CN109032153A - 基于光电-惯性组合导引的无人机自主着舰方法和系统 - Google Patents

Abstract

为了克服现有无人机自主着舰技术所存在的不足，本发明提供了一种基于光电‑惯性组合导引的无人机自主着舰方法和系统。本发明将船体自带惯性导航系统的坐标系作为总参考坐标系(基准)，通过船体上的光电跟踪系统获取无人机相对舰体的位置、速度，通过船体自带惯性导航系统获取舰船相对于当地地理坐标系的位置、速度，通过无人机捷联惯导测量得到无人机自身相对于当地地理坐标系的位置和速度，再将这些位置、速度信息传递给无人机卡尔曼滤波器进行组合导航，无论外部是否有卫星信号，无人机都可进行光电‐INS组合导航，使无人机着舰过程中摆脱了对外部GPS或北斗信号的依赖。

Description

基于光电-惯性组合导引的无人机自主着舰方法和系统

技术领域

本发明属于目标跟踪测量、导航定位技术领域，涉及一种使用惯性导航系统和光电跟踪系统进行无人机引导的自主着舰方法和系统。

背景技术

无人机自主着舰是指无人机依赖机载的导航设备和飞行控制系统来进行定位导航并最终控制无人机降落在甲板上的过程。要想实现无人机自主着舰，无人机必须具备自主导航能力，因此高精度的自主导航技术是无人机自主着舰的关键技术。目前国内外研究的用于无人机自主着舰的导航技术包括：惯性导航系统(INS)、GPS导航、INS‐GPS组合导航系统和视觉导航系统。其中，惯性导航系统是最早最成熟的导航技术，它利用陀螺、加速度计等惯性元器件感受无人机在运动过程中的加速度，然后通过积分运算，得到机体大概位置与速度等导航参数，它最大的缺点是误差会随着时间的推移而不断累加；GPS导航应用最为广泛，技术也相对成熟，它利用导航卫星来进行导航定位，具有精度高，使用简单等优点，但由于完全依靠卫星导航，存在空间卫星结构不能保证100％的覆盖率，以及飞行器在飞行过程中的飞行动作可能会影响接收机对信号的接收等缺点；而中国自主搭建的北斗导航系统，也属于卫星导航的范畴，也存在GPS导航的缺点；视觉导航具有成本低的特点，但精度不高。伴随着多种导航技术的出现，人们将不同的导航技术组合，发挥各自的优势，INS‐GPS组合导航是研究最多的一种导航技术，但该组合导航技术仍然依赖于稳定、不受干扰的GPS信号。目前还有一种视觉导航‐惯性组合导航系统，但其在无人机距离舰船较远时难以起到导引作用。

发明内容

为了克服现有无人机自主着舰技术所存在的不足，本发明提供了一种基于光电-惯性组合导引的无人机自主着舰方法和系统，以使无人机在着舰过程中摆脱对外部GPS或北斗信号的依赖，同时保证导引精度。

本发明的技术方案是：

基于光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建系统：

在舰船的船体上设置主控系统和光电跟踪系统，所述光电跟踪系统包括光电平台，光电平台上搭载有光学系统和用于测量光电平台姿态信息的光电平台捷联惯导，光学系统包括相机及激光测距仪；

2)标定：

以船体自带惯性导航系统的坐标系作为总参考坐标系，标定光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系；若光电跟踪系统有多台，还应标定各光电跟踪系统之间的相对位置关系；

3)搜索：

光电跟踪系统搜索无人机，若未发现无人机，则继续搜索；若发现无人机，则确定无人机相对于船体所在区域，进入步骤4)；

4)测量第一机船相对运动信息，即无人机在所述总参考坐标系中的三维坐标和速度信息；

当采用一台光电跟踪系统测量一个无人机的三维坐标时：

4.1)光电跟踪系统指向无人机所在区域，锁定无人机并进行光电跟踪测量，得到无人机相对于光电跟踪系统的斜距、方位角、俯仰角并发送给主控系统，同时，光电跟踪系统中的光电平台捷联惯导获取光电平台姿态信息并发送给主控系统；

4.2)主控系统根据步骤4.1)获取的所述斜距、方位角、俯仰角、光电平台姿态信息，以及事先标定的光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系，得到无人机相对于总参考坐标系的三维坐标和速度信息；

当采用多台光电跟踪系统同时测量一台无人机的三维坐标时：

4.1)多台光电跟踪系统同时指向无人机所在区域，锁定无人机并进行光电跟踪测量，得到无人机相对于多台光电跟踪系统的多组斜距、方位角和俯仰角并发送给主控系统，同时，所述多台光电跟踪系统中的光电平台捷联惯导获取各自光电平台姿态信息并发送给主控系统；

4.2)主控系统将步骤4.1)获取的所述多组斜距、方位角、俯仰角、光电平台姿态信息，以及事先标定的光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系进行融合，得到无人机相对于总参考坐标系的三维坐标和速度信息；

5)主控系统将步骤4)获取的第一机船相对运动信息以及当前舰船相对于当地地理坐标系的运动信息发送给相应的无人机；

6)无人机飞控及制导解算单元根据所述舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，将所述第一机船相对运动信息转化为第一机地相对运动信息，即转化为无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息；

7)将无人机捷联惯导测得的无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息定义为第二机地相对运动信息，将第一机地相对运动信息和第二机地相对运动信息的差值输入无人机卡尔曼滤波器，进行组合导航，得到第二机船相对运动信息，所述第二机船相对运动信息即组合导航后无人机相对于总参考坐标系的位置、速度及姿态信息；

8)将所述第二机船相对运动信息传递给无人机飞控及制导解算单元进行着舰制导；

9)判断是否引导无人机着舰完成，若未完成，则返回步骤4)；若完成，则结束任务。

进一步地，所述步骤3)中无人机相对于船体所在区域是通过无人机相对于光电跟踪系统坐标系的方位角和俯仰角确定的。

进一步地，所述步骤4.1)中光电平台捷联惯导获取光电平台姿态信息的方法：

4.1.1)船体自带惯性导航系统获取舰船运动的位置、速度及角速率信息；光电平台捷联惯导同时导航解算光电平台的位置、速度及角速率信息；

4.1.2)主控系统将两者获取的信息转化到同一坐标系中进行比较，将差值送入主控系统中的卡尔曼滤波器，根据主控系统中卡尔曼滤波器的输出对光电平台捷联惯导进行姿态修正，得到最终的光电平台姿态信息。

本发明还提供了一种基于上述光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰方法所使用的无人机自主着舰系统，其特殊之处在于：

包括船体自带惯性导航系统、设置在船体上的光电跟踪系统和主控系统，以及无人机自带的无人机捷联惯导、无人机飞控及制导解算单元；

光电跟踪系统至少有一台，单台光电跟踪系统包括跟踪转台和光电平台；跟踪转台用于调整光电平台的方位和俯仰；光电平台上搭载有光学系统、用于测量光电平台实时姿态信息的光电平台捷联惯导和视轴稳像用MEMS/光纤陀螺；光学系统包括相机及激光测距仪；

主控系统包括时序控制单元、解算单元和无线收发单元；时序控制单元用于同步多台光电跟踪系统相机曝光和姿态获取的时序，还用于控制光电跟踪系统的激光测距、位姿获取和相机曝光时序；解算单元用于进行数据解算，获取无人机相对舰船的运动位置和速度；无线收发单元用于实现主控系统和无人机之间的通信；

无人机捷联惯导用于测量无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息；

无人机飞控及制导解算单元用于根据舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，将主控单元获取的无人机相对舰船的运动位置和速度，转换为无人机相对于当地地理坐标系的运动位置和速度；

无人机飞控及制导解算单元包括无人机卡尔曼滤波器，无人机卡尔曼滤波器用于根据所述无人机相对舰船的运动位置和速度、无人机捷联惯导输出的位姿信息以及当前舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，进行组合导航，得到组合导航后无人机相对于舰船的位置、速度和姿态信息；

无人机飞控及制导解算单元根据组合导航后无人机相对于舰船的位置、速度和姿态信息，进行无人机着舰制导。

进一步地，光电跟踪系统有多台，分布在舰船甲板四周，按照双目视觉交会测量原理布设，相邻两台光电跟踪系统之间间隔一定距离，且所有光电跟踪系统的视场覆盖整个空域范围。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明将船体自带惯性导航系统的坐标系作为总参考坐标系(基准)，通过船体上的光电跟踪系统获取无人机相对舰体(运动/静止)的位置、速度，通过船体自带惯性导航系统获取舰船相对于当地地理坐标系的位置、速度，通过无人机捷联惯导测量得到无人机自身相对于当地地理坐标系的位置和速度，再将这些位置、速度信息传递给无人机卡尔曼滤波器进行组合导航，无论外部是否有卫星信号，无人机都可进行光电‐INS组合导航，使无人机着舰过程中摆脱了对外部GPS或北斗信号的依赖。

2、本发明的光电跟踪系统的光电平台上搭载有光电平台捷联惯导，以保证所有光电跟踪系统测量得到的无人机坐标均可转换到总参考坐标系中；由于光电引导过程中存在激光测距仪的距离约束，因而其位置测量精度要高于传统雷达及GPS定位精度，能够为无人机提供更为精确的导引信号。

3、本发明可实现无外部GPS修正的情况下，无人机捷联惯导长时间位姿精度的保持。

附图说明

图1是本发明无人机自主着舰方法的流程图；

图2是本发明无人机自主着舰系统的示意图(侧视图)；

图3是本发明自主着舰系统示意图(俯视图)；

图4是本发明光电跟踪系统平台组件；

图5是本发明光电跟踪系统的测量原理框图；

图6是本发明单台光电跟踪系统获取无人机位置坐标图示；图6中：O_xyzXYZ为总参考坐标系；(x₁,y₁,z₁)和(α₁,β₁,γ₁)为光电平台相机坐标系相对于总参考坐标系的位姿；P(x_p,y_p,z_p)为无人机在总参考坐标系中的坐标；

图7是本发明多台光电跟踪系统获取无人机位置坐标图示；

图8是本发明光电跟踪系统观测无人机位置的功能框图；

图9是本发明无人机飞控光电-INS组合导航功能框图；

图10是无人机飞控制导系统的组成框图。

附图标记说明：1‐船体自带惯性导航系统；2‐主控系统；3‐光电跟踪系统；4‐着舰平台；5‐无人机；

301‐内方位环感应同步器；302‐外方位环感应同步器；303‐内俯仰环感应同步器；304‐外俯仰环感应同步器；305‐内俯仰环电机；306‐外俯仰环电机；307‐内方位环电机；308‐外方位环电机；309‐光电平台；310‐光电平台捷联惯导；311‐光学系统；312‐稳像用MEMS/光纤陀螺。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1、图10，本发明所提供的无人机自主着舰方法，包括以下步骤：

1)搭建系统：

在舰船的船体上设置主控系统和至少一台光电跟踪系统，所述光电跟踪系统包括光电平台，光电平台上搭载有光学系统和用于提供光电平台姿态信息的光电平台捷联惯导，光学系统包括相机及激光测距仪；

2)标定：

以船体自带惯性导航系统的坐标系作为总参考坐标系，标定每一台光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系，以及标定各光电跟踪系统之间的相对位置关系；

3)搜索：

光电跟踪系统搜索无人机，若未发现无人机，则继续搜索；若发现无人机，则确定无人机相对于船体所在区域，进入步骤4)；本步骤中，无人机相对于船体所在区域具体是通过无人机相对于光电跟踪系统坐标系的方位角和俯仰角确定的；

4)测量第一机船相对运动信息，即无人机在所述总参考坐标系中的三维坐标和速度信息；

当采用一台光电跟踪系统测量一个无人机的三维坐标时：

4.1)光电跟踪系统指向无人机所在区域，锁定无人机并进行光电跟踪测量，得到无人机相对于光电跟踪系统的斜距、方位角、俯仰角并发送给主控系统，同时，光电跟踪系统中的光电平台捷联惯导获取光电平台姿态信息并发送给主控系统；

4.2)主控系统根据步骤4.1)获取的所述斜距、方位角、俯仰角、光电平台姿态信息，以及事先标定的光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系，得到无人机相对于总参考坐标系的三维坐标和速度信息；

当采用多台光电跟踪系统同时测量一台无人机的三维坐标时：

4.1)多台光电跟踪系统同时指向无人机所在区域，锁定无人机并进行光电跟踪测量，得到无人机相对于多台光电跟踪系统的多组斜距、方位角和俯仰角并发送给主控系统，同时，所述多台光电跟踪系统中的光电平台捷联惯导获取各自光电平台姿态信息并发送给主控系统；

4.2)主控系统将步骤4.1)获取的所述多组斜距、方位角、俯仰角、光电平台姿态信息，以及事先标定的光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系进行融合(融合的方法为本领域现有已知方法)，得到无人机相对于总参考坐标系的三维坐标和速度信息；

上述步骤4.1)中光电平台捷联惯导获取光电平台姿态信息的方法：

4.1.1)船体自带惯性导航系统获取舰船运动的位置、速度及角速率信息；光电平台捷联惯导同时导航解算光电平台的位置、速度及角速率信息；

4.1.2)主控系统将两者获取的信息转化到同一坐标系中进行比较，将差值送入主控系统中的卡尔曼滤波器，根据主控系统中卡尔曼滤波器的输出对光电平台捷联惯导进行姿态修正，得到最终的光电平台姿态信息；

5)主控系统将步骤4)获取的第一机船相对运动信息以及当前舰船相对于当地地理坐标系的运动信息发送给相应的无人机；当前舰船相对于当地地理坐标系的运动信息是由船体自带惯性导航系统测量得到的，并发送给主控系统；

6)无人机飞控及制导解算单元根据所述舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，将所述第一机船相对运动信息转化为第一机地相对运动信息，即转化为无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息；

7)将无人机捷联惯导测得的无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息定义为第二机地相对运动信息，将第一机地相对运动信息和第二机地相对运动信息的差值输入无人机卡尔曼滤波器，进行组合导航，得到第二机船相对运动信息，所述第二机船相对运动信息即组合导航后无人机相对于总参考坐标系的位置、速度及姿态信息；

8)将所述第二机船相对运动信息传递给无人机飞控及制导解算单元进行着舰制导；

9)判断是否引导无人机着舰完成，若未完成，则返回步骤4)；若完成，则结束任务。

参见图2、3，实现上述无人机自主着舰方法的无人机自主着舰系统，包括船体自带惯性导航系统1、设置在船体上的主控系统2和至少一台光电跟踪系统3，以及无人机自带的无人机捷联惯导、无人机飞控及制导解算单元、执行机构(执行机构是指响应飞控指令的机电部件)等。船体自带惯性导航系统、主控系统、光电跟踪系统、无人机捷联惯导、无人机飞控及制导解算单元、执行机构均可采用现有单元。

船体自带惯性导航系统安装在舰船的船体中心，船体自带惯性导航系统的坐标系作为整个着舰系统的总参考坐标系(即基准坐标系)；

光电跟踪系统有多台时，应分布在舰船甲板四周，按照双目视觉交会测量原理布设，相邻两台光电跟踪系统之间间隔一定距离，且所有光电跟踪系统的视场覆盖整个空域范围，无测量盲区。

光电跟踪系统3可实现对无人机5的捕获、精密跟踪及位置测量；单个光电跟踪系统测量时，采用激光测距+光电平台位姿来解算；多台光电跟踪系统测量时，采用多目交会+激光测距+光电平台位姿来解算；

光电跟踪系统可以工作在搜索及跟踪状态，无人机自主着舰系统接到导引指令后，光电跟踪系统先对舰船周围空域进行搜索，发现无人机确定无人机相对于舰船船体所在区域，然后转入跟踪测量状态，在一台或多台光电跟踪系统精确锁定跟踪无人机情况下，由主控系统获取无人机相对总参考坐标系的精确位置(即三维坐标)、速度信息。

图4为光电跟踪系统平台组件(光电跟踪系统的一部分)示意图，包括跟踪转台、光电平台309；跟踪转台用于调整光电平台309的方位和俯仰，包括内方位环感应同步器301、外方位环感应同步器302、内俯仰环感应同步器303、外俯仰环感应同步器304、内方位环电机307、外方位环电机308、内俯仰环电机305和外俯仰环电机306；光电平台309上搭载有光学系统311、用于测量光电平台309实时姿态信息(即光学系统拍照时的姿态)的光电平台捷联惯导310和视轴稳像用MEMS/光纤陀螺312(即MEMS陀螺或光纤陀螺)；光学系统311包括相机、镜头及激光测距仪；相机位置由光电平台与总参考坐标系的相对位置关系确定，相机视轴和光电平台捷联惯导的相对位置关系事先已经标定好；光电平台捷联惯导工作在组合导航模式下，其观测位置、速度、角速率是由船体自带惯性导航系统导航的位置、速度及角速率数据及两者的相对位置关系获得，采用组合导航可抑制光电平台捷联惯导由于陀螺漂移引起的姿态发散。

从图5中看出，光电跟踪系统3集成了陀螺稳像功能，能够隔离舰船运动中的摇摆，有助于精确跟踪；光电跟踪系统3的激光测距、位姿获取和相机曝光时序由主控系统2的时序控制单元控制，以保证获取数据的实时性和准确性。

主控系统2包括时序控制单元、解算单元(包括卡尔曼滤波器)、无线收发单元，时序控制单元用于同步多台光电跟踪系统的相机曝光和姿态获取的时序，以便获得准确的测量值；解算单元用于进行数据解算，得到无人机相对总参考坐标系(即舰船)的运动位置和速度，也可以间接得到无人机的绝对运动位置和速度(这里的绝对运动位置和速度是指用无人机相对舰船的运动位置、速度和舰船相对于当地地理坐标系运动的位置、速度，合成的无人机相对于当地地理坐标系的位置和速度)；无线收发单元用于实现主控系统和无人机之间的通信，将解算到的无人机运动信息发送给无人机卡尔曼滤波器，使无人机在无外部GPS和北斗支持的情况下，通过该运动信息进行组合导航解算，获取精确的位置姿态信息，引导无人机正确着舰至着舰平台4上。

本发明无人机运动信息光电测量原理：

(1)光电跟踪系统单目测量

图6示出了单台光电跟踪系统的无人机位置获取原理，坐标系O_xyzXYZ为船体自带惯性导航系统1的坐标系，该坐标系为整个着舰系统的总参考坐标系，OX₀Y₀Z₀为单台光电跟踪系统的相机坐标系，由于相机和光电平台固连，相机坐标系到光电平台坐标系的转换关系可以事先标定(标定方法为现有已知方法)，光电平台坐标系到总参考坐标系的转换关系可以通过固连在光电平台上的光电平台捷联惯导310测量得到，因此相机坐标系OX₀Y₀Z₀相对于总参考坐标系O_xyzXYZ的位姿关系可以通过光电平台坐标系间接转换(转换方法为现有已知方法)得到，(x₁,y₁,z₁)、(α₁,β₁,γ₁)为相机坐标系OX₀Y₀Z₀在总参考坐标系O_xyzXYZ中的位姿，相机坐标系原点到无人机位置P点的距离R₀可由激光测距得到，则P点在总参考坐标系O_xyzXYZ中的坐标(x_p,y_p,z_p)可得。

(2)光电跟踪系统多目测量

图7示出了多台光电跟踪系统的无人机位置获取原理(图中仅示出了三台)，多台光电跟踪系统同时交会的情况下，可在多目交会测量的基础上，增加距离约束条件获得最优解。

距离约束如下：

式中参数含义：x₀、y₀、z₀为无人机在总参考坐标系中的位置坐标；

x_n、y_n、z_n为第n台光电跟踪系统相机坐标系原点在总参考坐标系中的位置坐标；

R₁为无人机距第一台光电跟踪系统相机坐标系原点的斜距；

R_n为无人机距第n台光电跟踪系统相机坐标系原点的斜距；

组合导航方式

图8、图9示出了整个着舰系统中所有惯导单元(船体自带惯性导航系统、光电平台捷联惯导和无人机捷联惯导)的组合导航方式；光电跟踪系统与船体自带惯性导航系统的安装位置固定，其相对位置关系可以提前标定(标定方法为现有已知方法)。

船体自带惯性导航系统获取的是舰船运动的位置、速度、角速率信息，其陀螺零漂极小，在短时间内无需进行校准。由于舰船存在纵摇和横摇运动，因此通过比较船体自带惯性导航系统和光电平台捷联惯导的角速率可以使主控系统中的卡尔曼滤波器很快收敛，光电平台捷联惯导可以进行位置、速度、角速率组合或者速度、角速率组合，只是船体自带惯性导航系统和光电平台捷联惯导的测量值需要先转换到同一参考坐标系中，再进行比较。光电平台姿态解算频率较高(解算算法为现有已知方法)，通过组合导航来抑制陀螺漂移(也就是用船体自带惯性导航系统的位置、速度观测量来抑制光电平台捷联惯导的姿态漂移)，获取相机曝光时刻光电平台准确的姿态信息。

假设船体自带惯性导航系统和光电跟踪系统的坐标系在当地地理坐标系中分别表示为a和b，它们检测的角速率值分别为和a系到b系的转换矩阵为则船体自带高精度惯性导航系统在光电平台跟踪系统中的测量值为：

主控系统获取到无人机位置、速度信息之后，会将获取的信息发送给无人机卡尔曼滤波器，无人机飞控及制导解算单元自带光纤陀螺惯导，其纯惯性导航精度较低，位置和姿态将很快发散，而光电跟踪系统获取到的无人机位置和速度信息具有较高的精度，因此，无人机卡尔曼滤波器可以利用光电跟踪系统观测的位置、速度值来进行修正；组合导航后较高精度的位姿数据可以作为无人机飞控及制导解算单元进行着舰制导的输入。

光电平台捷联惯导和无人机捷联惯导的误差传播方程如下所示：

上式中，L为当地纬度；

V_E、V_N、V_U分别为东向、北向和天向速度；

ω_ie为地球自转角速率；

分别为当地地理坐标系内陀螺的等效漂移和加速度计的等效偏置；

ε_Wi(i＝E,N,U)为陀螺角增量输出的随机游走；

φ_E、φ_U、φ_N为东向、北向和天向这三个方向上的姿态失准角；

δV_E、δV_N和δV_U分别指东向、北向和天向速度增量；

和分别指东向、北向和天向速度增量误差；

分别指东向、北向和天向失准角误差；

R指地球半径；

h指无人机相对海平面的高度；

f_E、f_N、f_U分别指东向、北向和天向的加速度分量；

指ε_Bi的微分，及陀螺漂移变化量；

分别指东向、北向、天向位置增量误差。

无人机卡尔曼滤波器和主控系统中的卡尔曼滤波器的状态方程都是根据上述误差传播方程确定的。

由于光电跟踪系统分布在舰船甲板的不同位置，受到船体挠曲变形的影响，光电跟踪系统的光电平台捷联惯导相对于船体自带惯性导航系统(作为参考惯导)产生角运动，描述这种挠曲角运动的模型至少为二阶，为了尽量降低主控系统中卡尔曼滤波器的阶数，本发明近似取二阶模型。

设船体挠曲变形引起的光电跟踪系统的测量坐标系相对于船体自带惯性导航系统的的角变形量为λ_i，相应的变形角速度为ω_λi，β为常系数，w_λi为噪声量，则二阶模型为：

式(1.3)‐式(1.12)构成了无人机捷联惯导的误差传播方程，式(1.3)‐式(1.13)构成了光电平台捷联惯导的误差传播方程。

光电平台捷联惯导的观测量为光电平台捷联惯导和船体自带惯性导航系统的位置、速度、角速率误差量，无人机捷联惯导的观测量为主控系统获得的无人机位置、速度与无人机捷联惯导产生的位置、速度误差量。

本发明着舰系统的工作过程：

系统开机，光电跟踪系统开始360°全向搜索无人机所在空域，发现无人机后，转入跟踪工作模式，单台或多台光电跟踪系统对无人机进行连续跟踪和精确测量，获得无人机相对于舰船的位置、速度等信息，并将该信息传递给主控系统，主控系统将该信息及舰船本身的位置、速度信息通过无线链路发送给无人机飞控制导系统，无人机飞控制导系统收到数据后，利用收到的数据与无人机捷联惯导测量得到的无人机运动信息进行组合导航(光电‐惯性组合导航)，无人机卡尔曼滤波器在无人机飞控及制导解算单元中运行，无人机卡尔曼滤波器的输出数据作为无人机飞控及制导解算单元的位姿基准进行闭环飞行控制，最终引导无人机准确着舰。

Claims (5)

1.基于光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建系统：

在舰船的船体上设置主控系统和光电跟踪系统，所述光电跟踪系统包括光电平台，光电平台上搭载有光学系统和用于测量光电平台姿态信息的光电平台捷联惯导，光学系统包括相机及激光测距仪；

2)标定：

以船体自带惯性导航系统的坐标系作为总参考坐标系，标定光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系；若光电跟踪系统有多台，还应标定各光电跟踪系统之间的相对位置关系；

3)搜索：

光电跟踪系统搜索无人机，若未发现无人机，则继续搜索；若发现无人机，则确定无人机相对于船体所在区域，进入步骤4)；

4)测量第一机船相对运动信息，即无人机在所述总参考坐标系中的三维坐标和速度信息；

当采用一台光电跟踪系统测量一个无人机的三维坐标时：

4.1)光电跟踪系统指向无人机所在区域，锁定无人机并进行光电跟踪测量，得到无人机相对于光电跟踪系统的斜距、方位角、俯仰角并发送给主控系统，同时，光电跟踪系统中的光电平台捷联惯导获取光电平台姿态信息并发送给主控系统；

4.2)主控系统根据步骤4.1)获取的所述斜距、方位角、俯仰角、光电平台姿态信息，以及事先标定的光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系，得到无人机相对于总参考坐标系的三维坐标和速度信息；

当采用多台光电跟踪系统同时测量一台无人机的三维坐标时：

4.1)多台光电跟踪系统同时指向无人机所在区域，锁定无人机并进行光电跟踪测量，得到无人机相对于多台光电跟踪系统的多组斜距、方位角和俯仰角并发送给主控系统，同时，所述多台光电跟踪系统中的光电平台捷联惯导获取各自光电平台姿态信息并发送给主控系统；

4.2)主控系统将步骤4.1)获取的所述多组斜距、方位角、俯仰角、光电平台姿态信息，以及事先标定的光电跟踪系统与所述总参考坐标系之间的相对位置关系进行融合，得到无人机相对于总参考坐标系的三维坐标和速度信息；

5)主控系统将步骤4)获取的第一机船相对运动信息以及当前舰船相对于当地地理坐标系的运动信息发送给相应的无人机；

6)无人机飞控及制导解算单元根据所述舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，将所述第一机船相对运动信息转化为第一机地相对运动信息，即转化为无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息；

7)将无人机捷联惯导测得的无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息定义为第二机地相对运动信息，将第一机地相对运动信息和第二机地相对运动信息的差值输入无人机卡尔曼滤波器，进行组合导航，得到第二机船相对运动信息，所述第二机船相对运动信息即组合导航后无人机相对于总参考坐标系的位置、速度及姿态信息；

8)将所述第二机船相对运动信息传递给无人机飞控及制导解算单元进行着舰制导；

9)判断是否引导无人机着舰完成，若未完成，则返回步骤4)；若完成，则结束任务。

2.根据权利要求1所述的基于光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰方法，其特征在于：步骤3)中所述确定无人机相对于船体所在区域，是通过无人机相对于光电跟踪系统坐标系的方位角和俯仰角确定的。

3.根据权利要求1所述的基于光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰方法，其特征在于：

步骤4.1)中所述光电平台捷联惯导获取光电平台姿态信息的方法：

4.1.1)船体自带惯性导航系统获取舰船运动的位置、速度及角速率信息；光电平台捷联惯导同时导航解算光电平台的位置、速度及角速率信息；

4.1.2)主控系统将两者获取的信息转化到同一坐标系中进行比较，将差值送入主控系统中的卡尔曼滤波器，根据主控系统中卡尔曼滤波器的输出对光电平台捷联惯导进行姿态修正，得到最终的光电平台姿态信息。

4.基于光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰系统，其特征在于：

包括船体自带惯性导航系统、设置在船体上的光电跟踪系统和主控系统，以及无人机自带的无人机捷联惯导、无人机飞控及制导解算单元；

光电跟踪系统至少有一台，单台光电跟踪系统包括跟踪转台和光电平台；跟踪转台用于调整光电平台的方位和俯仰；光电平台上搭载有光学系统、用于测量光电平台实时姿态信息的光电平台捷联惯导和视轴稳像用MEMS/光纤陀螺；光学系统包括相机及激光测距仪；

主控系统包括时序控制单元、解算单元和无线收发单元；时序控制单元用于同步多台光电跟踪系统相机曝光和姿态获取的时序，还用于控制光电跟踪系统的激光测距、位姿获取和相机曝光时序；解算单元用于进行数据解算，获取无人机相对舰船的运动位置和速度；无线收发单元用于实现主控系统和无人机之间的通信；

无人机捷联惯导用于测量无人机相对于当地地理坐标系的三维坐标和速度信息；

无人机飞控及制导解算单元用于根据舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，将主控单元获取的无人机相对舰船的运动位置和速度，转换为无人机相对于当地地理坐标系的运动位置和速度；

无人机飞控及制导解算单元包括无人机卡尔曼滤波器，无人机卡尔曼滤波器用于根据所述无人机相对舰船的运动位置和速度、无人机捷联惯导输出的位姿信息以及当前舰船相对于当地地理坐标系的运动信息，进行组合导航，得到组合导航后无人机相对于舰船的位置、速度和姿态信息；

无人机飞控及制导解算单元根据组合导航后无人机相对于舰船的位置、速度和姿态信息，进行无人机着舰制导。

5.根据权利要求4所述的基于光电‐惯性组合导引的无人机自主着舰系统，其特征在于：

光电跟踪系统有多台，分布在舰船甲板四周，按照双目视觉交会测量原理布设，相邻两台光电跟踪系统之间间隔一定距离，且所有光电跟踪系统的视场覆盖整个空域范围。