...

суббота, 3 апреля 2021 г.

Кватернионы. Решение одной навигационной задачи

История

Некоторое время назад я занимался одной интересной задачей, относящейся к спутниковой навигации. Используя фазовый фронт сигнала, объект навигации (ОНВ) измеряет координаты навигационных спутников (НС) в своей системе координат (локальная система, ЛСК). Также ОНВ получает значения положений НС в глобальной системе координат (ГСК), и измеряет время получения сигнала НС (рис. 1). Требовалось вычислить координаты ОНВ в ГСК и системное время, то есть решить навигационную задачу.

Рис. 1. Системы координат
Рис. 1. Системы координат

Задача была интересна тем, что её решение теоретически позволяет уменьшить число НС в сравнении с тем, сколько НС требуется в методах, реализованных в спутниковых системах навигации. Своё внимание в то время я в основном уделял исследованию качества измерений фазового фронта и получению навигационных уравнений для координат и времени, полагая при этом, что вычисление ориентации и координат ОНВ не вызовет особых проблем. Тем более, что на плоскости задача решалась быстро и просто.

Однако, когда я построил модель в трёхмерном пространстве, неожиданно выяснилось, что вычислить значения ориентации ОНВ при неизвестных его координатах в ГСК не получается. Несколько предпринятых попыток определить ориентацию с помощью матриц направляющих косинусов и поворотов привели к такому нагромождению тригонометрических функций, что продвигаться дальше к решению у меня не получалось. Какое-то время даже казалось, что аналитического решения вообще не существует.

Но оно, конечно, существует. Мне удалось найти решение этой задачи, используя свойства кватернионов. В этом материале я хочу описать саму задачу, ход и её решение, уделяя внимание ориентации и координатам ОНВ, и пока оставляя за рамками измерения координат по фазовому фронту.

Входные данные

Итак, входные данные:

\mathbf R_i = \begin{bmatrix} x_i & y_i & z_i \end{bmatrix}^T: вектор-столбец положения i-го НС в ГСК, i = 1, 2, 3: номер НС,
\mathbf R_i ^{'} = \begin{bmatrix} x_i^{'} & y_i^{'} & z_i^{'} \end{bmatrix}^T: вектор-столбец положения i-го НС в координатах ЛСК; векторы \mathbf R_iи \mathbf R_i^{'} полагаем известными; ГСК, ЛСК: правые декартовы системы координат в 3-х мерном евклидовом пространстве E^3 с разнонаправленными базисами (\mathbf e_x, \mathbf e_y, \mathbf e_z) и ( \mathbf e_x^{'}, \mathbf e_y^{'}, \mathbf e_z^{'})соответственно; начала координат ГСК и ЛСК не совпадают. Нижний индекс дальше будет обозначать номер вектора, верхний - номер элемента в векторе, если только не указано явно, что это степень.

Задача

Рис. 2. Основные величины
Рис. 2. Основные величины

Нужно найти:

\mathbf R_a = \begin{bmatrix} x_a & y_a & z_a \end{bmatrix}^T: вектор-столбец положения ОНВ в ГСК,

\mathbf M: оператор перехода от ЛСК к ГСК, который я условно назвал "оператором ориентации" (рис. 2)

Решение

Теперь ход моих рассуждений и решения.

Разложение векторов \mathbf R_i и \mathbf R_i^{'} в своих базисах: \mathbf R_i = x_i \mathbf e_x + y_i \mathbf e_y + z_i \mathbf e_z,\quad \mathbf R_i^{'} = x_i^{'} \mathbf e_x^{'} + y_i^{i} \mathbf e_y^{'} + z_i^{'} \mathbf e_z^{'}, где i=1,2,3 - номер НС. Базисные векторы ЛСК

\begin{cases} \mathbf e_x^{'} = a_1^1 \mathbf e_x + a_1^2 \mathbf e_y + a_1^3 \mathbf e_z,\\ \mathbf e_y^{'} = a_2^1 \mathbf e_x + a_2^2 \mathbf e_y + a_2^3 \mathbf e_z,\\ \mathbf e_z^{'} = a_3^1 \mathbf e_x + a_3^2 \mathbf e_y + a_3^3 \mathbf e_z, \end{cases}

где \lbrace a_j^i: a_j^i \in \mathcal R \rbrace, \mathcal R - множество вещественных чисел, i = 1, 2, 3. Выписывая эти коэффициенты в матрицу

\mathbf M = \begin{bmatrix} a_1^1 & a_2^1 & a_3^1\\ a_1^2 & a_2^2 & a_3^2\\ a_1^3 & a_2^3 & a_3^3 \end{bmatrix},

получаем

\mathbf e_x^{'} = \mathbf M \mathbf e_x,\; \mathbf e_y^{'} = \mathbf M \mathbf e_y,\; \mathbf e_z^{'} = \mathbf M \mathbf e_z,\;

полагая, что \mathbf e_x = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}^T, \mathbf e_y = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \end{bmatrix}^T, \mathbf e_z = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}^T. Следовательно, координаты вектора \mathbf R_i^{'}в базисе ГСК \mathbf R_i^{''} = \mathbf M \mathbf R_i^{'}. Можно сказать, что \mathbf M является матрицей некоторого линейного оператора (или "оператора ориентации"), такого, что E^3 \to E^3, определённого в базисе ГСК. Такой матрицей может быть матрица направляющих косинусов или любая из матриц поворотов.

Свойства произвольного евклидового пространства позволяют записать уравнение для вычисления вектора положения ОНВ:

\mathbf R_a = \mathbf R_i - \mathbf M \mathbf R_i^{'}. (1)

Неудачный поиск решения

Уравнение (1) содержит две неизвестные матричные величины \mathbf R_a и \mathbf M, и имеет поэтому бесконечное число решений. Аналогичное соотношение для трёх различных НС в виде

\mathbf R = \mathbf R_a + \mathbf M \mathbf R^{'},\qquad (2)

где

\mathbf R = \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & x_3\\ y_1 & y_2 & y_3\\ z_1 & z_2 & z_3 \end{bmatrix},\quad \mathbf R_1 = \begin{bmatrix} x_1^{'} & x_2^{'} & x_3^{'}\\ y_1^{'} & y_2^{'} & y_3^{'}\\ z_1^{'} & z_2^{'} & z_3 ^ {'} \end{bmatrix} -

квадратные невырожденные матрицы, также содержат две неизвестные матричные величины \mathbf R_a и \mathbf M. Можно переписать (1) и (2) так, чтобы избавиться от величины \mathbf R_a:

\mathbf R_a = \mathbf R_i - \mathbf M \mathbf R_i^{'} = \mathbf R_k - \mathbf M \mathbf R_k^{'},\quad i \ne k;\quad i,k=1,2,3,

откуда

(x_k^{'} - x_i^{'}) \mathbf M \mathbf e_x + (y_k^{'} - y_i^{'}) \mathbf M \mathbf e_y + (z_k^{'} - z_i^{'}) \mathbf M \mathbf e_z =\\ = (x_k - x_i) \mathbf M \mathbf e_x + (y_k - y_i) \mathbf M \mathbf e_y + (z_k - z_i) \mathbf M \mathbf e_z,

или

\mathbf M \mathbf R_{ki}^{'} = \mathbf R_{ki}, \qquad (3)

где \mathbf R_{ki}^{'} = \mathbf R_k^{'} - \mathbf R_i^{'}.

Если бы я смог как-нибудь найти \mathbf M из (3) и подставить в (1), то задача была бы решена. К примеру, была сделана попытка расписать (3) по трём НС аналогично с (2), но в итоге матрицы получались вырожденные и уравнение единственного решения поэтому не имело. Попытки расписать и решить систему уравнение вроде

\begin{cases} \mathbf M \mathbf R_{12}^{'} = \mathbf R_{12},\\ \mathbf M \mathbf R_{13}^{'} = \mathbf R_{13} , \end{cases} \qquad (4)

приводили к тому самому нагромождению синусов и косинусов, о котором я упомянул во вступлении.

Здесь я и подумал, а получится ли найти \mathbf M, если (3) или (4) записать в кватернионном виде. В итоге получилось, но продолжу по порядку.

Теория о кватернионе поворота

Два теоретических момента, которые, думаю, стоит упомянуть.

Кватернионом, как мы знаем, является математический объект вида \dot q = q^0 + iq^1 + jq^2 + kq^3 = q^0 + \dot{ \mathbf q}, где q^0, q^1, q^2, q^3\in \mathcal R, q^0- скалярная часть (множитель вещественной единицы), \dot{\mathbf q} - векторная часть; 1, i, j, k - вещественная и три разные мнимые единицы с таблицей умножения:

\begin{split} 1^2 = 1,\quad 1i = i1,\quad 1j = j1,\quad 1k = k1,\quad i^2 = j^2 = k^2 = -1,\\ ij = -ji = k,\quad jk = -kj = i,\quad ki = -ik = j. \end{split}

Кватернион даёт удобную возможность представления трёхмерных преобразований (вращений), определяя одновременно и ось поворота, и угол вращения. Если взять некоторый кватернион \dot q = q^0 + \dot{\mathbf q} = q^0 + iq^1 + jq^2 + kq^3, такой, что \Vert \dot q \Vert = 1, то можно записать, что \Vert \dot q \Vert = q^{(0)^2} + \Vert \dot {\mathbf q } \Vert = 1, и значит \Vert \dot q \Vert = \cos^2 \gamma + \sin^2 \gamma = 1, где \cos^2 \gamma = q^{(0)^2}, \sin^2 \gamma = \Vert \dot { \mathbf q} \Vert = q^{(1)^2} + q^{(2)^2} + q^{(3)^2}. Здесь индекс в скобках обозначает номер элемента, а верхний индекс без скобки - возведение в степень. Если вектор \dot { \mathbf q} представить как

\mathbf{ \dot q} = \frac{1}{\Vert \dot {\mathbf q} \Vert} (q^{(1)^2} + q^{(2)^2} + q^{(3)^2}) \Vert \dot {\mathbf q} \Vert = (q^{(x)^2} + q^{(y)^2} + q^{(z)^2}) \Vert \dot {\mathbf q} \Vert = (q^{(x)^2} + q^{(y)^2} + q^{(z)^2}) \sin^2 \gamma,

где q^x = \frac{q^1}{\vert \dot {\mathbf q} \vert}, q^y = \frac{q^2}{\vert \dot {\mathbf q} \vert}, q^z = \frac{q^3}{\vert \dot {\mathbf q} \vert}, то кватернион \dot q запишется так:

\dot q = \cos \gamma + \dot {\mathbf q}_n \sin \gamma,

где \dot {\mathbf q}_n = iq^x + jq^y + kq^z. Если теперь взять произвольный кватернион \dot R с нулевой скалярной частью и вектором \dot {\mathbf R}, то результатом операции

\dot R^{'} = \dot q \circ \dot R \circ \dot q^{-1} \qquad (5)

будет вектор \dot{\mathbf R}^{'} с той же длиной, что и \dot {\mathbf R}, но повёрнутый на угол 2 \gamma против часовой стрелки вокруг оси, направляющим вектором которой является \dot {\mathbf q}_n. Дальше будут встречаться фразы вроде "кватернион \dot q выполняет поворот вектора \dot R", которые, конечно, подразумевают применение кватерниона \dot q к вектору \dot{\mathbf R} и получение \dot{\mathbf R}^{'} в соответствии с (5).

Последний теоретический момент. Для обозначения разных видов умножения используются такие общеизвестные значки: \dot {\mathbf q} \dot {\mathbf r} или \dot {\mathbf q} \cdot \dot {\mathbf r}: скалярное произведение,\dot q \circ \dot r: кватернионное произведение,\dot {\mathbf q} \times \dot {\mathbf r}: векторное произведение.

На этом с теорией всё.

Описание решения с кватернионами

Вернёмся к векторам \mathbf R_{ki}^{'} и \mathbf R_{ki}. Три замечания об их характере, которые потребуются дальше. Примем пока k = 1 , i = 2.

Нужные замечания

Во-первых, эти векторы являются свободными векторами, которые можно перемещать в пространстве, соблюдая параллельность перемещений.

Во-вторых, они неколлинеарны. Действительно, если бы они были коллинеарными, то (3) обращалось бы в истинное высказывание только при единичной матрице \mathbf M и задачу решать не нужно было.

И, в-третьих, \vert \mathbf R_{12}^{'} \vert = \vert \mathbf R_{12} \vert. В самом деле, так как \mathbf M - это ортогональная матрица, которая не меняет длину вектора \mathbf R_{12}^{'}, то из (3) следует, что длины векторов \mathbf R_{12}^{'} и \mathbf R_{12} равны.

Tак как в (3) длины векторов не имеют значения, для упрощения записей и решения дальше заменю векторы \mathbf R_{12}^{'} и \mathbf R_{12} их нормированными эквивалентами:

\mathbf r_1 \equiv \frac{\mathbf R_{12}}{\vert \mathbf R_{12} \vert} = \begin{bmatrix} r_1^1 & r_1^2 & r_1^3 \end{bmatrix}^T, \qquad \mathbf p_1 \equiv \frac{\mathbf R_{12}^{'}}{\vert \mathbf R_{12}^{'} \vert} = \begin{bmatrix} p_1^1 & p_1^2 & p_1^3 \end{bmatrix}^T,

и в виде кватернионов:

\dot r = 0 + \mathbf{\dot r}_1 = 0 + ir_1^1 + jr_1^2 + kr_1^3, \quad \dot p = 0 + \mathbf{\dot p}_1 = 0 + ip_1^1 + jp_1^2 + kp_1^3.

Кватернионная форма основных уравнений

Выражение (3) в кватернионной форме выглядит теперь так:

\dot q \circ \dot r_1 \circ \dot q^{-1} = \dot p_1,\qquad (6)

где \dot q- неизвестный кватернион, эквивалент \mathbf M, а выражение (1) так:

\dot R_a = \dot R_1 - \dot q \circ \dot R_1 \circ \dot q^{-1}, \qquad (7)

где \dot R_a = 0 + ix_a + jy_a + kz_a, \dot R_1 = 0 + ix_1 + jy_1 + kz_1.

Рис. 3. Основные векторы
Рис. 3. Основные векторы

Так как векторы \dot {\mathbf r}_1 и \dot {\mathbf p}_1 свободны, неколлинеарны, то можно совместить их концы таким образом, чтобы \dot {\mathbf r}_1 и \dot {\mathbf p}_1 образовали угол \gamma_1 на плоскости, натянутой на эти векторы (пусть эта плоскость будет \lambda_1). Начало координат поместим в точку, общую для \dot {\mathbf r}_1 и \dot {\mathbf p}_1 (рис. 3), и будем полагать, что значение \gamma_1 известно.

Уравнение (6), аналогично уравнению (3), по-прежнему имеет бесконечное множество решений: можно найти сколько угодно различных \dot q, которые удовлетворяют (6). Геометрически это обозначает, что можно найти бесконечное число различных прямых, вокруг которых можно выполнить вращение, совмещающее \dot {\mathbf r}_1 с \dot {\mathbf p}_1. На рис. 3 приведён пример, в котором поворот выполняется по кратчайшему пути вокруг прямой с направляющим вектором \dot {\mathbf d}_1, ортогональным плоскости \lambda_1. Очевидно, что \gamma_{d_1}\ = \gamma_1.

На рис. 4, а) и б) приведён пример, в котором вокруг некоторой оси с направляющим вектором \dot {\mathbf q}_1 построен круговой конус \tau_1 с направляющими прямыми \dot {\mathbf r}_1 и \dot {\mathbf p}_1. Ясно, что вокруг такой оси можно сделать поворот, совмещающий \dot {\mathbf r}_1 с \dot {\mathbf p}_1, который будет выполнен не по кратчайшему пути (не в плоскости \lambda_1), и угол \gamma_{q_1}, измеряемый в плоскости основания конуса \tau_1, не будет равен \gamma_1, измеряемый в плоскости \lambda_1.

Рис. 4. Поворот r к p вокруг произвольной оси
Рис. 4. Поворот r к p вокруг произвольной оси

Чтобы найти неизвестное значение \dot q, я добавил два новых объекта \dot r_2 = \dot{R}_3^{'} - \dot{R}_1^{'} и \dot p_2 = \dot R_3 - \dot R_1, получаемые из векторов \mathbf R_3 и \mathbf R_1. Выражение (6), аналогично (4), расширяется до системы уравнений

\begin{cases} \dot q \circ \dot r_1 \circ \dot q^{-1} = \dot p_1,\\ \dot q \circ \dot r_2\circ \dot q^{-1} = \dot p_2. \end{cases} \qquad (8)

Теперь можно утверждать, что кватернион \dot q, найденный из этой системы уравнений (8), является единственным решением, и он выполняет такой поворот в пространстве, который совмещает тройку векторов базиса ЛСК с векторами ГСК. Следовательно, его можно подставить в выражение (7) и вычислить искомое R_a - положение ОНВ.

Когда я записал (8), отчего-то стало ясно, что здесь безразмерная куча тригонометрии может не возникнуть, и аналитическое решение поэтому можно будет найти более-менее просто.

Геометрия задачи

Рис. 5. Геометрия задачи
Рис. 5. Геометрия задачи

Геометрически задача теперь выглядит так. Нужно найти в пространстве такую ось, вокруг которой можно выполнить поворот, совмещающий вектор \dot {\mathbf r}_1 с вектором \dot {\mathbf p}_1, и вектор \dot {\mathbf r}_2 с вектором \dot {\mathbf p}_2. Прямые, направляющими векторами которых являются \dot {\mathbf r}_1 (или \dot {\mathbf p}_1) и \dot {\mathbf r}_2 (или \dot {\mathbf p}_2), образуют два различных круговых конуса \tau_1, \tau_2. Эти конусы имеют общую ось, направляющим вектором которой является искомый \dot {\mathbf q}. При этом повороты \dot {\mathbf r}_i к \dot {\mathbf p}_i, i = 1, 2, будут выполняться не по кратчайшему пути, и поэтому углы \gamma_{q_i}, измеренные в плоскости оснований конусов \tau_i, будут отличаться от углов \gamma_i (рис. 5).

Здесь и далее нам понадобятся два таких утверждения.

Утверждение 1. Угол поворота вокруг биссектрисы \dot {\mathbf b}_1 такого, который совмещает \dot {\mathbf r}_1 с \dot {\mathbf p}_1, равен \pi (рис. 4, в), г)).

Утверждение 2. Поворот, который совмещает \dot {\mathbf r}_i с \dot {\mathbf p}_i, i = 1, 2, вокруг некоторой прямой можно сделать тогда и только тогда, когда эта прямая лежит в плоскости, натянутой на \dot {\mathbf d}_i и \dot {\mathbf b}_i (плоскость \delta_i), рис. 6). Вокруг любой другой прямой такой поворот выполнить нельзя.

Рис. 6. Плоскости векторов b и d
Рис. 6. Плоскости векторов b и d

Для доказательства этих утверждений нужно рассмотреть свойства кругового конуса \tau_i, образованного линией, направляющий вектор которой равен \dot {\mathbf r}_i (или \dot {\mathbf p}_i), а ось лежит в плоскости \delta_i.

Очевидно, что ось, вокруг которой можно сделать такой поворот, который совместит \dot {\mathbf r}_i с \dot {\mathbf p}_i , i = 1, 2, будет одновременно принадлежать обеим плоскостям \delta_i, то есть будет совпадать с линией их пересечения. Поэтому вектор \dot {\mathbf q} будем искать из уравнения линии пересечения плоскостей \delta_i (рис. 7).

Рис. 7. Линия пересечения плоскостей
Рис. 7. Линия пересечения плоскостей

Эта прямая не будет совпадать с прямыми, определяемые направляющими векторами \dot {\mathbf d}_i. Проходя через начало координат, она образует некоторый угол \beta_1 с вектором \dot {\mathbf d}_1, и угол \beta_2 с вектором \dot {\mathbf d}_2 (рис. 8). Оба этих угла нам пока неизвестны и \beta_1 \ne \beta_2.

Рис. 8. Все векторы
Рис. 8. Все векторы

Посмотрим на рис. 8. Если взять некоторый кватернион \dot e_{d_1}, который поворачивает вектор \dot {\mathbf r}_1 на \pi в плоскости \lambda_1, т.е.

\dot e_{d_1} = 0 + \dot {\mathbf s}_1, \qquad (9)

и повернуть его вокруг начала координат на угол \beta_1 в плоскости \delta_1, то из

\dot e_{q_1}(\beta_i) = \dot h_1(\beta_1) \circ \dot e_{d_1} \circ \dot h_1^{-1}(\beta_1) \qquad (10)

мы получим вектор \dot {\mathbf e}_{q_1}(\beta_1), который в свою очередь является кватернионом поворота на угол \pi для вектора \dot {\mathbf r}_1, причём \dot {\mathbf r}_1 при этом будет описывать дугу в пространстве. Поворот \dot {\mathbf e}_{d_1} к \dot {\mathbf e}_{q_1} может быть выполнен кватернионом \dot h_1(\beta_1), который мы найдём чуть позже из условия его ортогональности к плоскости \delta_1.

Из утверждения 2 следует, что вектор \dot {\mathbf r}_1 может быть совмещён с \dot {\mathbf p}_1 вращением вокруг оси с направляющим вектором \dot {\mathbf e}_{q_1}(\beta_1) на некоторый угол \gamma_{q_1}, который, очевидно, функционально зависит от \beta_1. Поэтому, зная \beta_1 и зависимость \gamma_{q_1} = f(\beta_1), мы сможем построить из кватерниона \dot {\mathbf e}_{q_i} кватернион \dot q, являющийся решением задачи.

Зависимость \gamma_{q_1} = f(\beta_1) мы найдём немного позже из простых тригонометрических соотношений.

Угол \beta_1 будем искать из следующих соображений. Так как \dot {\mathbf q} ортогонален одновременно \dot {\mathbf h}_1 и \dot {\mathbf h}_2, то результат векторного произведения \dot {\mathbf h}_1(\beta_1) \times \dot {\mathbf h}_2(\beta_2) будет сонаправлен с \dot {\mathbf q}. Обозначим

\dot {\mathbf q}_e \equiv \dot {\mathbf h}_1(\beta_1) \times \dot {\mathbf h}_2(\beta_2) \qquad (11)

и запишем такое скалярное произведение: \dot {\mathbf e}_{q_1}(\beta_1) \dot {\mathbf q}_e. Отметим, что направление \dot {\mathbf q}_e не зависит ни от \beta_1, ни от \beta_2. Поэтому для вычисления \dot {\mathbf q}_e примем \dot h_1 = \dot h_1 (\beta_1) \vert _{\beta_1 = \pi} и \dot h_2 = \dot h_2 (\beta_2) \vert _{\beta_2 = \pi}, то есть угол, при котором \vert \dot {\mathbf h}_i \vert = 1. Следовательно, в записанном выше скалярном произведении остаётся одна переменная \beta_1, которую можно вычислить, решив уравнение

\dot {\mathbf e}_{q_1}(\beta_1) \frac{\dot {\mathbf q}_e}{ \vert \dot {\mathbf q}_e \vert } = \dot {\mathbf e}_{q_1}(\beta_1) \dot{\mathbf q}_{e_{n}} = 1, \qquad (12)

полагая, что \vert \dot {\mathbf e}_{q_1} (\beta_1) \vert = 1 . Теперь, зная \beta_1, зависимость \gamma_{q_1} = f(\beta_1) и вектор \dot {\mathbf e}_{q_1}(\beta_1), искомый кватернион \dot {\mathbf q} будет выглядеть так:

\dot {\mathbf q} = \cos \frac{\gamma_{q_1}}{2} + \dot {\mathbf e}_{q_1} \sin \frac{\gamma_{q_1}}{2}. \qquad (13)

Осталось найти каждый из описанных выше элементов, чтобы решить задачу. Заметим, что объекты \dot e_{d_2 }, \dot e_{q_2}, \dot h_2, \beta_2, \gamma_2, \gamma_{q_2} определяются аналогично. Поэтому далее нижний индекс "1" или "2" буду заменять на " i ", подразумевая, что i = 1, 2 .

Кватернионы, которые будем искать

Ещё раз перечислим кватернионы и векторы, которые мы сейчас будем строить для получения решения:

  • кватернион \dot d_i: совмещает вектор \dot{\mathbf r}_i с \dot{\mathbf p}_i по кратчайшей траектории,

  • кватернион \dot b_i: направляющий вектор биссектрисы угла между векторами \dot{\mathbf r}_i и \dot{\mathbf p}_i; векторы \dot{\mathbf d}_i и \dot{\mathbf b}_i определяют плоскость \delta_i, в которой лежит искомый кватернион \dot q,

  • кватернион \dot e_{d_i}: сонаправлен с \dot d_i; модуль векторной части \dot e_{d_i} равен 1,

  • кватернион \dot h_i(\beta_i): поворачивает вектор \dot{\mathbf e}_{d_i} в плоскости \delta_i на угол \beta_i ; значение \beta_i неизвестно,

  • зависимость \gamma_{q_i} = f(\beta_i): вычисляет \gamma_{q_i} для построения искомого кватерниона \dot q из \dot e_{q_i},

  • кватернион \dot e_{q_i} (\beta_i): получен поворотом вектора \dot{\mathbf e}_{d_i} в плоскости \delta_i на угол \beta_i; из \dot e_{q_i} будет получено решение,

  • кватернион \dot q_e: нужен для вычисления угла \beta_i,

  • и, наконец, результирующий кватернион \dot q: получается из \dot e_{q_i}, учитывая найденные \beta_i и \gamma_{q_i}.

Кватернион \dot d_i

Найдём кватернион \dot d_i, который совмещает \dot {\mathbf r}_i с \dot {\mathbf p}_i по кратчайшей траектории. Вектор \dot {\mathbf r}_i перемещается в плоскости \lambda_i, а ось поворота перпендикулярна \lambda_i и проходит через точку начала координат (рис. 3). Направляющий вектор этой оси может быть равен \dot { \mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i . Так как \vert \dot {\mathbf r}_i \vert = \vert \dot {\mathbf p}_i \vert = 1, и \vert \dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i \vert = \vert \dot {\mathbf r}_i \vert \vert \dot {\mathbf p}_i \vert \sin \gamma_i, то:

\dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i = \frac{ \dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i }{ \vert \dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i \vert } \vert \dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i \vert = \dot {\mathbf s}_i \sin \gamma_i, \qquad (14)

где \dot {\mathbf s}_i - единичный вектор, равный

\dot {\mathbf s}_i = \frac{1}{\sin \gamma_i} \begin{vmatrix} i & j & k \\ r_i^1 & r_i^2 & r_i^3 \\ p_i^1 & p_i^2 & p_i^3 \end{vmatrix} = is_i^x + js_i^y + ks_i^z, \qquad (15)

где

s_i^x = \frac{r_i^2 p_i^3 - r_i^3 p_i^2}{\sin \gamma_i}, \quad s_i^y = \frac{r_i^3 p_i^1 - r_i^1 p_i^3}{\sin \gamma_i}, \quad s_i^z = \frac{r_1^1 p_1^2 - r_i^2 p_i^1}{\sin \gamma_i}. \qquad (16)

Произведение \dot {\mathbf s}_i \sin \gamma_i может представлять собой векторную часть некоторого кватерниона \dot s_i, который выполняет поворот вектора \dot {\mathbf r}_i на угол 2 \gamma_i в плоскости \lambda_i: \dot s_1 = \cos \gamma_i + \dot {\mathbf s}_i \sin \gamma_i. Поэтому кватернион поворота \dot {\mathbf d}_i на угол \gamma_i равен

\dot d_i = \cos \frac{\gamma_i}{2} + \dot {\mathbf s}_i \sin \frac{\gamma_i}{2} \qquad (17)

и

\dot p_i = \dot d_i \circ \dot r_i \circ \dot d_i^{-1}.

Кватернион \dot b_i

Найдём кватернион \dot b_i. Он может быть получен из преобразования

\dot b_i = \dot d_{b_i} \circ \dot r_i \circ \dot d_{b_i}^{-1}, \qquad (18)

где \dot d_{b_i} - кватернион, выполняющий поворот вектора \dot {\mathbf r}_i на угол \frac{\gamma_i}{2}. Учитывая (17), он равен

\dot d_{b_i} = \cos \frac{\gamma_i}{4} + \dot {\mathbf s}_1 \sin \frac{\gamma_a}{4}. \qquad (19)

Подставим \dot d_{b_i} из (19) в (18), выполним кватернионные умножения и, учитывая (14), получим:

\begin{split} \dot b_i = \dot {\mathbf r}_i \cos^2 \frac{\gamma_i}{4} - \dot {\mathbf r}_i \circ \dot {\mathbf s}_i \sin \frac{\gamma_i}{4} \cos \frac{\gamma_i}{4} + \dot {\mathbf s}_i \circ \dot {\mathbf r}_i \sin \frac{\gamma_i}{4} \cos \frac{\gamma_i}{4} - \dot {\mathbf s}_i \circ \dot {\mathbf r}_i \circ \dot {\mathbf s}_i \sin^2 \frac{\gamma_i}{4} = \\ = \dot {\mathbf r}_i \cos^2 \frac{\gamma_i}{4} - \dot {\mathbf r}_i \times (\dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i) \frac{\sin \frac{\gamma_i}{2}}{\sin \gamma_i} - ((\dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i) \times \dot {\mathbf r}_i ) \times (\dot {\mathbf r}_i \times \dot {\mathbf p}_i ) \frac{\sin^2 \frac{\gamma_i}{4}}{\sin^2 \gamma_i}. \end{split}

Применяя правило "БАЦ минус ЦАБ" и упрощая, получаем

\dot b_i =0 + (\dot {\mathbf r}_i + \dot {\mathbf p}_i) \frac{\sin \frac{\gamma_i}{2}}{\sin \gamma_i}. \qquad (20)

Заметим, что \vert \dot {\mathbf b}_i \vert = 1.

Зависимость \gamma_{q_1} = f(\beta_1)

Рис. 9.
Рис. 9.

Найдём зависимость \gamma_{q_1} = f(\beta_1). Возьмём конус \tau_1 из рис. 6, для удобства развернём его основанием вниз и изобразим все основные векторы и углы (рис. 9). Также добавим угол \alpha_i = \frac{\pi}{2} - \beta_1.

Будем находить зависимость угла \gamma_{q_1}, соответствующего углу поворота вокруг \dot {\mathbf q}_{e_1} от \dot {\mathbf r}_1 к \dot {\mathbf p}_1, от значения угла \beta_1, то есть от угла наклона \dot {\mathbf q}_{e_1} к плоскости векторов \dot {\mathbf r}_1, \dot {\mathbf p}_1 (т.е. к плоскости \lambda_1). Заметим, что при \beta_1 = 0 поворот выполняется по кратчайшей траектории вокруг \mathbf{\dot d}_1.

Из соотношений прямоугольных треугольников запишем:

\begin{split} \vert RR^{'} \vert = \vert \dot {\mathbf r} \vert \sin \frac{\gamma_1}{2}, \quad \vert \dot {\mathbf b}_1 \vert = \vert \dot {\mathbf r} \vert \cos \frac{\gamma_i}{2}, \quad \vert R^{'}O^{'} \vert = \vert \dot {\mathbf b}_1 \vert \sin \alpha_1, \end{split}

откуда \vert R^{'}O^{'} \vert = \vert \dot {\mathbf r}_1 \vert \cos \frac{\gamma_1}{2} \sin \alpha_1. Так как \tan \frac{\gamma_{q_1}}{2} = \frac{\vert RR^{'} \vert }{\vert R^{'}O^{'} \vert} ), то

\tan \frac{\gamma_{q_1} }{2} = \vert \dot {\mathbf r}_1 \vert \sin \frac{\gamma_1}{2} \frac{1}{\cos \frac{\gamma_1}{2} \sin \alpha_1} = \frac{1}{\sin \alpha_1} \tan \frac{\gamma_i}{2},

откуда

\gamma_{q_1} = 2 \arctan (\frac{1}{\cos \beta_1} \tan \frac{\gamma_1}{2}). \qquad (21)

Из выражения (21) видно, что при \beta_1 = 0 значение \gamma_{q_1} = \gamma_1, а при \beta_1 = \frac{\pi}{2} значение \gamma_{q_1} = \pi, что согласуется с утверждением 1. Заметим также, что угол \gamma_{q_1} не зависит от длин векторов, а угол \gamma_i полагается известным.

Кватернион \dot h_i(\beta_i)

Продолжим. Построим кватернион \dot h_i. Поскольку он выполняет поворот \dot{\mathbf e}_{d_i} на угол \beta_i в плоскости \delta_i, то

\dot h_i(\beta_i) = \cos \frac{\beta_i}{2} + \dot{\mathbf e}_{d_i} \times \dot{\mathbf b}_i \sin \frac{\beta_i}{2}, \qquad (22)

полагая, что \vert \dot{\mathbf e}_{d_i} \vert = 1, \vert \dot{\mathbf b}_i \vert = 1. Учитывая (9), (18), выполнив некоторые преобразования, получим

\begin{split} \dot{\mathbf e}_{d_i} \times \dot{\mathbf b}_i = \dot{\mathbf r}_i (\tan^{-2} \gamma_i \sin \frac{\gamma_i}{2} - \tan^{-1} \gamma_i \cos \frac{\gamma_i}{2} - \frac{\sin \frac{\gamma_i}{2}}{\sin^2 \gamma_i}) + \dot{\mathbf p}_i (\frac{\cos \frac{\gamma_i}{2}}{\sin \gamma_i} - \frac{\cos \gamma_i}{\sin^2 \gamma_i} \sin \frac{\gamma_i}{2} + \frac{\sin \frac{\gamma_i}{2}}{\sin^2 \gamma_i}). \end{split}

После упрощающих тригонометрических преобразований, подставляя в (22), получаем

\dot h_i(\beta_i) = \cos \frac{\beta_i}{2} + (\dot{\mathbf p}_i - \dot{\mathbf r}_i) \frac{\cos \frac{\gamma_i}{2}}{\sin \gamma_i} \sin \frac{\beta_i}{2}, \qquad (23)

при этом \vert \dot h_i(\beta_i) \vert = 1.

Кватернион \dot e_{q_i}(\beta_i)

Найдём кватернион \dot e_{q_i}. Выше мы записали выражение (9), которое определяет \dot e_{q_i}. Приведём его здесь ещё раз: \dot e_{q_i}(\beta_i) = \dot h_i(\beta_i) \circ \dot e_{d_i} \circ \dot h_i^{-1}(\beta_i). Подставляя сюда полученный результат (23) и выражение (9), после преобразований получим:

\dot e_{q_i} = C(A^2 \dot{\mathbf r}_i \times \dot{\mathbf p}_i -2AB(\dot{\mathbf r}_i + \dot{\mathbf p}_i)(\cos \gamma_i -1) - 2B^2 \dot{\mathbf r}_i \times \dot{\mathbf p}_i (1-\cos \gamma_i)),

где A \equiv \cos \frac{\beta_i}{2}, B \equiv \frac{\cos \frac{\gamma_i}{2}}{\sin \gamma_i } \sin \frac{\beta_i}{2}, C \equiv \frac{1}{\sin \frac{\gamma_i}{2}}. Упрощая, получаем:

\dot e_{q_i} = \frac{1}{\sin \gamma_i} (\dot{\mathbf r}_i \times \dot{\mathbf p}_i \cos \beta_i + (\dot{\mathbf r}_i + \dot{\mathbf p}_i) \sin \frac{\gamma_i}{2} \sin \beta_i), \qquad (24)

при этом \vert \dot e_{q_i} \vert = 1.

Кватернион \dot q_e

Получим кватернион \dot q_e. Как мы указывали выше, вектор этого кватерниона ортогонален каждому из векторов \dot{\mathbf h}_1 и \dot{\mathbf h}_2, то есть \dot {\mathbf q}_e \equiv \dot {\mathbf h}_i(\beta_i) \times \dot {\mathbf h}_i(\beta_i) (выражение (11)), и при этом \vert \dot{\mathbf q}_e \vert \ne 1. Также мы отмечали, что угол \beta_i не меняет направление вектора \dot{\mathbf h}_i, и поэтому можно выбрать такое \beta_i, при котором длина \dot{\mathbf h}_i максимальна. Учитывая (23) при \beta_i = \pi, получаем:

\dot h_1 = (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \frac{\cos \frac{\gamma_1}{2}}{\sin \gamma_1}, \quad \dot h_2 = (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) \frac{\cos \frac{\gamma_2}{2}}{\sin \gamma_2}, \qquad (25)

следовательно,

\dot{\mathbf q}_e = (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) \frac{\cos \frac{\gamma_1}{2}}{\sin \gamma_1} \frac{\cos \frac{\gamma_2}{2}}{\sin \gamma_2}. \qquad (26)

Нормированное значение

\dot{\mathbf q}_{e_n} = \frac{ (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) }{\vert (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) \vert}. \qquad (27)

Угол \beta_i

Подставляем результаты в выражение (12) и получаем уравнение, которое нужно решить относительно \beta_1:

\frac{1}{\sin \gamma_1} (\dot{\mathbf r}_1 \times \dot{\mathbf p}_1 \cos \beta_1 + (\dot{\mathbf r}_1 + \dot{\mathbf p}_1) \sin \frac{\gamma_1}{2} \sin \beta_1) \frac{ (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) }{\vert (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) \vert} = 1. \qquad (28)

После преобразований получаем это уравнение в форме A \cos \beta_1 + B \sin \beta_1 = 1, которое и решаем:

\beta_1 = \arcsin \frac{1}{\sqrt{A^2 + B^2}} - \arcsin \frac{A}{\sqrt{A^2 + B^2}}, \qquad (29)

где

\begin{split} A = \frac{\dot{\mathbf r}_1 \times \dot{\mathbf p}_1}{\sin \gamma_1} \frac{ (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) }{\vert (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) \vert}, \quad B = \frac{\sin \frac{\gamma_1}{2}}{\sin \gamma_1} (\dot{\mathbf r}_1 + \dot{\mathbf p}_1) \frac{ (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) }{\vert (\dot{\mathbf p}_1 - \dot{\mathbf r}_1) \times (\dot{\mathbf p}_2 - \dot{\mathbf r}_2) \vert} \end{split}.

Решение

Зная \beta_1, можно построить кватернион \dot e_{q_1} из (24), подставить его в (13) и записать результат в виде:

 \dot q =\cos \frac{\gamma_{q_1}}{2} + \frac{1}{\sin \gamma_1} (\dot{\mathbf r}_1 \times \dot{\mathbf p}_1 \cos \beta_1 + (\dot{\mathbf r}_1 + \dot{\mathbf p}_1) \sin \frac{\gamma_1}{2} \sin \beta_1) \sin \frac{\gamma_{q_1}}{2}, \qquad (30)

где

\gamma_{q_1} = 2 \arctan (\frac{1}{\cos \beta_1} \tan \frac{\gamma_1}{2}), \qquad (31)

а \beta_1 вычисляется из выражения (29).

Послесловие

Задача решена. Я попытался упростить итоговое выражение (30), но пока не получилось. В моделях оно работает, поэтому пока оставлю, как есть. На рис. 10 приведён простой пример нахождения ориентации ЛСК для того, чтобы затем определить R_a.

Рис. 10. Вращение ЛСК
Рис. 10. Вращение ЛСК

Вначале положение ЛСК (x^{'}, y^{'}, z^{'}) неизвестно, и мы полагаем, что оно может быть любым или, например, совпадающим с ГСК (то есть, мы "думаем", что оно совпадает, а на самом деле это не так). Измеренные координаты НС1', НС2' и НС3' существенно отличаются от истинных положений НС1, НС2 и НС3 (рис. 10, а)). Зная координаты НС в ГСК, вычисляется кватернион поворота \dot q по (30) и выполняется вращение. На рис. 10, б) показано дискретное вращение с интервалом 10 градусов от старого положения ЛСК к истинному. При этом измеренные координаты НС (показаны светло-серым цветом) всё более приближаются к истинным. На рис. 10, в) показано вычисленное истинное положение ЛСК, и мы теперь можем определить R_a, то есть решить навигационную задачу (точнее, часть навигационной задачи, связанной с определением координат).

На этом пока всё. Отмечу только, что в ближайшем будущем я попробую поработать над одним недостатком выражения (30). При \gamma_1 близким к нулю, то есть когда ориентации ГСК и ЛСК мало отличаются, кватернион \dot q вычисляется с ошибкой из-за множителя \frac{1}{ \sin \gamma_1}. Это может приводить к значительным ошибкам вычисления ориентации ЛСК и, как результат, ошибкам определения положения R_a. Об этом в следующем материале.

Let's block ads! (Why?)

Комментариев нет:

Отправить комментарий