CN102607593A - 基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型 - Google Patents

基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型 Download PDF

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Abstract

为了克服现有飞行姿态修正为了简化问题直接假设测量条件带来积累误差过大的问题，本发明提供了一种基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型，该模型通过三个角速度预测三个参考状态，再由该参考状态估计飞行器俯仰、滚转角，在此基础上直接通过机体坐标系下的过载、GPS的东向、北向速度和飞行器俯仰、滚转角直接估计出偏航角，通过引入参考状态并建立新观测模型，减少了直接假设测量条件带来的姿态积累误差，有利于飞行安全。

Description

基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型
技术领域
本发明涉及一种飞行器姿态修正方法，特别涉及基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型。
背景技术
飞行器姿态是飞行过程中最重要的参数，是姿态稳定与控制的关键。获取准确的姿态对于大迎角飞行战术无人机而言更为重要，因为飞行器在大迎角飞行状态下，气动导数变化快速，导致飞行器方程非线性程度加重，而非线性系统的控制和稳定性问题又与系统状态初值密切相关，姿态作为系统极为关键的状态就显得尤其重要。俯仰与滚转角的准确估计对于飞行器的飞行安全更是有着至关重要的作用。
通常的飞行器姿态大都是通过惯性导航系统测得的角速度进行解算，提供的姿态解算精度会随时间而发散，即长期稳定性差；在长时间范围内，导航误差增长的速率主要由初始对准精度、系统所使用的惯性敏感器缺陷和运载体运动轨迹的动态特性决定；虽然采用更精确的敏感器可以提高精度，但惯性系统的成本会变得极为昂贵，且提高的精度也是有限的，不能解决误差积累问题；除了那些不容易替代的特殊战略系统，如潜艇导航系统或其他战略平台和导弹系统外，大多数情况下不宜采用昂贵的惯性导航系统；近年来颇受关注且适于多种应用的一种方法是组合导航技术，该技术采用某些来自导航系统以外的附加导航信息源对同一导航信息作测量并解算以形成新测量，从这些新测量中计算出各导航系统的误差并对其进行校正，如文献“张丽杰,、常佶，小型飞行器MEMS 姿态测量系统，振动、测试与诊断，2010，Vol.30(6): 698-702”采用三轴加速度计和单轴速率陀螺构建系统, 利用加速度计测量信息直接修正方向余弦矩阵来抑制姿态角的误差积累, 并进行姿态测量试验；目前很多导航的姿态修正方法都是为了简化问题直接假设测量条件，所得观测模型误差大，当导航时间较长时不能满足要求。
发明内容
为了克服现有飞行姿态修正为了简化问题直接假设测量条件带来积累误差过大的问题，本发明提供了一种基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型，该模型通过三个角速度预测三个参考状态，再由该参考状态估计飞行器俯仰、滚转角，在此基础上直接通过机体坐标系下的过载、GPS的东向、北向速度和飞行器俯仰、滚转角直接估计出偏航角，通过引入参考状态并建立新观测模型，减少了直接假设测量条件带来的姿态积累误差，有利于飞行安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型，其特点是包括以下步骤：
1、  建立飞行器参考状态方程：
Figure 513747DEST_PATH_IMAGE001
和观测方程：
Figure 815415DEST_PATH_IMAGE002
其中： ,
Figure 500791DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 808276DEST_PATH_IMAGE005
为参考状态，
Figure 698872DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure 495926DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 42445DEST_PATH_IMAGE008
分别为沿飞行器机体轴系
Figure 215938DEST_PATH_IMAGE009
轴的过载；
Figure 226619DEST_PATH_IMAGE010
为飞行器质心与地球表面垂线方向的过载，
Figure 132258DEST_PATH_IMAGE011
为高度；
Figure 228390DEST_PATH_IMAGE012
为重力加速度，
Figure 939994DEST_PATH_IMAGE013
为地球自转的修正量，
Figure 742865DEST_PATH_IMAGE014
分别为滚转、俯仰、偏航角速度，全申请书符号定义相同；
2、  采用滤波估计方法估计三个参考状态得到测量更新；
3、  根据三个参考状态估计俯仰、滚转角：
Figure 881722DEST_PATH_IMAGE015
，如果，则
Figure 652549DEST_PATH_IMAGE017
；如果
Figure 637823DEST_PATH_IMAGE018
，则
Figure 947581DEST_PATH_IMAGE019
；
其中：
Figure 955989DEST_PATH_IMAGE020
分别指俯仰、滚转角；
4、根据以下方程组中的某一个估计偏航角
Figure 9395DEST_PATH_IMAGE021
其中：
Figure 849175DEST_PATH_IMAGE022
指飞行器偏航角，
Figure 270448DEST_PATH_IMAGE023
分别指GPS测得的飞行器东向和北向速度。
本发明的有益效果是：通过飞行器运动方程中的姿态方程，建立了正确的飞行器姿态观测模型，减少了直接假设测量条件带来的姿态积累误差，有利于飞行安全。
建立观测方程：
下面结合实施例对本发明作详细说明。
具体实施方式
1、        建立飞行器参考状态方程：
Figure 562889DEST_PATH_IMAGE001
和观测方程：
Figure 419987DEST_PATH_IMAGE002
其中：
Figure 51956DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 703518DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 748834DEST_PATH_IMAGE005
为参考状态，
Figure 81726DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure 630519DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 656244DEST_PATH_IMAGE008
分别为沿飞行器机体轴系
Figure 923277DEST_PATH_IMAGE009
轴的过载；
Figure 59861DEST_PATH_IMAGE010
为飞行器质心与地球表面垂线方向的过载，
Figure 463160DEST_PATH_IMAGE011
为高度；
Figure 722103DEST_PATH_IMAGE012
为重力加速度，为地球自转的修正量，
Figure 151128DEST_PATH_IMAGE014
分别为滚转、俯仰、偏航角速度，全申请书符号定义相同；
2、        采用滤波估计方法估计三个参考状态得到测量更新；
3、        根据三个参考状态估计俯仰、滚转角：
Figure 674513DEST_PATH_IMAGE015
，如果
Figure 42040DEST_PATH_IMAGE016
，则；如果
Figure 558789DEST_PATH_IMAGE018
，则；
其中：分别指俯仰、滚转角；
4、根据以下方程估计偏航角
Figure 204031DEST_PATH_IMAGE024
其中：指飞行器偏航角，
Figure 715577DEST_PATH_IMAGE023
分别指GPS测得的飞行器东向和北向速度。

Claims (1)

1.基于加速度计的飞行器姿态三角修正模型，其特点是包括以下步骤：
1) 建立飞行器参考状态方程：
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE001
和观测方程：
其中： 
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE003
,,
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE005
为参考状态，
Figure 601190DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 953674DEST_PATH_IMAGE008
分别为沿飞行器机体轴系
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE009
轴的过载；
Figure 833905DEST_PATH_IMAGE010
为飞行器质心与地球表面垂线方向的过载，
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE011
为高度；为重力加速度，
Figure 2012100472963100001DEST_PATH_IMAGE013
为地球自转的修正量，
Figure 630140DEST_PATH_IMAGE014
分别为滚转、俯仰、偏航角速度，全申请书符号定义相同；
2) 采用滤波估计方法估计三个参考状态得到测量更新；
3) 根据三个参考状态估计俯仰、滚转角：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，如果
Figure 40393DEST_PATH_IMAGE016
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；如果
Figure 825946DEST_PATH_IMAGE018
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
其中：分别指俯仰、滚转角；
4) 根据以下方程组中的某一个估计偏航角
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中：
Figure 916098DEST_PATH_IMAGE022
指飞行器偏航角，分别指GPS测得的飞行器东向和北向速度。
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