本发明属于直升机试飞测试技术领域，重点涉及一种基于卫星定位的直升机外吊挂物运动测量方法。
背景技术：
直升机外吊挂作业是指在通过在直升机上加装吊钩、绳索、网兜、托盘等装置，进行货物或人员吊挂运输的作业。直升机在进行外吊挂作业时，其下吊挂物体相对于直升机机体本身的位置及速度等信息对直升机的飞行品质和飞行安全有至关重要的影响。因此对外吊挂物的运动信息进行准确有效测量，研究吊挂物在直升机飞行时的运动状态，及其对直升机飞行操控和飞行品质影响的规律，对于直升机及其吊挂装置研发设计和用户操作安全具有重大的意义。
目前，对吊挂物体姿态、位置测量，主要有以下几类技术：
惯性测量技术：通过在吊挂物上固连加速度传感器、陀螺仪等惯性器件，可以对吊挂物加速度、姿态进行测量。对于物体本身的姿态传感短时间内较为精确，但存在长时间运行的漂移问题。
光学图像测量技术：在直升机上加装摄像机，对吊挂物运动进行拍摄，利用双目视觉原理以及图像识别技术实现非接触测量，存在受外界气象条件影响大以及随吊索长度增加测试精度较低的问题。
技术实现要素：
本发明公开了一种基于卫星定位的直升机外吊挂物运动测量方法，用以克服现有技术中存在的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种直升机外吊挂物运动测量方法，包括以下步骤：
步骤1，在直升机和吊挂物上分别加装gps接收机，地面架设gps基准站，在直升机上加装航姿系统及数据融合解算系统组成直升机和吊挂物运动参数测试系统，并对各测试单元精确授时，确保记录数据时间同步；
步骤2，直升机地面调水平状态下，测量直升机上gps接收机在直升机坐标系下的坐标；
步骤3，直升机飞行过程中，通过gps基准站与直升机gps接收机及吊挂物gps接收机进行实时rtk，分别获得直升机上gps接收机的安装位置相对大地的高精度坐标；
步骤4，通过装航姿系统获取直升机航姿数据，数据融合解算系统利用gps接收机在大地坐标系坐标及gps接收机在直升机坐标系坐标，获得直升机重心大地坐标；
步骤5，通过直升机重心大地坐标、直升机航姿数据及吊挂物大地坐标，获得吊挂物上gps接收机安装点在直升机坐标系下坐标；
步骤6，基于不同时刻吊挂物上gps接收机安装点的坐标，得到吊挂物的运动轨迹。
进一步地，所述获得直升机重心大地坐标，包括：
航姿数据包括航向角ψ、俯仰角θ、倾斜角γ；解算直升机重心大地坐标，即直升机重心大地坐标系经度、纬度、高度(ld，bd，hd)，具体为：
ld＝la (dly1/r)*180/π；
bd＝ba [dlx1/(r*cosba)]*180/π；
hd＝ha dlz1；
其中，r为地球曲率半径，直升机上gps接收机在直升机坐标系下的坐标为(dlx，dly，dlz)。
进一步地，所述获得吊挂物上gps接收机安装点c在直升机坐标系下坐标(dlx3，dly3，dlz3)，包括：
在大地坐标系下，c点距离d点距离为：
dlx2＝(bc-bd)*(π/180)*(r*cosbc)；
dly2＝(lc-ld)*(π/180)；
dlz2＝hc-hd。
在直升机机体坐标系下，c点坐标(dlx3，dly3，dlz3)为：
上式中的t代表矩阵转置，直升机gps接收机安装点a的经度、纬度、高度数据为(la，ba，ha)，吊挂物gps接收机安装点c高精度经度、纬度、高度数据为(lc，bc，hc)。
进一步地，a点为直升机上的gps接收机安装点，d点为直升机重心，c点为吊挂物上的gps接收机安装点，则a点设置于直升机尾部，c点设置于直升机重心在吊挂物上的投影点。
进一步地，所述大地坐标系的原点为地球椭球中心o，z轴是地球椭球的旋转轴，指向地球自转轴方向；x轴指向起始大地子午面与赤道的交点经纬度零点，y轴与x轴、z轴构成右手坐标系，x轴与y轴构成赤道面。
进一步地，所述直升机机体坐标系的原点为直升机重心处，纵轴x位于飞机的参考面内指向前方平行于机身纵轴线，横轴y垂直于飞机的参考平面指向右方，竖轴z位于直升机的参考面内指向上方。
进一步地，所述方法以计算机程序的形式装载于计算机的存储器中，所述计算机包括处理器以及所述存储器，计算机程序被处理器执行时，实现所述方法的步骤。
进一步地，所述方法以计算机程序的形式装载于计算机可读存储介质中，计算机程序被处理器执行时，实现所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
解决了外吊挂物在直升机坐标系下的运动状态的高精度实时测量问题，为研究外吊挂物对直升机操控和飞行品质的影响提供了精确、可靠的数据。具体表现如下：
1.测量精度高，可到厘米级精度。
2.机载实时测量，不受直升机工作环境影响；
3.无测量范围约束。
附图说明
图1直升机和吊挂物上gps接收机安装示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明在直升机和吊挂物分别加装一套gps接收机，地面架设gps基准站，通过载波相位差分技术即rtk(real-timekinematic)技术，获得直升机和吊挂物分别相对大地的高精度坐标数据，通过与直升机姿态数据融合解算，实时获取飞行过程中外吊挂物在直升机坐标系下高精度位置数据。在图1所示，其中a点为直升机上的gps接收机安装点，d点为直升机重心，c点为吊挂物上的gps接收机安装点。a点设置于直升机尾部，c点设置于直升机重心在吊挂物上的投影点。gps天线需要收星良好，天线安装需要避开主旋翼等明显遮挡位置。
坐标系定义：
大地坐标系：原点为地球椭球中心o，z轴是地球椭球的旋转轴，指向地球自转轴方向。x轴指向起始大地子午面与赤道的交点e0经纬度零点。y轴与x轴、z轴构成右手坐标系，x轴与y轴构成赤道面。地面或空间一点p的大地坐标用大地经度l、大地纬度b和大地高h表示。大地经度l：过p点的大地子午面与起始大地子午面的夹角。大地纬度b：过p点的椭球面的法线与赤道面的夹角。大地高h：p点沿法线至椭球面的距离称为p点的大地高。
直升机机体坐标系：原点为直升机重心处，纵轴x位于飞机的参考面内指向前方平行于机身纵轴线，横轴y垂直于飞机的参考平面指向右方，竖轴z位于直升机的参考面内指向上方。
吊挂物运动参数由不同测试设备采集数据解算获得，各测试设备精确授时对数据解算结果有重要影响，记录数据均使用统一标准时间码进行授时。
本发明的直升机外吊挂物运动测量方法，包括以下步骤：
步骤1，在直升机和吊挂物上分别加装gps接收机，地面架设gps基准站，在直升机上加装航姿系统及数据融合解算系统组成直升机和吊挂物运动参数测试系统，并对各测试单元精确授时，确保记录数据时间同步。
步骤2，直升机地面调水平状态下，测量直升机上gps接收机在直升机坐标系下的坐标；记为(dlx，dly，dlz)。
步骤3，直升机飞行过程中，通过gps基准站与直升机gps接收机及吊挂物gps接收机进行实时rtk，分别获得直升机和吊挂物上gps接收机的安装位置相对大地的高精度坐标，包括：
直升机gps接收机安装点a高精度经度、纬度、高度数据(la，ba，ha)及吊挂物gps接收机安装点c高精度经度、纬度、高度数据lc，bc，hc。
步骤4，通过直升机航姿数据、gps接收机在大地坐标系坐标及gps接收机在直升机坐标系坐标，获得直升机重心大地坐标；
其中航姿数据包括航向角ψ、俯仰角θ、倾斜角γ；解算直升机重心大地坐标，即直升机重心大地坐标系经度、纬度、高度(ld，bd，hd)，具体为：
ld＝la (dly1/r)*180/π；
bd＝ba [dlx1/(r*cosba)]*180/π；
hd＝ha dlz1；
其中，r为地球曲率半径。
步骤5，通过直升机重心大地坐标、直升机航姿数据及吊挂物大地坐标，获得吊挂物上gps接收机安装点c在直升机坐标系下坐标：(dlx3，dly3，dlz3)：
在大地坐标系下，c点距离d点距离为：
dlx2＝(bc-bd)*(π/180)*(r*cosbc)；
dly2＝(lc-ld)*(π/180)；
dlz2＝hc-hd。
在直升机机体坐标系下，c点坐标(dlx3，dly3，dlz3)为：
上式中的t代表矩阵转置。
步骤6，基于不同时刻吊挂物上gps接收机安装点的坐标，得到吊挂物的运动轨迹；即gps接收机的坐标可以认为是吊挂物的坐标，其移动过程中不同位置的坐标构成其运动轨迹。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
1.一种直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在直升机和吊挂物上分别加装gps接收机，地面架设gps基准站，在直升机上加装航姿系统及数据融合解算系统组成直升机和吊挂物运动参数测试系统，并对各测试单元精确授时，确保记录数据时间同步；
步骤2，直升机地面调水平状态下，测量直升机上gps接收机在直升机坐标系下的坐标；
步骤3，直升机飞行过程中，通过gps基准站与直升机gps接收机及吊挂物gps接收机进行实时rtk，分别获得直升机上gps接收机的安装位置相对大地的高精度坐标；
步骤4，通过装航姿系统获取直升机航姿数据，数据融合解算系统利用gps接收机在大地坐标系坐标及gps接收机在直升机坐标系坐标，获得直升机重心大地坐标；
步骤5，通过直升机重心大地坐标、直升机航姿数据及吊挂物大地坐标，获得吊挂物上gps接收机安装点在直升机坐标系下坐标；
步骤6，基于不同时刻吊挂物上gps接收机安装点的坐标，得到吊挂物的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，所述获得直升机重心大地坐标，包括：
航姿数据包括航向角ψ、俯仰角θ、倾斜角γ；解算直升机重心大地坐标，即直升机重心大地坐标系经度、纬度、高度(ld，bd，hd)，具体为：
ld＝la (dly1/r)*180/π；
bd＝ba [dlx1/(r*cosba)]*180/π；
hd＝ha dlz1；
其中，r为地球曲率半径，直升机上gps接收机在直升机坐标系下的坐标为(dlx，dly，dlz)。
3.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，所述获得吊挂物上gps接收机安装点c在直升机坐标系下坐标(dlx3，dly3，dlz3)，包括：
在大地坐标系下，c点距离d点距离为：
dlx2＝(bc-bd)*(π/180)*(r*cosbc)；
dly2＝(lc-ld)*(π/180)；
dlz2＝hc-hd。
在直升机机体坐标系下，c点坐标(dlx3，dly3，dlz3)为：
上式中的t代表矩阵转置，直升机gps接收机安装点a的经度、纬度、高度数据为(la，ba，ha)，吊挂物gps接收机安装点c高精度经度、纬度、高度数据为(lc，bc，hc)。
4.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，a点为直升机上的gps接收机安装点，d点为直升机重心，c点为吊挂物上的gps接收机安装点，则a点设置于直升机尾部，c点设置于直升机重心在吊挂物上的投影点。
5.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，所述大地坐标系的原点为地球椭球中心o，z轴是地球椭球的旋转轴，指向地球自转轴方向；x轴指向起始大地子午面与赤道的交点经纬度零点，y轴与x轴、z轴构成右手坐标系，x轴与y轴构成赤道面。
6.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，所述直升机机体坐标系的原点为直升机重心处，纵轴x位于飞机的参考面内指向前方平行于机身纵轴线，横轴y垂直于飞机的参考平面指向右方，竖轴z位于直升机的参考面内指向上方。
7.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，所述方法以计算机程序的形式装载于计算机的存储器中，所述计算机包括处理器以及所述存储器，计算机程序被处理器执行时，实现所述方法的步骤。
8.根据权利要求1所述的直升机外吊挂物运动测量方法，其特征在于，所述方法以计算机程序的形式装载于计算机可读存储介质中，计算机程序被处理器执行时，实现所述方法的步骤。
技术总结