CN105185164B - 一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统 - Google Patents

Abstract

一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统，它是由硬件和软件两部分组成，两者彼此兼容。所述硬件由监视计算机，数传电台，可持续不间断电源UPS及显示屏组成；所述软件包括链路通讯协议解析、监视界面和基于制导模型监视算法。本发明系统通过实时位置、航迹信息和基于制导模型计算产生的位置、航迹等监视信息用以解决无人机系统遥控遥测链路中断情况下失去飞行器位置信息和航迹信息等问题；解决通过“黑障”过程中GPS定位失效,无人机机载系统位置信息发送产生错误导致地面监视系统显示错误监视信息等问题；当无人飞行器失事时可提供预测其失事落点范围等功能。它在航空技术领域里具有广阔地应用前景。

Description

一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统

技术领域

本发明涉及一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统，属于航空技术领域。

背景技术

随着信息技术、电子技术、计算机技术等高新技术在航空领域的广泛应用，固定翼无人飞行器已经成为航空科技领域中最活跃和最重要的发展方向之一，现阶段固定翼无人飞行器正从低空向高空长航时发展，从单一侦查向察打一体，无人作战发展，从低空地速向高空高速、临近空间高超声速发展。其中，固定翼无人飞行器地面监视系统是固定翼无人飞行器系统体系中一子系统，用来监视固定翼无人飞行器位置信息、及航向、航迹等信息。

目前固定翼无人飞行器系统都存在有自己的飞行控制系统，包括其自主控制系统，导航、制导、控制等

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统，它主要是用以解决及改善现有系统通讯链路中断或经过“黑障”情况下，地面失去固定翼无人飞行器相关位置信息、航向信息、航迹信息等，对固定翼无人飞行器失去监视作用。

(二)技术方案

一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统，它是由硬件和软件两部分组成，两者彼此兼容。

所述硬件主要由监视计算机，数传电台，可持续不间断电源(UPS)及显示屏组成。它们之间的位置连接关系及信号走向是：监视计算机位于柜体内部安装平台中间位置，数传电台位于柜体内部安装平台上监视计算机右侧位置，可持续不间断电源(UPS)位于柜体内部安装平台上监视计算机左侧位置，显示屏位于柜体外部，安装于柜体上表面，具体安装位置见图2。监视计算机供电直接连接可持续不间断电源(UPS)，可持续不间断电源(UPS)与市电AC220V连接，数传电台直接通过RS422接口与监视计算机直接连接，显示屏与监视计算机通过VGA接口直接连接，连接关系见图1。数传电台接收到机载信息后与监视计算机进行双向通信，数传电台接收到的数据发送至监视计算机，监视计算机指令发送命令经编码后至数传电台，数传电台转换成无线电信号发送至机载，监视计算机将要显示的信息转换成视频信号发送至显示屏1、显示屏2进行显示，监视计算机的供电由AC200V市电和可持续不间断电源(UPS)一同提供。

该监视计算机是一机双屏两组独立显卡的计算机，其CPU类型:英特尔E3四核处理器，CPU频率：3.3GHz；CPU缓存：8M；内存大小：8GB；显存：4GB；硬盘大小：1TB；电源：AC100-240V；接口：VGA*1，RJ-45*1,USB*4，RS422*2。监视计算机一机双屏，显示屏1用来显示机载回传实时监视信息，显示屏2用来显示基于制导模型计算的监视信息，信息包括经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角。当链路正常情况下，显示屏1与显示屏2均显示固定翼无人飞行器相关监视信息，当链路中断时，显示屏1失去监视信息，显示屏2继续工作显示基于制导模型计算的监视信息；当GPS定位失效时，判定实时回传监视信息错误，显示屏1停止显示固定翼无人飞行器相关监视信息，显示屏2继续工作显示基于制导模型计算的监视信息。

该数传电台是GE MDS SD系列数传电台；它选用RS422接口传输，连接监视计算机，监视计算机供电直接连接可持续不间断电源(UPS)，可持续不间断电源(UPS)与市电AC220V连接，市电正常情况监视计算机供电由市电提供，非正常情况由可持续不间断电源(UPS)提供。数传电台用来接收机载发射数据，通过协议解析获取机载实时位置信息，航向角，航迹角，地速等信息。

该可持续不间断电源(UPS)选用山特C10KS在线式电源，额定功率10KVA，输入电压范围AC120-275V，输入频率范围46-64HZ，输出电压范围：AC220V(1±1％)V。

该显示屏由显示屏1和显示屏2组成；该显示屏1是显示实时监视信息，其面板类型为VA面板，面板尺寸21.5英寸，屏幕比例16:9，分辨率1920*1080，接口VGA,电源AC220V；该显示屏2是显示基于制导模型计算的监视信息，其面板类型为VA面板，面板尺寸21.5英寸，屏幕比例16:9，分辨率1920*1080，接口VGA,电源AC220V。

所述软件包括链路通讯协议解析、监视界面和基于制导模型监视算法。

该链路通讯协议解析是用以解析收到的数据帧，其中数据帧包括帧头、帧尾、校验位、帧标识位以及数据段，帧头为数据帧第一字节对应编码为“AB”，帧标识位为数据帧第二个字节而对应编码为“BB”,“CC”，其中“BB”对应的固定翼无人飞行器位置数据，“CC”对应的是固定翼无人飞行器姿态数据，帧尾为数据帧最后一字节对应编码“FF”，校验位为数据帧倒数第二个字节对应编码为计算数据段累加和后取最后一个字节值。

该基于制导模型监视算法是指进入主流程循环后，先采集外部IO数据进行协议解析，获取实时监视信息，然后进行初始化赋值，调用参量、状态量，输入量计算功能，如图6所示，参量、状态量，输入量计算功能为显示屏2显示判定功能提供相关变量数据，其中包括对环境参量计算、制导模型状态量计算、对输入量计算，环境参量计算调用大气密度与海拔高度计算关系模型，马赫数与地速关系模型，状态量通过主流程中初始化数据获得初始迭代值，然后调用固定翼无人飞行器气动数据进行升力与阻力计算，输入量求解按迎角函数和滚转角函数进行计算获得迎角值和滚转角值，最后通过制导3自由度模型进行迭代计算，求取下一时刻状态量值，以此往复在主循环流程中求解下一时刻状态量值，之后调用显示屏1显示判定功能，调用显示屏2显示判定功能，以此循环实现对固定翼无人飞行器数据监视计算。具体流程见图5

该监视界面是显示屏1显示判定功能和显示屏2显示判定功能数据输出的显示体现，如图3、图4所示，监视界面包括地理图形背景、当前固定翼无人飞行器经、纬、高度位置信息、初始位置信息，目标位置信息以及飞行轨迹。该显示屏1显示判定功能用于显示实时监视信息，首先读取链路数据，通过通讯协议进行解析获取实时固定翼无人飞行器经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角，然后连续三拍判断是否收到实时数据，进而判定其是否中断，如中断转入执行基于制导模型计算监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息。如未中断，根据上一步地速值估计当前位置并与当前时刻实时数据比对，通过判定差值是否在合理范围内来判定实时数据是否有效，实时数据无效转入基于制导模型计算的监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息，如实时数据有效通过显示屏1显示实时监视信息，转入基于制导模型计算监视信息子流程；具体流程见图7

该显示屏2显示判定功能用于补充实时监视，实现基于制导模型监视功能。首先，读取显示屏1显示判定子流程中实时位置、航向、航迹信息以及中断状态，数据有效状态量，根据中断状态进行判定，如实时通讯中断则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据无效则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据有效则根据实时数据与计算的下一时刻计算数据状态量进行差值计算，并将差值量拟合成修正系数带入状态量进行迭代计算，循环往复显示基于制导模型的计算监视信息，在显示屏2中显示。具体流程见图8。

(三)有益效果

本发明系统通过实时位置、航迹信息和基于制导模型计算产生的位置、航迹等监视信息用以

(1)解决固定翼无人飞行器系统遥控遥测链路中断情况下失去固定翼无人飞行器位置信息和航迹信息等问题；

(2)解决通过“黑障”过程中GPS定位失效,固定翼无人飞行器机载系统位置信息发送产生错误导致地面监视系统显示错误监视信息等问题；

(3)当固定翼无人飞行器失事时可提供预测其失事落点范围等功能。

四、附图说明

图1为系统结构及连接关系示意图，图1中，1为连接市电用配电箱，产生AC220V供电；2为可持续不间断电源(UPS)，用于市电断电后维持系统正常工作供电；3为监视计算机，用于计算监视信息并输出显示；4为显示屏1，用于显示实时监视信息；5为显示屏2，用于显示基于制导模型计算的监视信息；6为数传电台，用以接收和发送机载监视信息；

图2为系统位置关系示意图，图2中，3为监视计算机，6为数传电台，2为可持续不间断电源(UPS)，4为显示屏1，5为显示屏2，7为柜体；

图3为显示屏1监视界面；

图4为显示屏2监视界面；

图5为系统软件运行主流程图；

图6为计算参量值、状态量值、输入量值功能子流程图，实现参量、状态量，输入量计算功能；

图7为显示屏1显示判定子流程图，实现显示屏1显示判定功能；

图8为显示屏2显示判定子流程图，实现显示屏2显示判定功能。

五、具体实施方式

见图1—图8，一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统，它是由硬件和软件两部分组成，两者彼此兼容。

所述硬件主要由监视计算机3，数传电台6，可持续不间断电源(UPS)2组成。它们之间的位置连接关系及信号走向是：监视计算机3位于柜体7内部安装平台中间位置，数传电台6位于柜体7内部安装平台上监视计算机3右侧位置，可持续不间断电源(UPS)2位于柜体7内部安装平台上监视计算机3左侧位置，显示屏位于柜体7外部，安装于柜体7上表面，具体安装位置见图2。监视计算机3供电直接连接可持续不间断电源(UPS)2，可持续不间断电源(UPS)2与市电用配电箱1AC220V连接，数传电台6直接通过RS422接口与监视计算机3直接连接，显示屏与监视计算机3通过VGA接口直接连接，连接关系见图1。数传电台6接收到机载信息后与监视计算机3进行双向通信，数传电台6接收到的数据发送至监视计算机3，监视计算机3指令发送命令经编码后至数传电台6，数传电台6转换成无线电信号发送至机载，监视计算机3将要显示的信息转换成视频信号发送至显示屏1、显示屏2进行显示，监视计算机3的供电由市电用配电箱1AC200V市电和可持续不间断电源(UPS)2一同提供。

该监视计算机3是一机双屏两组独立显卡的计算机，其CPU类型:英特尔E3四核处理器，CPU频率：3.3GHz；CPU缓存：8M；内存大小：8GB；显存：4GB；硬盘大小：1TB；电源：AC100-240V；接口：VGA*1，RJ-45*1,USB*4，RS422*2。监视计算机3一机双屏，显示屏1用来显示机载回传实时监视信息，显示屏2用来显示基于制导模型计算的监视信息，信息包括经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角。当链路正常情况下，显示屏1与显示屏2均显示固定翼无人飞行器相关监视信息，当链路中断时，显示屏1失去监视信息，显示屏2继续工作显示基于制导模型计算的监视信息；当GPS定位失效时，判定实时回传监视信息错误，显示屏1停止显示固定翼无人飞行器相关监视信息，显示屏2继续工作显示基于制导模型计算的监视信息。

该数传电台6是GE MDS SD系列数传电台，它选用RS422接口传输，连接监视计算机3，监视计算机3供电直接连接可持续不间断电源(UPS)2，可持续不间断电源(UPS)2与市电用配电箱1AC220V连接，市电正常情况监视计算机3供电由市电提供，非正常情况由可持续不间断电源(UPS)2提供。数传电台6用来接收机载发射数据，通过协议解析获取机载实时位置信息，航向角，航迹角，地速等信息。

该可持续不间断电源(UPS)选用山特C10KS在线式电源，额定功率10KVA，输入电压范围AC120-275V，输入频率范围46-64HZ，输出电压范围：AC220V(1±1％)V。

该显示屏由显示屏1和显示屏2组成；该显示屏1是显示实时监视信息，其面板类型为VA面板，面板尺寸21.5英寸，屏幕比例16:9，分辨率1920*1080，接口VGA,电源AC220V；该显示屏2是显示基于制导模型计算的监视信息，其面板类型为VA面板，面板尺寸21.5英寸，屏幕比例16:9，分辨率1920*1080，接口VGA,电源AC220V。

所述软件包括链路通讯协议解析、监视界面和基于制导模型监视算法。

该链路通讯协议解析是用以解析收到的数据帧，其中数据帧包括帧头、帧尾、校验位、帧标识位以及数据段，帧头为数据帧第一字节对应编码为“AB”，帧标识位为数据帧第二个字节而对应编码为“BB”,“CC”，其中“BB”对应的固定翼无人飞行器位置数据，“CC”对应的是固定翼无人飞行器姿态数据，帧尾为数据帧最后一字节对应编码“FF”，校验位为数据帧倒数第二个字节对应编码为计算数据段累加和后取最后一个字节值。

基于制导模型监视算法是指进入主流程循环后，先采集外部IO数据进行协议解析，获取实时监视信息，然后进行初始化赋值，调用参量、状态量，输入量计算功能，如图6所示，参量、状态量，输入量计算功能为显示屏2显示判定功能提供相关变量数据，其中包括对环境参量计算、制导模型状态量计算、对输入量计算，环境参量计算调用大气密度与海拔高度计算关系模型，马赫数与地速关系模型，状态量通过主流程中初始化数据获得初始迭代值，然后调用固定翼无人飞行器气动数据进行升力与阻力计算，输入量求解按迎角函数和滚转角函数进行计算获得迎角值和滚转角值，最后通过制导3自由度模型进行迭代计算，求取下一时刻状态量值，以此往复在主循环流程中求解下一时刻状态量值，之后调用显示屏1显示判定功能，调用显示屏2显示判定功能，以此循环实现对固定翼无人飞行器数据监视计算。具体流程见图5

该监视界面是显示屏1显示判定功能和显示屏2显示判定功能数据输出的显示体现，如图3、图4所示，监视界面包括地理图形背景、当前固定翼无人飞行器经、纬、高度位置信息、初始位置信息，目标位置信息以及飞行轨迹。该显示屏1显示判定功能用于显示实时监视信息，首先读取链路数据，通过通讯协议进行解析获取实时固定翼无人飞行器经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角，然后连续三拍判断是否收到实时数据，进而判定其是否中断，如中断转入执行基于制导模型计算监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息。如未中断，根据上一步地速值估计当前位置并与当前时刻实时数据比对，通过判定差值是否在合理范围内来判定实时数据是否有效，实时数据无效转入基于制导模型计算的监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息，如实时数据有效通过显示屏1显示实时监视信息，转入基于制导模型计算监视信息子流程；具体流程见图7

该显示屏2显示判定功能用于补充实时监视，实现基于制导模型监视功能。首先，读取显示屏1显示判定子流程中实时位置、航向、航迹信息以及中断状态，数据有效状态量，根据中断状态进行判定，如实时通讯中断则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据无效则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据有效则根据实时数据与计算的下一时刻计算数据状态量进行差值计算，并将差值量拟合成修正系数带入状态量进行迭代计算，循环往复显示基于制导模型的计算监视信息，在显示屏2中显示。具体流程见图8

具体实施如下：

1，监视计算机3上电，接通数传电台6；

2，读取链路数据，通过通讯协议进行解析获取实时固定翼无人飞行器经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角；

3，系统初始化后进行循环；

4，读取大气模型、声速模型、固定翼无人飞行器气动数据，迎角模型、计算固定翼无人飞行器当前升力、阻力，迎角、滚转角值；(此处所用制导逻辑需与机载飞控制导逻辑一致)

5，获取链路数据，通过通讯协议进行解析获取实时固定翼无人飞行器经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角；

6，将固定翼无人飞行器状态参量经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角和固定翼无人飞行器初始输入量迎角、滚转角带入固定翼无人飞行器3自由度模型；

7，基于模型进行迭代计算，计算下一状态量和输出量高度变化率、经度变化率、纬度变化率、地速变化率、航向角变化率、航迹角变化率；

8，获取下一时刻实时位置、航向、航迹信息；

9，连续三拍判断是否收到实时数据，进而判定其是否中断，如中断转入执行基于制导模型计算监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息。如未中断，根据上一步地速值估计当前位置并与当前时刻实时数据比对，通过判定差值是否在合理范围内来判定实时数据是否有效，实时数据无效转入基于制导模型计算的监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息，如实时数据有效通过显示屏1显示实时监视信息，转入基于制导模型计算监视信息子流程；

10，读取显示屏1显示判定子流程中实时位置、航向、航迹信息以及中断状态，数据有效状态量，根据中断状态进行判定，如实时通讯中断则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据无效则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据有效则根据实时数据与计算的下一时刻计算数据状态量进行差值计算，并将差值量拟合成修正系数带入状态量进行迭代计算，循环往复显示基于制导模型的计算监视信息，在显示屏2中显示；

11，外部中断，停止运行系统。

12，结束，关机。

Claims (1)

1.一种基于制导模型的固定翼无人飞行器监视系统，其特征在于：它是由硬件和软件两部分组成，两者彼此兼容；

所述硬件由监视计算机，数传电台，可持续不间断电源UPS及显示屏组成；监视计算机位于柜体内部安装平台中间位置，数传电台位于柜体内部安装平台上监视计算机右侧位置，可持续不间断电源UPS位于柜体内部安装平台上监视计算机左侧位置，显示屏位于柜体外部，安装于柜体上表面；监视计算机供电直接连接可持续不间断电源UPS，可持续不间断电源UPS与市电AC220V连接，数传电台直接通过RS422接口与监视计算机直接连接，显示屏与监视计算机通过VGA接口直接连接，数传电台接收到机载信息后与监视计算机进行双向通信，数传电台接收到的数据发送至监视计算机，监视计算机指令发送命令经编码后至数传电台，数传电台转换成无线电信号发送至机载，监视计算机将要显示的信息转换成视频信号发送至显示屏1、显示屏2进行显示，监视计算机的供电由AC200V市电和可持续不间断电源UPS一同提供；

该监视计算机是一机双屏两组独立显卡的计算机，监视计算机一机双屏，显示屏1用来显示机载回传实时监视信息，显示屏2用来显示基于制导模型计算的监视信息，信息包括经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角；当链路正常情况下，显示屏1与显示屏2均显示飞行器相关监视信息，当链路中断时，显示屏1失去监视信息，显示屏2继续工作显示基于制导模型计算的监视信息；当GPS定位失效时，判定实时回传监视信息错误，显示屏1停止显示飞行器相关监视信息，显示屏2继续工作显示基于制导模型计算的监视信息；

该数传电台是GE MDS SD系列数传电台；它选用RS422接口传输，连接监视计算机，监视计算机供电直接连接UPS，UPS与市电AV220连接，市电运行正常情况下，监视计算机供电由市电提供，非正常情况由UPS提供；数传电台用来接收机载发射数据，通过协议解析获取机载实时位置信息，航向角，航迹角，地速信息；

该可持续不间断电源UPS是山特C10KS在线式电源，额定功率10KVA，输入电压范围120-275V，输入频率范围46-64HZ，输出电压范围：AC220V(1±1％)V；

该显示屏由显示屏1和显示屏2组成；该显示屏1是显示实时监视信息，其面板类型为VA面板，面板尺寸21.5英寸，屏幕比例16:9，分辨率1920*1080，接口VGA,电源AC220V；该显示屏2是显示基于制导模型计算的监视信息，其面板类型为VA面板，面板尺寸21.5英寸，屏幕比例16:9，分辨率1920*1080，接口VGA,电源AC220V；

所述软件包括链路通讯协议解析、监视界面和基于制导模型监视算法；

该链路通讯协议解析是用以解析收到的数据帧，其中数据帧包括帧头、帧尾、校验位、帧标识位以及数据段，帧头为数据帧第一字节对应编码为“AB”，帧标识位为数据帧第二个字节而对应编码为“BB”,“CC”，其中“BB”对应的无人机位置数据，“CC”对应的是无人机姿态数据，帧尾为数据帧最后一字节对应编码“FF”，校验位为数据帧倒数第二个字节对应编码为计算数据段累加和后取最后一个字节值；

该基于制导模型监视算法是指进入主流程循环后，先采集外部IO数据进行协议解析，获取实时监视信息，然后进行初始化赋值，调用参量、状态量，输入量计算功能，参量、状态量，输入量计算功能为显示屏2显示判定功能提供相关变量数据，其中包括对环境参量计算、制导模型状态量计算、对输入量计算，环境参量计算调用大气密度与海拔高度计算关系模型，马赫数与地速关系模型，状态量通过主流程中初始化数据获得初始迭代值，然后调用飞行器气动数据进行升力与阻力计算，输入量求解按迎角函数和滚转角函数进行计算获得迎角值和滚转角值，最后通过制导3自由度模型进行迭代计算，求取下一时刻状态量值，以此往复在主循环流程中求解下一时刻状态量值，之后调用显示屏1显示判定功能，调用显示屏2显示判定功能，以此循环实现对固定翼无人飞行器数据监视计算；

该监视界面反映了显示屏1显示判定功能和显示屏2显示判定功能的相关输出数据，监视界面包括地理图形背景、当前飞行器经、纬、高度位置信息、初始位置信息，目标位置信息以及飞行轨迹；该显示屏1显示判定功能用于显示实时监视信息，首先读取链路数据，通过通讯协议进行解析获取实时飞行器经度、纬度、高度、地速、航向角、航迹角，然后连续三拍判断是否收到实时数据，进而判定其是否中断，如中断转入执行基于制导模型计算监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息；如未中断，根据上一步地速值估计当前位置并与当前时刻实时数据比对，通过判定差值是否在合理范围内来判定实时数据是否有效，实时数据无效转入基于制导模型计算的监视信息子流程，显示屏1不显示监视信息，如实时数据有效通过显示屏1显示实时监视信息，转入基于制导模型计算监视信息子流程；该显示屏2显示判定功能用于补充实时监视，实现基于制导模型监视功能；首先，读取显示屏1显示判定子流程中实时位置、航向、航迹信息以及中断状态，数据有效状态量，根据中断状态进行判定，如实时通讯中断则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息；如实时通讯未中断且数据无效则直接基于上一次有效实时数据进行基于制导模型的迭代计算并显示计算监视信息，如实时通讯未中断且数据有效则根据实时数据与计算的下一时刻计算数据状态量进行差值计算，并将差值量拟合成修正系数带入状态量进行迭代计算，循环往复显示基于制导模型的计算监视信息，在显示屏2中显示。