CN100567899C - 一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法。所述的修正方法是根据飞机上每个无线电高度表所测的高度H_cli和升降速度

解算得到飞机重心处高度H_zxi及升降速度，对其进行信号表决后，通过系统偏差ΔH对飞机重心处高度H_zxi及升降速度进行信号表决结果修正。该方法消除了无线电高度表在使用过程中的系统误差，将本发明的修正方法应用于无人机的自动飞行控制，可以得到更高的控制精度，有利于飞行安全；并且为配置多个无线电高度表的无人机的无线电高度及升降速度信号余度管理提供了前提，提高了系统的可靠性。

Description

一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制领域，具体地说，是指一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法。

背景技术

无线电高度表是测量飞机到地面垂直距离的机载无线电设备，是重要的飞行器仪表之一。飞机向地面发射无线电波，经地面反射后被飞机接收机接收，无线电波经历两倍飞行高度的行程，所用的时间等于两倍飞行高度被电波传播速度所除的商值。电波传播的速度为恒值，只要测出这段时间便可求出飞行高度。无线电高度表在测量飞行高度的同时测量该高度的变化率即升降速度并输出。

由上述无线电高度表的工作原理可以得知，无线电高度表在工作时必须发射天线和接收天线同时进行，所测量的飞行高度实际上是发射天线和接收天线所在位置连接线的中点距地面的垂直距离，如图1所示。由于一般飞机在安装无线电高度表天线时，两天线所在位置连接线的中点并非飞机的重心位置，因此所测量的飞行高度与飞机重心的真实高度存在一定的偏差，同理，所测量的飞行升降速度与飞机重心的真实升降速度也存在一定的偏差。此外，由于无线电高度表天线馈线的连接及安装将会造成高度表测量的系统误差，通常在无线电高度表安装于飞机后系统误差仍然存在。

在小型无人机上应用时，由于飞机本身机体结构尺寸较小，所测量的飞行高度和升降速度与真实值偏差不大，对飞行控制效果造成的不利影响较小。然而对于大型无人机来说，飞机本身的机体结构尺寸较大，相应的测量偏差随着增大，并且大型无人机自动飞行控制精度要求更高，尤其是对于起降阶段，应尽量减少由于传感器测量偏差对控制系统的不利影响。

另外，对于系统可靠性要求较高的无人机，如无线电高度此类关键传感器一般会采用多余度配置，也就是说一架飞机上配有多个高度表。由于每个高度表的两个天线不可能安装于相同的位置，必定造成多个无线电高度表所测量的飞行高度不尽相同，并且其差异不仅与天线安装位置相关，还跟飞机的姿态运动相关。在飞机飞行过程中，若出现较大的姿态角，则不同高度表输出的高度将会有较大差异，此时若依据高度表测量精度等判据对这些高度表信息进行余度管理，由于这些测量值本身的测量点并不相同，信息没有可比性，表决后很可能出现错误的结果。

发明内容

本发明的目的是为了消除无线电高度表在使用过程中的系统误差，对无线电高度表测量的高度和升降速度进行误差修正，提出了一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法。所述的修正方法通过以下步骤实现：

步骤一：根据飞机上每一个无线电高度表所测的高度H_cli和升降速度

解算得到飞机重心处高度H_zxi及升降速度

(i＝1，2，……n)。

设某个无线电高度表一对收发天线安装位置的连接线的中点为M_i点，以M_i点为原点建立直角坐标系M_ix_iy_iz_i，根据M_i点与飞机重心O点的空间位置关系，设飞机重心O点在M_ix_iy_iz_i内的坐标可以描述为：(l_i，h_i，b_i)。

由无线电高度表测得飞机的高度H_cli、飞机的俯仰角θ、滚转角γ、横滚角速度ω_x、偏航角速度ω_y、俯仰角速度ω_z，则可以得到飞机重心O处高度H_zxi：

H_zxi＝H_cli-b_i·sinγ+l_i·sinθ+h_i·cosθ·cosγ                        (1)

对式(1)进行求导，解算飞机重心O处升降速度

${\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zxi}}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{cli}}-b_i\·\cos \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+l_i\·\cos \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-h_i\sin \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\·\cos \mathrm{\γ}-h_i\sin \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\ω}}_x-\mathrm{tg\θ}\·({\mathrm{\ω}}_y\·\cos \mathrm{\γ}-{\mathrm{\ω}}_z\·\sin \mathrm{\γ})\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\ω}}_y\·\sin \mathrm{\γ}+{\mathrm{\ω}}_z\·\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.$

步骤二：对飞机重心处高度H_zxi及升降速度

进行信号表决得到信号表决结果H_yd及

步骤三：起飞时计算无线电高度表的系统偏差ΔH。

飞机收到“起飞”指令时，飞控计算机根据已知的飞机重心位置离地距离H₀及此时无线电高度表信号表决后的结果H_yd，由式(4)计算无线电高度表的系统偏差ΔH：

ΔH＝H₀-H_yd                                (4)

步骤四：根据系统偏差ΔH对起飞前的无线电高度表信号表决结果进行修正。

飞控计算机将无线电高度表信号表决后的结果H_yd与偏差ΔH相加，如式(5)所示，使得飞机起飞时位于地面状态的真实高度与已知的飞机重心位置离地距离H₀相等。

H_起飞时＝H_yd+ΔH＝H₀                            (5)

步骤五：在后续的飞行及着陆过程中，重复步骤一和步骤二，实时得到信号表决结果H_yd及

并由步骤三中得到的无线电高度表的系统偏差ΔH得到真实飞行高度H和升降速度

如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{c}H=H_{\mathrm{yd}}+\mathrm{\ΔH}\\ \stackrel{\·}{H}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{yd}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

本发明提出的无线电高度表高度自动修正方法的优点在于：(1)对无线电高度表所输出的飞行高度及升降速度进行实时修正，消除了无线电高度测量的系统误差；(2)修正后的高度及升降速度数据应用于无人机的自动飞行控制，可以得到更高的控制精度，有利于飞行安全；(3)由于本发明根据不同高度表输出信息得到重心处的高度及升降速度信息，为配置多个无线电高度表的无人机的无线电高度及升降速度信号余度管理提供了前提，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是无线电高度表的工作原理示意图；

图2是天线安装位置连接线中点与飞机重心的空间位置关系示意图；

图3是实例中两个无线电高度表天线的安装位置与重心的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的无线电高度表高度及升降速度自动修正方法作进一步说明。

步骤一：根据飞机上每一个无线电高度表所测的高度H_cli和升降速度

解算得到飞机重心处高度H_zxi及升降速度

(i＝1，2，……n)。

设无线电高度表个数为n，根据每个无线电高度表所测的高度H_cli和升降速度

解算得到飞机重心处高度H_zxi及升降速度

i代表无线电高度表的个数，(i＝1，2，……n)。

设某个无线电高度表一对收发天线安装位置的连接线的中点为M_i点，以M_i点为原点建立直角坐标系M_ix_iy_iz_i，如图2所示，其中，M_ix_i轴平行于地平面并指向飞机机头在地平面的投影方向，M_iy_i轴垂直于地平面指向上方，M_iz_i轴垂直于M_ix_iy_i平面，按右手定则形成M_ix_iy_iz_i坐标系。根据M_i点与飞机重心O点的空间位置关系，设飞机重心O点在M_ix_iy_iz_i内的坐标可以描述为：(l_i，h_i，b_i)，如图2所示，即O点位于M_i点前方l_i，右方b_i，上方h_i。根据无线电高度表所测的高度H_cli、飞机的俯仰角θ、滚转角γ、横滚角速度ω_x、偏航角速度ω_y、俯仰角速度ω_z，则可得到飞机重心O处高度H_zxi，如式(1)所示：

H_zxi＝H_cli-b_i·sinγ+l_i·sinθ+h_i·cosθ·cosγ                (1)

式(1)对时间求导数即可得到飞机重心O处的升降速度

如式(2)所示：

${\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zxi}}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{cli}}-b_i\·\cos \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+l_i\·\cos \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-h_i\sin \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\·\cos \mathrm{\γ}-h_i\sin \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\ω}}_x-\mathrm{tg\θ}\·({\mathrm{\ω}}_y\·\cos \mathrm{\γ}-{\mathrm{\ω}}_z\·\sin \mathrm{\γ})\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\ω}}_y\·\sin \mathrm{\γ}+{\mathrm{\ω}}_z\·\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right..$

现举例说明：假设某无人机无线电高度表采用双余度配置，其天线的安装位置与重心的关系如附图3所示，即O点位于M₁点前方l，右方b，上方h；O点位于M₂点前方l，左方b，上方h。可根据一号无线电高度表所测的高度H_cl1和升降速度得到飞机重心处高度H_zx1及升降速度

根据二号无线电高度表所测的高度H_cl2和升降速度

得到飞机重心处高度H_zx2及升降速度

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{zx}1}=H_{\mathrm{cl}1}-b\·\sin \mathrm{\γ}+l\·\sin \mathrm{\θ}+h\·\cos \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\\ {\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zx}1}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{cl}1}-b\·\cos \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+l\·\cos \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-h\·\sin \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\·\cos \mathrm{\γ}-h\·\sin \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{zx}2}=H_{\mathrm{cl}2}+b\·\sin \mathrm{\γ}+l\·\sin \mathrm{\θ}+h\·\cos \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\\ {\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zx}2}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{cl}2}+b\·\cos \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+l\·\cos \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-h\·\sin \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\·\cos \mathrm{\γ}-h\·\sin \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\ω}}_x-\mathrm{tg\θ}\·({\mathrm{\ω}}_y\·\cos \mathrm{\γ}-{\mathrm{\ω}}_z\·\sin \mathrm{\γ})\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\ω}}_y\·\sin \mathrm{\γ}+{\mathrm{\ω}}_z\·\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right..$

步骤二：对飞机重心处高度H_zxi及升降速度

进行信号表决得到信号表决结果H_yd及

现根据无线电高度表配置情况分别说明。

若采用单无线电高度表配置，则直接将步骤一中得到的飞机重心处高度H_zx1及升降速度作为信号表决结果H_yd及

如式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{yd}}=H_{\mathrm{zx}1}\\ {\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{yd}}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zx}1}\end{array}\right.---\left(3\right)$

若采用双无线电高度表配置，根据一号无线电高度表所测数据解算得到飞机重心处高度H_zx1及升降速度根据二号无线电高度表所测数据解算得到飞机重心处高度H_zx2及升降速度

分三种情况进行说明：

(a)若此时两个高度H_zx1、H_zx2的自身状态回报信息均表示两个高度表处于正常工作状态，并且此时两个高度表的输出信息的差别不超过2倍的精度要求，则可认为两个高度表的输出信息均有效，此时可将其平均值作为信号表决结果输出即：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{yd}}=(H_{\mathrm{zx}1}+H_{\mathrm{zx}2})/2\\ {\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{yd}}=({\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zx}1}+{\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zx}2})/2\end{array}\right.$

(b)若此时其中有一个高度的自身状态回报信息表示该高度表处于故障状态，则将另一个高度表的输出信息作为信号表决结果。如若一号高度表回报故障，则信号表决结果取二号高度表信息，即：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{yd}}=H_{\mathrm{zx}2}\\ {\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{yd}}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zx}2}\end{array}\right.$

反之亦然。

(c)若此时两个高度的自身状态回报信息均表示两个高度表处于正常工作状态，并且此时两个高度表的输出信息的差别超过2倍的精度要求，此时只能根据其他信息来判别哪个高度表的输出信息更接近于真实值，并将其作为信号表决结果输出。

若采用三个及以上无线电高度表配置，若各个高度表自身状态回报信息均表示处于正常工作状态，则可根据各信号之间的差异来判断，选取差异最小的两个数据，取其平均值作为信号表决结果输出；若自身状态回报信息有故障状态的情况，则利用回报正常工作状态的高度表信息进行表决；若自身状态回报信息有故障状态并且回报正常工作状态的高度表小于三个的情况，则可依据上述双余度的表决方法进行。

由于本发明根据不同高度表输出信息得到重心位置的高度和升降速度，这样对于不同高度表输出信息才会有可比性，将高度表本身的精度要求作为判据才是合理的，因此为配置多个无线电高度表的无人机的无线电高度及升降速度信号余度管理提供了前提。

步骤三：起飞时计算无线电高度表的系统偏差ΔH。

飞机收到“起飞”指令时，飞控计算机根据已知的飞机重心位置离地距离H₀及此时无线电高度表信号表决后的结果H_yd来计算无线电高度表的系统偏差ΔH。

ΔH＝H₀-H_yd

步骤四：根据系统偏差ΔH对起飞前的无线电高度表信号表决结果进行修正。

飞控计算机将无线电高度表信号表决后的结果H_yd与偏差ΔH相加，如式(5)所示，使得飞机起飞前位于地面状态的真实高度与已知的飞机重心位置离地距离H₀相等。

H_起飞时＝H_yd+ΔH＝H₀                                    (5)

由于飞机的重心位置离地距离H₀经过精确测量得到，可以作为修正无线电高度的基准。飞机位于起飞前地面状态时根据该基准对无线电高度表信号表决后的结果H_yd进行修正，起到了消除系统误差的作用。

步骤五：在后续的飞行及着陆过程中，重复步骤一和步骤二，实时得到信号表决结果H_yd及

并由步骤三中得到的无线电高度表的系统偏差ΔH得到真实飞行高度H和升降速度

如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{c}H=H_{\mathrm{yd}}+\mathrm{\ΔH}\\ \stackrel{\·}{H}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{yd}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

经过了折算、余度管理以及系统误差的消除后，步骤五中得到的真实飞行高度H和升降速度

准确度更高，应用于无人机的自动飞行控制后可以得到更高的控制精度，有利于飞行安全。

Claims (1)

1、一种无人机无线电高度表高度及升降速度自动修正方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据飞机上每一个无线电高度表所测的高度H_cli和升降速度

解算得到飞机重心处高度H_zxl及升降速度

i代表无线电高度表的个数，i＝1，2，……n；由无线电高度表测得飞机的高度H_cli、飞机的俯仰角θ、滚转角γ、横滚角速度ω_x、偏航角速度ω_y、俯仰角速度ω_z，解算得到飞机重心O处高度H_zxi：

H_zxi＝H_cli-b_i·sinγ+l_i·sinθ+h_i·cosθ·cosγ

上式中(b_i，l_i，h_i)为飞机重心O点在M_ix_iy_iz_i内的坐标，

对上式进行求导，解算飞机重心O处升降速度

${\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{zxi}}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{cli}}-b_i\·\cos \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+l_i\·\cos \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-h_i\sin \mathrm{\θ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\·\cos \mathrm{\γ}-h_i\sin \mathrm{\γ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\θ}$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\ω}}_x-\mathrm{tg\θ}\·({\mathrm{\ω}}_y\·\cos \mathrm{\γ}-{\mathrm{\ω}}_z\·\sin \mathrm{\γ})\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\ω}}_y\·\sin \mathrm{\γ}+{\mathrm{\ω}}_z\·\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.;$

步骤二：对飞机重心处高度H_zxl及升降速度

进行信号表决得到信号表决结果H_yd及

步骤三：起飞时计算无线电高度表的系统偏差ΔH；

ΔH＝H₀-H_yd

其中H₀为已知的起飞时飞机重心位置离地距离；

步骤四：根据系统偏差ΔH对起飞前的无线电高度表信号表决结果进行修正；使得飞机起飞时位于地面状态的真实高度与已知的起飞时飞机重心位置离地距离H₀相等：

H_起飞时＝H_yd+ΔH＝H₀

步骤五：在后续的飞行及着陆过程中，重复步骤一和步骤二，实时得到信号表决结果H_yd及

并由步骤三中得到的无线电高度表的系统偏差ΔH得到真实飞行高度H和升降速度

$\left\{\begin{array}{c}H=H_{\mathrm{yd}}+\mathrm{\ΔH}\\ \stackrel{\·}{H}={\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{yd}}\end{array}\right..$

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