设备状态信息实时显示，以提供给所述用户查看和监控。7.一种高精度运动目标测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤SI，由位于地面的用户地面监控设备接收用户输入的控制指令，并将所述控制指令进行解析、重新打包成指定数据协议格式的文件转发至地面站； 步骤S2，地面站将所述控制指令和预设的差分改正数据发送至位于载机上的机载站；步骤S3，所述机载站将所述控制指令以及获取的所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至位于载机上的用户机载设备； 步骤S4，所述用户机载设备根据所述控制指令及所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，获取当前的设备状态信息，并将所述设备状态信息反馈至所述机载站； 步骤S5，所述机载站将所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息发送至所述地面站； 步骤S6，所述地面站根据所述载机的位置信息计算所述机载站相对地面站的北天东坐标信息，并将所述北天东坐标信息、所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息、所述用户机载设备的设备状态信息反馈至所述用户地面监控设备，以由所述用户地面监控设备获取运动中的载机的坐标和速度信息。8.如权利要求7所述的高精度运动目标测量方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，还包括如下步骤: 由位于地面上的数据接收站将来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，转发至所述用户地面监控设备，以实现对所述设备状态信息、当前时间、位置及速度信息的备份。9.如权利要求7或8所述的高精度运动目标测量方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，还包括如下步骤: 由用户携带的手持监测站将来自所述机载站的所述用户机载设备的设备状态信息和所述载机的当前时间、位置、速度及工作状态信息，以在机场飞机起飞前，通过所述手持监测站实时获取所述载机的相关信息，监测所述机载站工作是否正常，以避免空飞现象。
【文档编号】H04B7/185GK106027139SQ201610460114
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】陈亮
【申请人】北京七维航测科技股份有限公司