CN109000682B - 基于直线航迹的空中粗对准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直线航迹的空中粗对准的方法，包括：建立空中粗对准触发条件；在无人机的实时速度满足空中粗对准触发条件后，要求无人机直线航行，并获取实时的航迹角信息；以及利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点解算水平姿态角，完成粗对准。该方法解决了船载无人机惯性导航系统初始对准受海浪波动影响的问题，通过速度门限隔离判别无人机的升降起飞和直线作业过程；减小了船载无人机因惯性导航系统对准需要的起飞前静止时间，利用无人机加速直线飞行过程完成初始姿态的对准，很好的提高了飞行效率。

Description

基于直线航迹的空中粗对准的方法

技术领域

本公开属于惯性导航系统和初始对准技术领域，涉及一种基于直线航迹的空中粗对准的方法。

背景技术

初始对准技术是惯性导航系统的关键技术之一，初始对准技术的优劣将直接影响到系统导航精度的高低，因此提高惯性导航系统的初始对准技术具有重要的理论和实际意义。

惯性导航的传统初始对准方法主要包括：1)地面静止对准，主要适用于陆地车载设备，国内外产品多采用这种方法；2)动基座对准，主要针对海上船载设备，但受海浪大小、船舶载重等因素限制；3)全球卫星定位系统(GNSS)辅助对准，采用双GNSS系统进行快速对准；4)其他辅助对准方法，例如传递对准、磁罗盘辅助对准等。

惯性导航系统分为粗对准和精对准两个过程。粗对准是精对准的前提，精对准的精度、速度和可靠性很大程度上取决于粗对准的精度。对于目前的船载无人机惯性导航系统来说，在海上面临着因船舶晃动给初始对准带来的困扰，无法通过良好静止完成粗对准的应用问题，从而使惯性导航系统初始对准的实时性和可靠性受到严重影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于直线航迹的空中粗对准的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于直线航迹的空中粗对准的方法，包括：建立空中粗对准触发条件；在无人机的实时速度满足空中粗对准触发条件后，要求无人机直线航行，并获取实时的航迹角信息；以及利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点，根据有效的采样点信息解算水平姿态角，完成粗对准。

在本公开的一些实施例中，建立空中粗对准触发条件的步骤包括：根据船舶与无人机的正常航行速度选取合适的速度值，将选取的合适的速度值用作空中粗对准触发条件的参考速度，将无人机的实时速度大于等于参考速度作为空中粗对准的触发条件；其中，选取合适的速度值依据无人机系统的飞行状态进行选择，得到的参考速度满足如下条件：在无人机系统上电和升降过程中，满足V_c＞V_cb；在无人机以正常航行速度进行直线飞行过程中，满足V_c＜V_cf；其中，V_c为参考速度；V_cb为船舶的正常航行速度；V_cf为无人机的正常航行速度。

在本公开的一些实施例中，参考速度V_c满足：

在本公开的一些实施例中，利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点，根据有效的采样点信息解算水平姿态角，完成粗对准，包括：利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点的航迹角信息解算航向角，并结合有效的采样点对应的惯性测量器件输出的三轴加速度信息获取俯仰角和横滚角，完成粗对准。

在本公开的一些实施例中，利用有效的采样点对应的惯性测量器件输出的三轴加速度信息获取的俯仰角θ_x和横滚角θ_y，满足：

其中，A_r，x，A_r，y，A_r，z分别为无人机直线飞行T_m时间内惯性测量器件输出的x，y，z三个轴加速度平均值；A_r为直线飞行T_m时间内的平均加速度模量；T_m为无人机直线航迹的评价时长；m为T_m时间内的采样点个数。

在本公开的一些实施例中，利用有效的采样点的航迹角信息解算的航向角θ_z，满足：

其中，θ_r为航迹角；θ_r，j为每个采样点对应的航迹角。

在本公开的一些实施例中，直线航迹可靠性评价指标是结合航迹角误差要求获得的，包括：将安装角误差和偏航角误差的算数和作为航迹角误差的参考标准，将无人机直线航迹的扰动角误差与参考标准的比较结果作为可靠性评价的指标。

在本公开的一些实施例中，可靠性评价的指标满足：

其中，δ_r为无人机直线航迹在T_m时间内总体的可靠性评价指标；T_m为无人机直线航迹的评价时长；m为T_m时间内的采样点个数；δ_r，i为每个采样点的可靠性评价指标；dθ_r，i为每个采样点的扰动角误差；dθ_m为惯性测量器件的安装角误差；dθ_w为由于侧风引起的偏航角误差；|*|表示绝对值运算。

在本公开的一些实施例中，利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点基于如下条件：

当判定有效时，该段时间内采样点的信息能用于解算水平姿态角；

当判定无效时，重新进行采样，继续获取其他时间段的实时的航迹角信息，直至判定有效。

在本公开的一些实施例中，无人机直线航迹的评价时长T_m内每个采样点的扰动角误差dθ_r，i满足：

其中，θ_r，i，θ_r，j为每个采样点对应的航迹角。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于直线航迹的空中粗对准的方法，具有以下有益效果：

根据无人机系统不同的飞行状态建立空中粗对准触发条件的参考速度，然后使无人机沿着直线航迹飞行，精确计算实时的航迹角，并结合航迹角误差要求建立直线航迹可靠性评价指标，对有效的航迹角解算航向角，并结合三轴加速度信息获得俯仰角和横滚角，解决了船载无人机惯性导航系统初始对准受海浪波动影响的问题，通过速度门限隔离判别无人机的升降起飞和直线作业过程；减小了船载无人机因惯性导航系统对准需要的起飞前静止时间，利用无人机加速直线飞行过程完成初始姿态的对准，很好的提高了飞行效率。

附图说明

图1为根据本公开实施例基于直线航迹的空中粗对准的方法流程图。

图2为根据本公开实施例基于直线航迹的空中粗对准的方法的操作过程图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于直线航迹的空中粗对准的方法，解决了船载无人机惯性导航系统初始对准受海浪波动影响的问题，通过速度门限隔离判别无人机的升降起飞和直线作业过程；减小了船载无人机因惯性导航系统对准需要的起飞前静止时间，利用无人机加速直线飞行过程完成初始姿态的对准，很好的提高了飞行效率。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于直线航迹的空中粗对准的方法。

图1为根据本公开实施例基于直线航迹的空中粗对准的方法流程图。图2为根据本公开实施例基于直线航迹的空中粗对准的方法的操作过程图。

结合图1和图2所示，本公开的基于直线航迹的空中粗对准的方法，包括：

步骤S102：根据船舶与无人机的正常航行速度选取合适的速度值，建立空中粗对准触发条件；

本步骤中，根据船舶与无人机的正常航行速度选取合适的速度值，将选取的合适的速度值用作空中粗对准触发条件的参考速度。

假设船舶的正常航行速度为V_cb，无人机的正常航行速度为V_cf(一般情况下V_cf＞V_cb)，根据无人机系统不同的飞行状态建立空中粗对准触发条件的参考速度，那么选取合适的速度值作为参考速度满足如下条件：

(1)无人机系统上电和升降过程，无人机相对大地的速度与船舶的正常航行速度几乎一致，此过程中参考速度应该大于无人机相对大地的速度，以规避船舶晃动的影响而不触发空中粗对准算法，即应该满足V_c＞V_cb；

(2)无人机以正常航行速度进行直线飞行过程中，参考速度应该小于无人机正常航行速度，以确保空中粗对准算法能够在正常飞行之前及时触发，即应该满足V_c＜V_cf；

结合上述两个条件，本实施例中，选择的参考速度满足如下条件：

空中粗对准的触发条件是无人机的实时速度V_r满足：

V_r≥V_c (2)

步骤S104：满足空中粗对准触发条件后，要求无人机直线航行，并获取实时的航迹角信息；

本步骤中，无人机直线航行的指令进行触发的条件即为空中粗对准触发条件，如果空中粗对准触发条件不满足，即无人机的实时速度小于参考速度，那么不要求无人机的航行轨迹，直至其航行的实时速度不小于参考速度为止，开始进行直线航行。

当无人机沿着直线航迹飞行时，机头方向与航迹方向将保持良好的一致性，其中机头方向与惯性导航系统的航向指向一致，这样就可以通过计算航迹角来获得惯性导航系统的航向角；这里的航迹角指的是航迹方向与正北的夹角，航向角指的是惯性导航系统的航向指向与正北的夹角。

本实施例中，假设无人机直线航行的东向速度为V_re，北向速度为V_rn，则无人机的航行速度为

定义航迹角θ_r为航迹方向与正北的夹角，逆时针为正，范围为[0，2π)，则航迹角的计算公式可表示如下：

步骤S106：结合航迹角误差要求，建立直线航迹可靠性评价指标；

影响航迹角误差的主要因素包括：无人机直线航迹的扰动角误差、惯性测量器件的安装角误差、侧风引起的偏航角误差。扰动角表示实时航迹角与平均航迹角的夹角；安装角表示惯性导航系统航向指向与机头方向间的夹角；偏航角表示机头方向与航迹方向间的夹角。

由于短时间内安装角误差和偏航角误差都是不变的，而且也是空中粗对准方法无法观测的固有误差，所以将安装角误差和偏航角误差的算数和作为航迹角误差的参考标准，将无人机直线航迹的扰动角误差与参考标准的比较结果作为可靠性评价的指标。

本实施例中，假设无人机直线航迹的评价时长为T_m，该评价时长可根据经验设定，例如T_m＝10s；m为T_m时间内的采样点个数；每个采样点对应的航迹角为θ_r，j，则在评价时间内每个采样点的扰动角误差dθ_r，i满足：

假设惯性测量器件的安装角误差为dθ_m，由于侧风引起的偏航角误差为dθ_w，则无人机直线航迹在T_m时间内每个采样点的可靠性评价指标δ_r，i可表示为：

于是无人机直线航迹在T_m时间内总体(所有采样点)的可靠性评价指标δ_r可表示为：

然后根据总体的可靠性评价指标δ_r判别该空中粗对准的方法是否有效，判别公式如下：

那么结合公式(5)～(7)可知，当T_m时间内所有采样点的扰动角误差的绝对值均小于安装角误差和偏航角误差的算数和的绝对值时，这里的每个采样点才均是有效的采样点，否则，只要存在一个采样点的扰动角误差的绝对值超过安装角误差和偏航角误差的算数和的绝对值，那么就影响了该段采样的有效性，需要重新进行采样，利用步骤S104中的实时航迹角信息依据公式(4)所示的每个采样点的扰动角误差计算公式进行解算，得到实时的扰动角误差信息，并计算连续m个采样点是否均满足上述判别条件，直至该方法有效。

步骤S108：利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点，根据有效的采样点信息解算水平姿态角，完成粗对准；

该步骤S108包括：利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点的航迹角信息解算航向角，并结合有效的采样点对应的惯性测量器件输出的三轴加速度信息获取俯仰角和横滚角，完成粗对准。

本实施例中，假设利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点对应的无人机直线飞行T_m时间内惯性测量器件输出的x，y，z三个轴加速度平均值分别为：

则定义该过程的平均加速度模量为：

对应求解出无人机的俯仰角θ_x和横滚角θ_y，结果如下：

无人机的航向角θ_z通过获取的航迹角θ_r估计求得：

于是，通过上述基于直线航迹的空中粗对准的方法可求得船载无人机惯性导航系统的三个初始水平姿态角：俯仰角、横滚角和航向角，将上述水平姿态角的信息进行输出，粗对准完成。

本公开的基于直线航迹的空中粗对准的方法的误差来源主要包括：

(1)惯性测量器件的安装角误差：由于安装误差的存在，会导致机头方向与惯性导航系统的航向指向不一致，该误差相对较小；

(2)侧风引起的偏航角误差：无人机受侧风影响时，会导致机头方向与航迹方向不一致，形成偏航角(即机头方向与航迹方向的夹角)。

以上两种误差是本发明提出的空中粗对准的方法的固有误差，需要通过其他精对准方法来提高初始对准的精度。

综上所述，本公开提供了一种基于直线航迹的空中粗对准的方法，根据无人机系统不同的飞行状态建立空中粗对准触发条件的参考速度，然后使无人机沿着直线航迹飞行，精确计算实时的航迹角，并结合航迹角误差要求建立直线航迹可靠性评价指标，对有效的航迹角解算航向角，并结合三轴加速度信息获得俯仰角和横滚角，解决了船载无人机惯性导航系统初始对准受海浪波动影响的问题，通过速度门限隔离判别无人机的升降起飞和直线作业过程；减小了船载无人机因惯性导航系统对准需要的起飞前静止时间，利用无人机加速直线飞行过程完成初始姿态的对准，很好的提高了飞行效率。

需要说明的是，说明书中未作详细描述的内容属于本领域的技术人员公知的现有技术。当然，根据实际需要，本公开的基于直线航迹的空中粗对准的方法还包含其他的常用方法和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于直线航迹的空中粗对准的方法，包括：

建立空中粗对准触发条件；

在无人机的实时速度满足空中粗对准触发条件后，要求无人机直线航行，并获取实时的航迹角信息；以及

利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点，根据有效的采样点信息解算水平姿态角，完成粗对准；

其中，所述建立空中粗对准触发条件的步骤包括：

根据船舶与无人机的正常航行速度选取合适的速度值，将选取的合适的速度值用作空中粗对准触发条件的参考速度，将无人机的实时速度大于等于参考速度作为空中粗对准的触发条件；

其中，所述选取合适的速度值依据无人机系统的飞行状态进行选择，得到的参考速度满足如下条件：

在无人机系统上电和升降过程中，满足V_c＞V_cb；

在无人机以正常航行速度进行直线飞行过程中，满足V_c＜V_cf；

其中，V_c为参考速度；V_cb为船舶的正常航行速度；V_cf为无人机的正常航行速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述参考速度V_c满足：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点，根据有效的采样点信息解算水平姿态角，完成粗对准，包括：

利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点的航迹角信息解算航向角，并结合有效的采样点对应的惯性测量器件输出的三轴加速度信息获取俯仰角和横滚角，完成粗对准。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，利用所述有效的采样点对应的惯性测量器件输出的三轴加速度信息获取的俯仰角θ_x和横滚角θ_y，满足：

其中，A_r，x，A_r，y，A_r，z分别为无人机直线飞行T_m时间内惯性测量器件输出的x，y，z三个轴加速度平均值；A_r为直线飞行T_m时间内的平均加速度模量；T_m为无人机直线航迹的评价时长；m为T_m时间内的采样点个数。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，利用所述有效的采样点的航迹角信息解算的航向角θ_z，满足：

其中，θ_r为航迹角；θ_r，j为每个采样点对应的航迹角，T_m为无人机直线航迹的评价时长；m为T_m时间内的采样点个数。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述直线航迹可靠性评价指标是结合航迹角误差要求获得的，包括：

将安装角误差和偏航角误差的算数和作为航迹角误差的参考标准，将无人机直线航迹的扰动角误差与参考标准的比较结果作为可靠性评价的指标。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述可靠性评价的指标满足：

其中，δ_r为无人机直线航迹在T_m时间内总体的可靠性评价指标；T_m为无人机直线航迹的评价时长；m为T_m时间内的采样点个数；δ_r，i为每个采样点的可靠性评价指标；dθ_r，i为每个采样点的扰动角误差；dθ_m为惯性测量器件的安装角误差；dθ_w为由于侧风引起的偏航角误差；|*|表示绝对值运算。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述利用直线航迹可靠性评价指标判定有效的采样点基于如下条件：

当判定有效时，该段时间内采样点的信息能用于解算水平姿态角；

当判定无效时，重新进行采样，继续获取其他时间段的实时的航迹角信息，直至判定有效。

9.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述无人机直线航迹的评价时长T_m内每个采样点的扰动角误差dθ_r，i满足：

其中，θ_r，i，θ_r，j为每个采样点对应的航迹角。

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