CN111638514B - 无人机测高方法及无人机导航滤波器 - Google Patents

无人机测高方法及无人机导航滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明的无人机测高方法及无人机导航滤波器，其中无人机测高方法包括：获取无人机的姿态角；获取无人机的雷达高度表的测量值；基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值；基于所述雷达测高值获取无人机所处高度。该无人机测高方法能够提高雷达高度表测量精度。

Description

无人机测高方法及无人机导航滤波器
技术领域
本发明涉及飞行器领域，具体涉及一种无人机测高方法及无人机导航滤波器。
背景技术
雷达高度表（Radar Altimeter，RA）是一种通常垂直安装于飞行载体，利用电磁波的反射特性来测量载体与地面或者水面之间相对高度的无线电装置。按发射信号体制的不同，通常可分为两类：脉冲雷达高度表和调频连续波雷达高度表。调频连续波雷达发射调频连续波，将收到的回波信号与发射信号进行相干混频，从混频后得到的差拍信号中提取高度信息，以确定载体离地面或水面的高度。从本质上来讲，雷达的测高原理都是基于测量回波信号相对发射信号的时间差，再根据电磁波的传播速度来计算距离。
以无人机在海面飞行应用来说，如果在风浪较小的低海况条件下，理论上只有天线波束照射圆内在垂直入射点附近的小部分区域的回波能被接收到。无人机在海面进行低空机动飞行时，俯仰、滚转角的变化都会造成雷达高度表天线指向改变，使照射区形状和大小发生变化，此时回波信号由不同斜距对应的不同频率的差拍信号所组成，即差拍频率扩展成一相当大的频谱范围，会引起较大测高误差。以蛇形机动方式为例，无人机需要改变滚转姿态进行协调转弯来实现，此时雷达高度表的收发天线指向和波束照射范围将发生较大变化，高度测量误差也会随之变大。
因此有必要研发一种能够提高雷达高度表测量精度，提高无人机高度测量准确性的无人机测高方法及无人机导航滤波器。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机测高方法，该无人机测高方法能够提高雷达高度表测量精度。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面提供了一种无人机测高方法，该无人机测高方法包括：获取无人机的姿态角；
获取无人机的雷达高度表的测量值；
基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值；
基于所述雷达测高值获取无人机所处高度。
优选地，所述基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值具体包括：
获取雷达高度表的波束宽度；
获取无人机的滚转角；
设定角度阈值；
在所述滚转角小于所述角度阈值的情况下，将所述测量值作为所述雷达测高值；
在所述滚转角大于或等于所述角度阈值的情况下，基于所述滚转角和所述波束宽度修正所述测量值，获取所述雷达测高值。
优选地，所述角度阈值的取值为20°；
所述基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值的具体公式为：
（1）
其中，H表示雷达测高值，h表示测量值，表示波束宽度，表示滚转角。
优选地，所述获取无人机的姿态角包括：
通过所述无人机的惯性导航系统和GPS接收机获取所述无人机的姿态角。
优选地，所述基于所述雷达测高值获取无人机所处高度包括：
分别获取无人机的惯性导航系统、雷达高度表和GPS接收机输出的测量结果；
通过卡尔曼滤波器对所述测量结果和所述雷达测高值进行融合以获取所述无人机所处高度。
根据本发明的另一方面提供了一种无人机导航滤波器，所述无人机导航滤波器包括：惯性导航系统、雷达测高单元、GPS接收机和组合滤波器；
其中，所述雷达测高单元通过权利要求1至5中任一项所述的无人机测高方法获取所述雷达测高值；
其中，所述惯性导航系统、所述雷达测高单元和所述GPS接收机通信连接于所述组合滤波器，所述组合滤波器融合所述惯性导航系统的测量结果、所述雷达测高单元的雷达测高值和所述GPS接收机的测量结果以获取无人机所处高度。
优选地，所述雷达测高单元包括雷达测高表和修正调节单元；
其中，在无人机的滚转角小于所述角度阈值的情况下，将所述雷达测高表的测量值作为所述雷达测高值；
其中，在所述无人机的滚转角大于或等于所述角度阈值的情况下，所述GPS接收机、所述雷达测高表和所述惯性导航系统通信连接于所述修正调节单元，所述修正调节单元对所述雷达测高表的测量值进行修正以获取所述雷达测高值。
有益效果：
1）本发明提供的无人机测高方法通过获取无人机的姿态角，基于姿态角对雷达高度表的测量值进行修正，大大提供了雷达高度表的测量精度；
2）本发明提供的无人机导航滤波器，其雷达测高单元执行了本发明提供的无人机测高方法，大大提高了雷达高度表的测量精度，进而提高了无人机导航滤波器的导航精度，能够精确获取无人机所处的高度。
附图说明
图1是本发明一个实施例的无人机测高方法的流程示意图。
图2是本发明一个实施例的雷达高度表的测高状态示意图。
图3是本发明一个实施例的无人机导航滤波器示意性结构图。
图4是本发明一个实施例的修正调节单元工作状态示意图。
图5是本发明一个实施例的无人机运行的二维航迹曲线图。
图6为图5中的局部放大示意图。
图7是本发明一个实施例的无人机运行的时间与滚转角对应关系示意图。
图8是现有技术导航滤波器和本发明无人机导航滤波器的测高补偿误差曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明技术方案。
根据本发明的一方面提供了一种无人机测高方法，该无人机测高方法包括：获取无人机的姿态角；
获取无人机的雷达高度表的测量值；
基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值；
基于所述雷达测高值获取无人机所处高度。
本发明提供的无人机测高方法，通过获取无人机的姿态角，基于姿态角对雷达高度表的测量值进行修正，大大提供了雷达高度表的测量精度。
作为优选方案，所述基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值具体包括：
获取雷达高度表的波束宽度；
获取无人机的滚转角；
设定角度阈值；
在所述滚转角小于所述角度阈值的情况下，将所述测量值作为所述雷达测高值；
在所述滚转角大于或等于所述角度阈值的情况下，基于所述滚转角和所述波束宽度修正所述测量值，获取所述雷达测高值。
在该技术方案中，进一步提供了基于姿态角对测量值进行修正，获取雷达测高值的具体步骤，通过获取雷达高度表的波束宽、无人机的滚转角考虑到了无人机的滚转角对雷达测高值的影响，在无需改变现有无人机同时无需配备高成本测量工具的前提下，提高了无人机测高的精度。
在该技术方案中，通过设置角度阈值，在无人机的滚转角角度较小时，认为无人机的姿态角对雷达高度表测量结果无影响，可以将雷达高度表的测量结果直接作为雷达测高值，提高了无人机测高方法的响应速度。在无人机的滚转角角度较大时，认为无人机的姿态角对雷达高度表测量结果影响较大，通过滚转角和波束宽度修正测量值，能够提高无人机测高的精确度。
作为低空条件下优选方案，所述角度阈值的取值为20°；
所述基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值的具体公式为：
（1）
其中，H表示雷达测高值，h表示测量值，表示波束宽度，表示滚转角。
在该技术方案中，进一步提供了通过雷达高度表测量值获取雷达测高值的公式，进一步提高了无人机测高的精度。
作为优选方案，所述获取无人机的姿态角包括：
通过所述无人机的惯性导航系统和GPS接收机获取所述无人机的姿态角。
在该技术方案中，进一步提供了无人机的姿态角的获取方式，其中惯性导航系统和GPS接收机为无人机常备的辅助单元，通过无人机上配备的现有设备即可获取无人机的姿态角，便于本发明无人机测高方法的实施。
作为优选方案，所述基于所述雷达测高值获取无人机所处高度包括：
分别获取无人机的惯性导航系统、雷达高度表和GPS接收机的测量结果；
通过卡尔曼滤波器对所述测量结果和所述雷达测高值进行融合以获取所述无人机所处高度。
在该技术方案中，进一步提供了获取无人机所处高度的具体步骤，通过卡尔曼滤波器对惯性导航系统的测量结果、雷达高度表的测量结果、GPS接收机的测量结果和所述雷达测高值进行融合以获取所述无人机所处高度，进一步提高了无人机高度测量的准确性。
根据本发明的另一方面提供了一种无人机导航滤波器，所述无人机导航滤波器包括：惯性导航系统、雷达测高单元、GPS接收机和组合滤波器；
其中，所述雷达测高单元通过上述的无人机测高方法获取所述雷达测高值；
其中，所述惯性导航系统、所述雷达测高单元和所述GPS接收机通信连接于所述组合滤波器，所述组合滤波器融合所述惯性导航系统的测量结果、所述雷达测高单元的雷达测高值和所述GPS接收机的测量结果以获取无人机所处高度。
在该技术方案中，雷达测高单元通过上述的无人机测高方法获取所述雷达测高值，提高了雷达高度表测高值的精度，继而提高了无人机导航滤波器的导航精度。
作为优选方案，所述雷达测高单元包括雷达测高表和修正调节单元；
其中，在无人机的滚转角小于所述角度阈值的情况下，将所述雷达测高表的测量值作为所述雷达测高值；
其中，在所述无人机的滚转角大于或等于所述角度阈值的情况下，所述GPS接收机、所述雷达测高表和所述惯性导航系统通信连接于所述修正调节单元，所述修正调节单元对所述雷达测高表的测量值进行修正以获取所述雷达测高值。
在该技术方案中，进一步提供了雷达测高单元的组成，通过修正调节单元的设置，在无人机的滚转角大于或等于角度阈值的情况下，使得GPS接收机、雷达测高表和惯性导航系统通信连接于修正调节单元，修正调节单元对雷达测高表的测量值进行修正以获取雷达测高值，保障了雷达测高值的精确度。
实施例1
图1是本发明一个实施例的无人机测高方法的流程示意图。图2是本发明一个实施例的雷达高度表的测高状态示意图。
如图1和图2所示，该无人机测高方法包括：
步骤1：通过无人机的惯性导航系统和GPS接收机获取无人机的姿态角；
步骤2：获取无人机的雷达高度表的测量值；
步骤3：获取雷达高度表的波束宽度；
步骤4：获取无人机的滚转角；
步骤5：设定角度阈值；
步骤6：在滚转角小于角度阈值的情况下，将测量值作为雷达测高值；
步骤7：在滚转角大于或等于角度阈值的情况下，基于滚转角和波束宽度修正测量值，获取雷达测高值；
步骤8：分别获取无人机的惯性导航系统、雷达高度表和GPS接收机输出的测量结果；通过卡尔曼滤波器对测量结果和雷达测高值进行融合以获取无人机所处高度。
其中，角度阈值的取值为20°；
其中，基于姿态角对测量值进行修正，获取雷达测高值的具体公式为：
（1）
其中，H表示雷达测高值，h表示测量值，表示波束宽度，表示滚转角。
其中图2中，H为当前无人机高度真值，h为雷达高度表的测量值，为无人机滚转 角，为雷达高度表3dB波束宽度。因此合成回波是主瓣波束内散射和反射信号能量的总 和，通过计算其最大值可得h。回波信号能量中心应在3dB波束中心线附近，为25°，h为： 500/cos25°552m，根据经验值，RA实际输出应为介于500/cos(-/2)~552m之间的一个 值(2>)，显然存在较大误差。
某型RA的主瓣宽带为35-40°，当<20°，即时，根据测高原理，测高高度应 近似等于真值；当时，此时高度则应为滚转角与差值的余弦函数关系，近似为。因此得出无人机在大姿态条件下的测高误差补偿公式为：
假设此时无人机滚转角，则雷达高度表的测量值h与经过补偿计算后的雷 达测高值H之间关系为：。
实施例2
图3是本发明一个实施例的无人机导航滤波器示意性结构图。图4是本发明一个实施例的修正调节单元工作状态示意图。图5是本发明一个实施例的无人机运行的二维航迹曲线图。图6为图5中的局部放大示意图。图7是本发明一个实施例的无人机运行的时间与滚转角对应关系示意图。图8是现有技术导航滤波器和本发明无人机导航滤波器的测高补偿误差曲线对比图。
如图3至图8所示，该无人机测高方法包括：无人机导航滤波器包括：惯性导航系统、雷达测高单元、GPS接收机和组合滤波器；
其中，雷达测高单元通过实施例1的无人机测高方法获取雷达测高值；
其中，惯性导航系统、雷达测高单元和GPS接收机通信连接于组合滤波器，组合滤波器融合惯性导航系统的测量结果、雷达测高单元的雷达测高值和GPS接收机的测量结果以获取无人机所处高度。
其中，雷达测高单元包括雷达测高表和修正调节单元；
其中，在无人机的滚转角小于角度阈值的情况下，将雷达测高表的测量值作为雷达测高值；
其中，在无人机的滚转角大于或等于角度阈值的情况下，GPS接收机、雷达测高表和惯性导航系统通信连接于修正调节单元，修正调节单元对雷达测高表的测量值进行修正以获取雷达测高值。
本实施例提供的无人机导航滤波器，如图4所示，当无人机在低空进行机动时，可以将该雷达测高表与组合滤波器之间的通信切断。而采用虚线标示的GPS接收机、雷达测高表和惯性导航系统通信连接于述修正调节单元，修正调节单元对雷达测高表的测量值进行修正以获取雷达测高值再发送至组合滤波器，由图4可见，修正调节单元通过通信连接的惯性导航系统和GPS接收机可实时解算出当前无人机载体的姿态角，对雷达测高表的测量值进行数据处理（野值剔除、数据平滑）后基于姿态角和机动条件下测高模型进行修正，输出给卡尔曼滤波器进行融合处理。当无人机保持平飞时，可以将雷达测高表与组合滤波器直接通信，将雷达测高表的测量结果作为雷达测高值。
如图4至图8所示，仿真坐标系设置为东、北、天地理坐标系，设置仿真时长1500 s。无人机以14 °俯仰角火箭助推发射，仿真航路分爬高、降高和低空高度巡航等过程。低空巡航高度为50m，并在1000s~1070s进行水平蛇形机动。
陀螺仪常值漂移为0.1h；白噪声均方差为0.1h；一阶马尔科夫过程均方差为 0.03h；加速度计零偏稳定性为110-4g。陀螺一阶马尔科夫过程相关时间为3600 s，加速 度零偏一阶马尔科夫过程相关时间为1800s。GPS接收机水平位置量测误差为20m，高度量测 误差为30m，测速误差为0.2m/s。雷达测高表测量误差为0.3+3%H；风速设为6m/s；RA主波束 宽度为40°。
由上图6可见，本实施例的无人机导航滤波器，无人机在进行低空机动飞行时，高度导航精度更高，具有明显改善效果。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无人机测高方法，其特征在于，所述无人机测高方法包括：
获取无人机的姿态角；
获取无人机的雷达高度表的测量值；
基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值；
基于所述雷达测高值获取无人机所处高度；
所述基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值具体包括：
获取雷达高度表的波束宽度；
获取无人机的滚转角；
设定角度阈值；
在所述滚转角小于所述角度阈值的情况下，将所述测量值作为所述雷达测高值；
在所述滚转角大于或等于所述角度阈值的情况下，基于所述滚转角和所述波束宽度修正所述测量值，获取所述雷达测高值；
所述角度阈值的取值为20°；
所述基于所述姿态角对所述测量值进行修正，获取雷达测高值的具体公式为：
其中，H表示雷达测高值，h表示测量值，θ表示波束宽度，γ表示滚转角。
2.根据权利要求1所述的无人机测高方法，其特征在于，所述获取无人机的姿态角包括：
通过所述无人机的惯性导航系统和GPS接收机获取所述无人机的姿态角。
3.根据权利要求1所述的无人机测高方法，其特征在于，所述基于所述雷达测高值获取无人机所处高度包括：
分别获取无人机的惯性导航系统、雷达高度表和GPS接收机输出的测量结果；
通过卡尔曼滤波器对所述测量结果和所述雷达测高值进行融合以获取所述无人机所处高度。
4.一种无人机导航滤波器，其特征在于，所述无人机导航滤波器包括：惯性导航系统、雷达测高单元、GPS接收机和组合滤波器；
其中，所述雷达测高单元通过权利要求1至3中任一项所述的无人机测高方法获取所述雷达测高值；
其中，所述惯性导航系统、所述雷达测高单元和所述GPS接收机通信连接于所述组合滤波器，所述组合滤波器融合所述惯性导航系统的测量结果、所述雷达测高单元的雷达测高值和所述GPS接收机的测量结果以获取无人机所处高度。
5.根据权利要求4所述的无人机导航滤波器，其特征在于，所述雷达测高单元包括雷达测高表和修正调节单元；
其中，在无人机的滚转角小于所述角度阈值的情况下，将所述雷达测高表的测量值作为所述雷达测高值；
其中，在所述无人机的滚转角大于或等于所述角度阈值的情况下，所述GPS接收机、所述雷达测高表和所述惯性导航系统通信连接于所述修正调节单元，所述修正调节单元对所述雷达测高表的测量值进行修正以获取所述雷达测高值。
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