CN111879286A - 一种用于获得飞行器的飞行高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获得飞行器的飞行高度的方法。该方法中，飞行器首先利用高度判断装置实时获取飞行器当前的大致飞行高度H₁。以获取的飞行高度H₁是否大于2500英尺作为数据融合方式的判定基准，本发明综合了激光大气数据系统、全球导航卫星系统、无线高度表等不同飞行高度测量设备的特性来进行数据融合，能够保证所获得的高度数据具有较高的精度。

Description

一种用于获得飞行器的飞行高度的方法

技术领域

本发明涉及飞行器飞行控制领域，具体地，涉及一种用于获得飞行器的飞行高度的方法。

背景技术

在诸如飞机、飞艇等航空飞行器的运行过程中，高度数据至关重要，但是飞机上目前可以用于全飞行过程的高度测量的仅有传统大气数据系统。针对于不同的区域，飞行器还利用气压高度表、无线电高度表、GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)以及激光大气高度表等。

传统大气系统通过测量大气静压，根据ICAO(International Civil AviationOrganization，国际民用航空组织)标准大气定义来获得对应的气压高度。具体而言，传统大气系统以皮托管测量大气的静压和总压为基本原理，结合温度、攻角等传感器感受飞行器飞行时的大气总温、大气静压、局部攻角等信息，经过源误差修正后按标准大气数据方程解算出气压高度。传统大气数据系统存在低速时测量精度低、安装位置要求高、校正维护成本高、大机动测量性能差等缺陷，这些不足点已逐步不能满足现在或下一代飞行器的应用要求。

为此，现有技术中开发了一种激光大气数据系统，其可以为民用飞机提供一个与传统大气数据系统类似的高度数据。该激光大气数据系统的测量数据的维护成本相对较低，并且该系统受飞机当前的机动动作影响小。激光大气数据系统是根据收集到的散射光的功率谱密度对应的面积确定参与散射分子的数量获得大气密度，进而确定对应的高度。随着技术的发展，激光大气的高度数据激光大气数据系统也能在飞机的全飞行过程中提供飞机的飞行高度——激光大气高度H_LA。然而，由于激光大气数据系统的激光大气传感器是通过测量气溶胶密度来获取高度。随着飞机飞行高度的升高，空气中气溶胶密度会逐渐减小，因此激光大气传感器测量气溶胶密度的精度会显著降低，进而影响其测量精度，也即，其相应的置信度会显著减小。

气压高度表测量的是传感器外部气压，根据大气压与海拔高度的关系便可以得到气压高度计的海拔高度。对于气压高度表而言，海面的起伏不会引起气压高度表变化，但气压高度表易受温度影响。当传感器外部温度变化时，测量的海拔高度会有较大偏差，因此其存在测量误差大的特点。

无线电高度表主要用于测量飞行器的绝对高度。无线电高度表包括无线电发射机及无线电接收机。测量时，无线电发射机经发射天线向地面发射无线电波，无线电接收机将先后接收到的由无线电发射机直接传来的电波和经地面反射回的回波进行比较，两束电波存在有时间差。如果电波在传送过程中没有受到干扰，时间差正比于被测高度，由于电波传播的速度为恒值，因此，可测量得到飞行器当前对地面的绝对高度。根据无线电高度表的测试机理，其具有测量精度准的特点，然而，由无线电高度表的测量数据容易受到障碍物的影响。

全球导航卫星系统的工作原理是：飞机发射信号到卫星，再由卫星将信号反射回飞机。飞机根据接收的信号计算信号传送时间以及飞机相对于各卫星的角度等信息，最后获得飞机的导航高度H_GNSS。对于GNSS测得的导航高度H_GNSS，其精度较低。

发明内容

针对根据现有技术的飞机高度测量的上述现状，本发明的目的之一在于提供一种提供高精度的飞行器高度的测量方法。

该目的通过本发明以下形式的用于获得飞行器的飞行高度的方法来实现。该方法包括以下步骤：

利用高度判断装置实时获取飞行器当前的飞行高度H₁；

在所述飞行高度H₁大于2500英尺时，数据融合装置利用由激光大气数据系统的激光大气传感器提供的激光大气高度H_LA以及由全球导航卫星系统提供的导航高度H_GNSS进行数据融合以输出融合后的高度数据；

在所述气压高度小于2500英尺时，数据融合装置获取无线高度H_RA以及飞行器当前的地形高度H_TBD，并将所述无线高度H_RA与所述地形高度H_TBD之和与由激光大气传感器提供的激光大气高度H_LA进行融合以获取所述高度数据。

发明人进行飞行高度相关数据测试及采集时发现，采用无线电高度表测量的数据只有在低于2500ft的位置具有较高的精度。在飞行器的飞行高度超过2500ft，无线电高度表受地形的影响，其测试的精度不准。同时发明人发现，GNSS虽然测试精度不高，但其工作区间不受高度的限制。结合上述发现，发明人针对飞机的不同飞行高度将采用不同测量装置的测量数据进行融合，能够解决激光大气数据系统测得的飞行高度不准的问题。

根据本发明的一种优选实施方式，在所述气压高度大于2500英尺时，获取所述高度数据的融合方式如下：

利用所述激光大气传感器生成置信度K，并基于下述公式生成所述高度数据：

H＝K×H_LA+(1-K)×H_GNSS。

优选地，当|H_LA-H_GNSS|≤(5％*H_LA)时，所述高度数据为：H＝K×H_LA+(1-K)×H_GNSS；当|H_LA-H_GNSS|＞(5％*H_LA)时，所述高度数据为：H＝H_LA。

根据本发明的一种优选实施方式，所述置信度K通过以下步骤获取：

利用所述激光大气传感器收集到的回收光的光谱信息识别米氏散射的光强w₁和瑞利散射的光强w₂；

基于米氏散射的光强w₁和瑞利散射的光强w₂确定频率识别的信噪比τ；

基于所述信噪比τ进行归一化计算获取所述置信度K。

根据本发明的一种优选实施方式，

在所述气压高度小于2500英尺时，获取所述高度数据的融合方式如下：

基于所述飞行器的当前位置从地形数据库单元中获取所述地形高度H_TBD；

当|H_RA-H_TBD-H_LA|≥(5％*H_LA)时，所述高度数据为：H＝H_LA，否则所述高度数据为：H＝H_RA+H_TBD。

根据本发明的一种优选实施方式，基于飞行器的飞行管理系统或全球导航卫星系统获取所述飞行器的所述当前位置。

根据本发明的一种优选实施方式，所述高度判断装置是气压高度表。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选实施方式，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

通过阅读下列的附图和详细描述本领域技术人员可理解本发明的其他系统、方法、特征和优点。目的是所有这种额外的系统、方法、特征和优点包括在本说明书中和本发明内容中，且包括在本发明的范围内，并被所附权利要求保护。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的优选实施方式的用于获得飞行器的飞行高度的方法的流程图。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。

如图1所示的用于获得飞行器的飞行高度的方法所示，诸如飞机的飞行器的飞行高度(也即飞行器的高度数据)可通过以下步骤获得：

步骤1：利用高度判断装置实时获取飞行器当前的飞行高度H₁。其中，高度判断装置可设为能够在飞机的全飞行过程中测量飞机的大致飞行高度的传统大气系统的气压高度表。作为一种高度判断装置，气高高度表能够不受飞机攻角等影响，因此能够保证飞机在处于任意任何飞行姿态下获得飞行高度H₁。

步骤2：在飞行高度H₁大于2500英尺时，数据融合装置利用由激光大气数据系统提供的激光大气高度H_LA以及由全球导航卫星系统提供的导航高度H_GNSS，并将激光大气高度H_LA与导航高度H_GNSS进行融合以输出融合后的高度数据。

在气压高度小于2500英尺时，数据融合装置获取无线高度H_RA以及飞行器当前的地形高度H_TBD，并将无线高度H_RA与地形高度H_TBD之和与利用激光大气传感器测量数据系统获得的激光大气高度H_LA进行融合以获取飞行器的飞行高度，随后输出融合后的高度数据。

对于上述步骤2，在气压高度大于2500英尺时，获取高度数据的融合方式如下：

利用激光大气传感器生成置信度K，并基于下述公式生成高度数据：

H＝K×H_LA+(1-K)×H_GNSS。

由于激光大气数据系统的高度信号比GNSS的高度信号精度稍高，但是GNSS作为飞机高度测量的非相似冗余系统，其可以有效提高高度测量的可靠性。因此，对激光大气高度H_LA和GNSS高度H_GNSS进行比较，如果二者的差异小于某一设定阈值H₁₁(5％*H_LA)，二者具备相似的精度。此时，高度数据可通过以下公式获得：H＝K×H_LA+(1-K)×H_GNSS；

对激光大气高度H_LA和GNSS高度H_GNSS进行比较，如果二者的差值较大时，可认定GNSS测定的H_GNSS出现异常。此时，高度数据采用激光大气高度表示，也即H＝H_LA。

对于激光大气传感器的置信度K通过以下步骤获取：

利用所述激光大气传感器收集到的回收光的光谱信息识别米氏散射的光强w₁和瑞利散射的光强w₂；

基于米氏散射的光强w₁和瑞利散射的光强w₂确定频率识别的信噪比τ；

基于所述信噪比τ进行归一化计算获取所述置信度K。

通过以上方式足以保证飞行员在飞机飞行高度大于2500英尺的情况下能够获取准确的实际飞行高度。

而在气压高度小于2500英尺时，获取高度数据的融合方式则采用如下方式：

基于飞行器的当前位置从地形数据库单元中获取地形高度H_TBD。其中，飞行器在当前时刻的位置可基于飞行器的飞行管理系统或全球导航卫星系统来获取。地形数据库集成于飞行器的飞行管理系统中。在获得地形高度后，当|H_RA-H_TBD-H_LA|≥(5％*H_LA)时，所述高度数据为：H＝H_LA，否则所述高度数据为：H＝H_RA+H_TBD。。

根据以上可知，发明人根据所发现的无线电高度表能够获取相对精准的飞行高度区域，进一步在不同区域将飞行高度采用不同的融合方式计算获得。具体而言，在飞行器的飞行高度超过2500ft，利用激光大气数据系统与GNSS所测的高度进行融合；而在2500ft以下时，将激光大气数据系统、无线高度表(RA)测量的高度数据以及从地形数据库获得的高度数据进行高度融合。据此，本发明有效利用了激光大气系统的可测试范围大，以及其他飞行高度测量系统的特点，可以保证最终获得的高度数据具有较高的精准度。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种用于获得飞行器的飞行高度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

利用高度判断装置实时获取飞行器当前的飞行高度H₁；

在所述飞行高度H₁大于2500英尺时，数据融合装置利用由激光大气数据系统的激光大气传感器提供的激光大气高度H_LA以及由全球导航卫星系统提供的导航高度H_GNSS进行数据融合以输出融合后的高度数据；

在所述气压高度小于2500英尺时，数据融合装置获取无线高度H_RA以及飞行器当前的地形高度H_TBD，并将所述无线高度H_RA与所述地形高度H_TBD之和与由激光大气传感器提供的激光大气高度H_LA进行融合以获取所述高度数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述气压高度大于2500英尺时，获取所述高度数据的融合方式如下：

利用所述激光大气传感器生成置信度K，并基于下述公式生成所述高度数据：

H＝K₁×H_LA+(1-K₁)×H_GNSS。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，当|H_LA-H_GNSS|≤(5％*H_LA)时，所述高度数据为：

H＝K×H_LA+(1-K)×H_GNSS；

当|H_LA-H_GNSS|＞(5％*H_LA)时，所述高度数据为：

H＝H_LA。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述置信度K通过以下步骤获取：

利用所述激光大气传感器收集到的回收光的光谱信息识别米氏散射的光强w₁和瑞利散射的光强w₂；

基于米氏散射的光强w₁和瑞利散射的光强w₂确定频率识别的信噪比τ；

基于所述信噪比τ进行归一化计算获取所述置信度K。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述气压高度小于2500英尺时，获取所述高度数据的融合方式如下：

基于所述飞行器的当前位置从地形数据库单元中获取所述地形高度H_TBD；

当|H_RA-H_TBD-H_LA|≥(5％*H_LA)时，所述高度数据为：H＝H_LA，否则所述高度数据为：H＝H_RA+H_TBD。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，基于飞行器的飞行管理系统或全球导航卫星系统获取所述飞行器的所述当前位置。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述高度判断装置是气压高度表。

Images