CN112817339B - 一种复合制导飞行器指令融合算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像卫星复合制导飞行器的复合制导飞行器指令融合算法，该算法中考虑了卫星制导系统与图像制导系统工作周期不同的特性，在每个图像制导指令周期内比较卫星制导指令和图像制导指令，进而根据比较结果选择适宜指令融合方案，从而合理地对图像制导指令和卫星制导指令做融合处理，为飞行器提供更佳的输出制导指令。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器制导控制领域，具体涉及一种复合制导飞行器指令融合算法。
背景技术
随着现代战场环境的日益复杂，各种干扰、防护手段层出不穷，单一的制导方式由于其工作特性鲜明、更容易被针对而已不足以满足如今发展的需求，因此复合制导飞行器的研究发展已迫在眉睫。
所谓复合制导飞行器是采用两种或多种制导体制进行目标捕获、弹道规划，以提高飞行器制导系统的抗干扰能力和可靠性，对目标进行精确打击。而现今的复合制导飞行器本质上仅仅只是在中制导与末制导阶段时采用不同的制导方式，并未实现真正的不同制导算法间的相互融合，不能彻底提升飞行器的制导精度与抗干扰能力。其主要问题在于没有提出一种可应用于复合制导飞行器制导系统的指令融合算法进行制导指令的数据融合。。
由于上述原因，本发明人对现有的制导飞行器及其控制指令做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的复合制导飞行器指令融合算法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种图像卫星复合制导飞行器的复合制导飞行器指令融合算法，该算法中考虑了卫星制导系统与图像制导系统工作周期不同的特性，在每个图像制导指令周期内比较卫星制导指令和图像制导指令，进而根据比较结果选择适宜指令融合方案，从而合理地对图像制导指令和卫星制导指令做融合处理，为飞行器提供更佳的输出制导指令，从而完成本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供以一种复合制导飞行器指令融合算法，该算法包括以下步骤：
步骤1，解算卫星制导指令和图像制导指令；
步骤2，解算卫星制导指令的平均值；
步骤3，比较卫星制导指令的平均值与图像制导指令之间的差值大小，根据该差值大小解算输出制导指令至舵机系统；
步骤4，在每次获得图像制导指令时重复上述步骤2和步骤3。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)根据本发明提供的复合制导飞行器指令融合算法充分考虑了卫星制导系统和图像制导系统周期不同的特性，以图像制导系统周期为解算周期，为舵机系统提供更为合理的输出制导指令；
(2)根据本发明提供的复合制导飞行器指令融合算法，在中制导段中通过卫星制导系统提供输出制导指令，在进入末制导段以后，比较卫星制导指令与图像制导指令之间的差异，并且充分利用准确性和可靠性更高图像制导指令，能够更好的适应卫星系统被干扰及丢星等状况；
(3)根据本发明提供的复合制导飞行器指令融合算法在图像制导系统和卫星制导系统不能在获取信息上进行数据融合的情况下，通过过载指令融合的思路进行算法设计，有助于进一步精确制导控制，提高控制系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的复合制导飞行器指令融合算法工作过程逻辑图；
图2示出根据本发明实验例1和实验例2中飞行器的完整轨迹示意图；
图3示出根据本发明实验例1和实验例2中飞行器靠近着陆点时的轨迹示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的复合制导飞行器指令融合算法，如图1中所示，该算法包括如下步骤：
步骤1，解算图像制导指令和卫星制导指令；
步骤2，解算卫星制导指令的平均值；
步骤3，比较卫星制导指令的平均值与图像制导指令之间的差值大小，根据该差值大小解算输出制导指令，并将该输出制导指令传递给舵机系统；
其中，在飞行器进入末制导段以后，步骤1持续执行，在每次获得图像制导指令时重复上述步骤2和步骤3，从而持续为舵机系统提供输出制导指令。
优选地，通过卫星制导系统解算得到所述卫星制导指令，通过图像制导系统解算得到所述图像制导指令；
所述卫星制导指令是指通过卫星制导系统解算出来的制导指令，包括俯仰方向卫星制导指令nxoy1和偏航方向卫星制导指令nxoz1，
所述图像制导指令是指通过图像制导系统解算出来的制导指令，包括俯仰方向图像制导指令nxoy2和偏航方向图像制导指令nxoz2，
所述输出制导指令是指最终传递给舵机，用以控制舵机工作的制导指令，包括俯仰方向输出制导指令nxoy和偏航方向输出制导指令nxoz；
本申请中所述的俯仰方向卫星制导指令是指通过卫星制导系统解算出来的俯仰方向需用过载，其单位是m/s2；
本申请中所述的偏航方向卫星制导指令是指通过卫星制导系统解算出来的偏航方向需用过载，其单位是m/s2；
本申请中所述的俯仰方向图像制导指令是指通过图像制导系统解算出来的俯仰方向需用过载，其单位是m/s2；
本申请中所述的偏航方向图像制导指令是指通过图像制导系统解算出来的偏航方向需用过载，其单位是m/s2；
本申请中所述的俯仰方向输出制导指令是指最终传递给舵机，用以控制舵机工作的俯仰方向需用过载，其单位是m/s2；
本申请中所述的偏航方向输出制导指令是指最终传递给舵机，用以控制舵机工作的偏航方向需用过载，其单位是m/s2。
优选地，所述卫星制导系统包括接收机，其用于接收经滤波处理的卫星信号，并将该卫星信号转换为导航电文；本发明中所述的导航电文是由导航卫星播发给用户的描述导航卫星运行状态参数的电文，包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容；导航电文的参数给用户提供了时间信息，利用导航电文参数可以计算用户的位置坐标和速度；
其中，所述接收机包括GPS接收机、北斗接收机和GLONASS接收机中的一种或多种；
所述各个接收机分别接收对应的卫星信号，即GPS接收机接收GPS卫星信号，北斗接收机接收北斗卫星信号，GLONASS接收机接收GLONASS卫星信号。
进一步优选地，所述接收机还用于获知各个卫星信号对应的星数；即GPS接收机用于获知GPS卫星信号对应的星数，北斗接收机用于获知北斗卫星信号对应的星数，GLONASS接收机用于获知GLONASS卫星信号对应的星数；
当所述各个卫星信号的星数都低于设定值时，认为处于丢星状态；本发明中所述设定值可以根据实际工况设定，可以为4-5，本发明中优选地设置为4；
优选地，所述图像制导系统是通过将摄像头拍摄的目标传回地面，由地面的工作人员根据图片信息寻找目标，并通过点击目标进行飞行器制导信息的生成，所述图像制导系统可以选用本领域中已有的图像制导系统，本申请中对此不作特别限定，能够实现上述功能即可。
工作人员根据由图像制导系统传回地面的图片信息进行目标寻找，通过点击目标位置确定已捕获目标，若未点击目标位置，则图像制导系统不会产生制导指令，飞行器的舵机系统仍然接收卫星制导指令作为输出制导指令。
在一个优选的实施方式中，在步骤1中，卫星制导系统通过式(一)和式(二)解算得到所述卫星制导指令，
其中，nxoy1表示俯仰方向卫星制导指令，nxoz1表示偏航方向卫星制导指令，Nxoy表示俯仰方向的导航比，一般取值为2～4，本申请中优选地取值为4，Nxoz表示偏航方向的导航比，一般取值为2～4，本申请中优选地取值为4，V表示飞行器的速度，由卫星制导系统实时测量得到，
表示俯仰方向的弹目视线角速率，根据卫星测得的速度、位置信息计算得到，
表示偏航方向的弹目视线角速率，根据卫星测得的速度、位置信息计算得到，k1表示重补系数，其取值范围为0～3，优选地取值为2，g表示重力加速度，θ表示弹道倾角，由惯性元件实时测量得到。
在一个优选的实施方式中，在步骤1中，图像制导系统通过式(三)和式(四)解算得到所述图像制导指令，
nxoy2＝KxoyV(qxoy-θ)+k2gcosθ (三)
nxoz2＝-KxozV(qxoz-ψ) (四)
其中，nxoy2表示俯仰方向图像制导指令，nxoz2表示偏航方向图像制导指令，Kxoy表示俯仰方向的制导系数，一般取值为6～12，本申请中优选地取值为10，Kxoz表示偏航方向的制导系数，一般取值为6～12，本申请中优选地取值为10，V表示飞行器的速度，qxoy表示俯仰方向的弹目视线角，由像制导系统中的图像导引头实时测量得到，qxoz表示偏航方向的弹目视线角，由像制导系统中的图像导引头实时测量得到，k2表示重补系数，其取值范围为0～3，优选地取值为2，g表示重力加速度，θ表示速度倾角，ψ表示速度偏角，由惯性元件实时测量得到。
在一个优选的实施方式中，在步骤2中，解算在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的多个卫星制导指令的平均值；
其中，每个卫星制导指令中的俯仰方向卫星制导指令加和后除以卫星制导指令的数量，得到俯仰方向卫星制导指令的平均值
即
是算数平均值；
每个卫星制导指令中的偏航方向卫星制导指令加和后除以卫星制导指令的数量，得到偏航方向卫星制导指令的平均值
即
是算数平均值。
其中，所述图像制导系统一个工作周期一般为10-200毫秒，本申请中优选地为100毫秒，即本申请的图像制导系统每隔0.1秒输出一次图像制导指令；
所述卫星制导系统一个工作周期一般为1-10毫秒，本申请中优选地为10毫秒，即本申请的卫星制导系统每隔0.01秒输出一次卫星制导指令；
本申请中优选地，通过调整卫星制导系统和图像制导系统的启动时间，使得图像制导系统启动工作后输出第一个图像制导指令时，卫星制导系统也刚好输出一个图像制导指令，并且图像制导系统周期是卫星制导系统周期的整数倍，从而使得在获得相邻两个图像制导指令的时间段内都能够获得m个卫星制导指令，其中，所述获得相邻两个图像制导指令的时间段是指图像制导系统获得相临两个图像制导指令之间的时间差，且在计数时，不计算在先制导指令发出的时刻，计算在后制导指令发出的时刻。
m＝T2/T1
其中，卫星制导系统的工作周期为T1，图像制导系统的工作周期为T2，
在运算过程中，如果因为意外状况导致卫星制导系统或者图像制导系统的工作周期改变，所述m变为非整数时，在利用m值进行计算时，m向上取整。
在运算过程中，如果意外状况导致卫星制导系统或者图像制导系统的启动时间出现状况，未能按照预定时间点启动，通过计数器实时计量在一个图像制导工作周期内获得的卫星制导指令值数量，并将之计为m值。
在一个优选的实施方式中，在所述步骤3中，解算俯仰方向图像制导指令nxoy2与俯仰方向卫星制导指令的平均值
之差的绝对值，即俯仰方向偏差，
解算偏航方向图像制导指令nxoz2与偏航方向卫星制导指令的平均值
之差的绝对值，即偏航方向偏差；
其中，通过所述获得相邻两个图像制导指令中的后一个图像制导指令解算俯仰方向偏差和偏航方向偏差；
在图像制导系统工作正常，已经捕捉到目标，并且卫星制导系统工作状况正常，没有丢星的情况下，当俯仰方向偏差和偏航方向偏差都小于设定值时，通过式(五)和式(六)解算输出制导指令，并传递给舵机系统：
其中，nxoy表示俯仰方向输出制导指令，nxoz表示偏航方向输出制导指令，nxoy11,nxoy12,…,nxoy1m依次表示在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的m个俯仰方向卫星制导指令；nxoz11,nxoz12,…,nxoz1m依次表示在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的m个偏航方向卫星制导指令；m表示在图像制导系统一个工作周期的时间段内，卫星制导系统解算出的卫星制导指令的数量。在nxoy1m中的m表示第m个俯仰方向卫星制导指令，在nxoz1m中的m表示第m个偏航方向卫星制导指令。
本发明中所述的舵机系统包括舵机和根据控制指令解算出打舵时间的解算模块，舵机系统是控制指令的执行单元，可以采用现有的舵机系统，本申请中对此不作特别限定，能够实现上述功能即可。
在一个优选的实施方式中，所述设定值为2～10，优选地为5，即在俯仰方向偏差和偏航方向偏差都小于5m/s2时，通过式(五)和式(六)解算输出制导指令，即为输出复合的制导指令，该复合制导指令能够更好地控制飞行器，最终提高飞行器的命中精度。
在一个优选的实施方式中，在图像制导系统工作正常，已经捕捉到目标，并且卫星制导系统工作状况正常，没有丢星的情况下，当俯仰方向偏差和偏航方向偏差至少有一个大于或者等于设定值时，将所述获得相邻两个图像制导指令中的后一个图像制导指令作为输出制导指令，并传递给舵机系统，此时由于图像制导系统与卫星制导系统提供的指令差距过大，极大可能是卫星受到干扰，卫星信息失准，所以才有图像制导指令进行制导控制，降低受到干扰的卫星信号对制导控制带来的不良影响。
在一个优选的实施方式中，当卫星制导系统丢星时，不再执行步骤3，将步骤1中实时获得的图像制导指令作为输出制导指令，并传递给舵机系统，其输出制导指令的频率与获得图像制导指令的频率一致，即在能够明确判断出卫星信号丢失时，通过图像制导的方式进行末制导段制导控制。当能够卫星系统丢星状态消失，能够捕获到卫星信号后，再继续执行步骤3。
在一个优选的实施方式中，当图像制导系统未捕捉到目标时，不再执行步骤3，将步骤2获得的卫星制导指令的平均值作为输出制导指令，并传递给舵机系统，即在能够明确判断出图像制导无法工作时，通过卫星制导的方式进行末制导段制导控制，其中，即使图像制导系统未能捕捉到目标，系统仍然记载图像制导系统的工作周期，卫星制导指令的平均值仍然依据图像制导系统的工作周期来解算，即解算相邻两个应该获得图像制导指令的时间段内接收到的卫星制导指令的算数平均值；当图像制导系统捕捉到目标后，再继续执行步骤3。
实验例
通过计算机进行飞行器的模拟仿真实验，飞行器的飞行目标在25km外。
实验例1：
在实验例1的飞行器中，在中制导段采用卫星制导进行制导控制，在末制导段采用本申请中所述的复合制导飞行器指令融合算法进行制导控制，该算法中通过如下步骤解算输出制导指令，并通过输出制导指令控制飞行器，
步骤1，通过式(一)、式(二)、式(三)和式(四)解算卫星制导指令和图像制导指令；
nxoy2＝KxoyV(qxoy-θ)+k2gcosθ (三)
nxoz2＝-KxozV(qxoz-ψ) (四)
其中，俯仰方向的导航比Nxoy取值为4，偏航方向的导航比Nxoz取值为4，重补系数k1取值为2，偏航方向的制导系数Kxoz取值为10，俯仰方向的制导系数Kxoy取值为10；
步骤2，在获得相邻两个图像制导指令的时间段内获得的偏航方向卫星制导指令的平均值为
在获得相邻两个图像制导指令的时间段内获得的俯仰方向卫星制导指令的平均值为
步骤3，在图像制导系统工作正常，已经捕捉到目标，并且卫星制导系统工作状况正常，没有丢星的情况下，当俯仰方向偏差和偏航方向偏差都小于5m/s2时，通过式(五)和式(六)解算输出制导指令：
其中，卫星制导系统的工作周期为100Hz，图像制导系统的工作周期为10Hz，m的取值为10；
在图像制导系统工作正常，已经捕捉到目标，并且卫星制导系统工作状况正常，没有丢星的情况下，当俯仰方向偏差和偏航方向偏差至少有一个大于或者等于设定值时，将图像制导指令作为输出制导指令，
当卫星制导系统丢星时，将图像制导指令作为输出制导指令；
当图像制导系统未捕捉到目标时，将卫星制导指令作为输出制导指令；
步骤4，在每次获得图像制导指令时重复上述步骤2和步骤3。
获得该实验例1中飞行器飞向目标过程中的弹道轨迹，其轨迹如图2中的实线轨迹(指令融合制导)所示，图3为图2的局部放大图，旨在放大飞行器将要着陆时的飞行轨迹。
实验例2：
在实验例2的飞行器中，在中制导段采用卫星制导进行制导控制，在末制导段采用本领域中已有的图像制导进行制导控制；
获得该实验例2中飞行器飞向目标过程中的弹道轨迹，其轨迹如图2中的虚线轨迹(单一图像制导)所示，图3为图2的局部放大图，旨在放大飞行器将要着陆时的飞行轨迹。
由实验例1和实验例2可知，采用本申请中的复合制导飞行器指令融合算法能够使得飞行器准确命中目标，而单一图像制导的飞行器有200米左右的脱靶量。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，解算卫星制导指令和图像制导指令；
步骤2，解算卫星制导指令的平均值；
步骤3，比较卫星制导指令的平均值与图像制导指令之间的差值大小，根据该差值大小解算输出制导指令至舵机系统；
通过卫星制导系统解算得到所述卫星制导指令，
通过图像制导系统解算得到所述图像制导指令；
所述卫星制导指令包括俯仰方向卫星制导指令和偏航方向卫星制导指令，
所述图像制导指令包括俯仰方向图像制导指令和偏航方向图像制导指令；
在步骤2中，解算在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的多个卫星制导指令的平均值；
其中，俯仰方向卫星制导指令的平均值
是算数平均值，
偏航方向卫星制导指令的平均值
是算数平均值；
所述步骤3中，解算俯仰方向图像制导指令与俯仰方向卫星制导指令的平均值
之差的绝对值，即俯仰方向偏差，
解算偏航方向图像制导指令nxoz2与偏航方向卫星制导指令的平均值
之差的绝对值，即偏航方向偏差；
其中，通过所述获得相邻两个图像制导指令中的后一个图像制导指令解算俯仰方向偏差和偏航方向偏差，
当俯仰方向偏差和偏航方向偏差都小于设定值时，通过式(五)和式(六)解算输出制导指令，并传递给舵机系统：
其中，nxoy表示俯仰方向输出制导指令，nxoz表示偏航方向输出制导指令，nxoy11,nxoy12,…,nxoy1m依次表示在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的m个俯仰方向卫星制导指令；nxoz11,nxoz12,…,nxoz1m依次表示在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的m个偏航方向卫星制导指令；m表示在获得相邻两个图像制导指令的时间段内，卫星制导系统解算出的卫星制导指令的数量。
2.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，
在每次获得图像制导指令时重复上述步骤2和步骤3。
3.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，
步骤1中，卫星制导系统通过式(一)和式(二)解算得到所述卫星制导指令，
其中，nxoy1表示俯仰方向卫星制导指令，nxoz1表示偏航方向卫星制导指令，Nxoy表示俯仰方向的导航比，Nxoz表示偏航方向的导航比，V表示飞行器的速度，
表示俯仰方向的弹目视线角速率，
表示偏航方向的弹目视线角速率，k1表示重补系数，g表示重力加速度，θ表示弹道倾角。
4.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，
步骤1中，图像制导系统通过式(三)和式(四)解算得到所述图像制导指令，
nxoy2＝KxoyV(qxoy-θ)+k2gcosθ (三)
nxoz2＝-KxozV(qxoz-ψ) (四)
其中，nxoy2表示俯仰方向图像制导指令，nxoz2表示偏航方向图像制导指令，Kxoy表示俯仰方向的制导系数，Kxoz表示偏航方向的制导系数，V表示飞行器的速度，qxoy表示俯仰方向的弹目视线角，qxoz表示偏航方向的弹目视线角，k2表示重补系数，g表示重力加速度，θ表示速度倾角，ψ表示速度偏。
5.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法 ，其特征在于，所述设定值为2～10。
6.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，
在俯仰方向偏差和偏航方向偏差至少有一个大于或者等于设定值时，将所述获得相邻两个图像制导指令中的后一个图像制导指令作为输出制导指令，并传递给舵机系统。
7.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，在卫星制导系统丢星时，不再执行步骤3，将步骤1中实时获得的图像制导指令作为输出制导指令，并传递给舵机系统。
8.根据权利要求1所述的复合制导飞行器指令融合方法，其特征在于，
在图像制导系统未捕捉到目标时，不再执行步骤3，将步骤2获得的卫星制导指令的平均值作为输出制导指令，并传递给舵机系统。
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