CN113465576B - 基于飞行器的gnss高度来算出气压高度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的方法和系统。该方法可包括：至少根据所述GNSS高度和大气环境温度来计算静压；根据计算得到的静压来算出所述飞行器的第一气压高度；根据所述第一气压高度来选择对应的静压校正表，所述静压校正表包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值；通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正；以及根据经校正的静压算出第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度。

Description

基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的方法和系统
技术领域
本公开涉及飞行器导航领域，尤其是基于飞行器的GNSS高度来计算其气压高度。
背景技术
目前，飞行器大气数据系统计算气压高度等参数时主要是基于来自气压高度表的静压源（诸如静压孔）的测得静压来算出气压高度，因而数据来源是单一的，气压高度的冗余性不足。一旦飞行器的静压源发生故障，则存在不能准确得到气压高度，危害飞行安全。
本公开针对但不限于上述因素进行了改进。
公开内容
为此，本公开提供了一种通过飞行器的GNSS高度来计算其气压高度的方法。本公开的方法利用GNSS高度计算出静压值并进而通过静压值来计算出气压高度。本公开还利用飞行器的飞行参数（诸如飞行高度、马赫数、迎角等）来对计算得到的气压高度进行校正，从而得到准确的气压高度。
根据本公开的第一方面，提供了一种一种基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的方法，包括：至少根据所述GNSS高度和大气环境温度来计算静压；
根据计算得到的静压来算出所述飞行器的第一气压高度；根据所述第一气压高度来选择对应的静压校正表，所述静压校正表包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值；通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正；以及根据经校正的静压算出第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度。
根据一实施例，所述静压是如下计算的：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中ln指自然对数，Pi和Pi-1分别是当前时刻和前一时刻的静压，g是重力加速度，R是气体常数，hi和hi-1分别是当前时刻和前一时刻的GNSS高度，Ti和Ti-1分别是当前时刻和前一时刻的大气环境温度，i为大于等于1的正整数。
根据另一实施例，在i=1时，Pi-1是从飞行器的静压源读取的静压。
根据又一实施例，所述静压的计算是以总线采样频率来进行的。
根据又一实施例，所述静压校正值是以所述飞行器的当前马赫数和迎角为参数从静压校正表中通过插值法来查找到的。
根据又一实施例，在所述静压校正表中，马赫数是按在0到1马赫的区间内恒定的马赫数步长来均匀分布的，而迎角是按在-20度到25度的迎角区间内非恒定的迎角步长非均匀地分布的，其中迎角步长在迎角区间的中间部分较小，而在迎角区间的边缘部分较大。
根据又一实施例，所述方法还包括在静压源发生故障的情况下输出所述第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度以显示给所述飞行器的飞行员。
根据又一实施例，所述方法还包括将经校正的静压与来自所述静压源的静压相比较，并且在它们之间的差值超过预定阈值时，确定所述静压源发生故障。
根据本公开的第二方面，提供了一种基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的系统，包括：传感器，所述传感器至少包括用于获得GNSS高度的GNSS接收机、用于获得大气温度的总温传感器，计算装置，其被配置成：至少根据来自所述GNSS接收机的GNSS高度和来自所述总温传感器的大气环境温度来计算静压；根据计算得到的静压来算出所述飞行器的第一气压高度；根据所述第一气压高度来选择对应的静压校正表，所述静压校正表包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值；通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正；以及根据经校正的静压算出第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度；以及显示器，用于显示由所述计算装置计算得到的第二气压高度。
根据一实施例，所述传感器还包括静压源，用于获得大气静压的测量值。
根据另一实施例，所述计算装置还被配置成将经校正的静压与来自所述静压源的静压相比较，并且在它们之间的差值超过预定阈值时，确定所述静压源发生故障。
根据又一实施例，所述显示器被配置成在所述静压源发生故障的情况下显示所述计算装置计算得到的第二气压高度。
根据本公开的第三方面，提供了一种飞行器，包括根据本公开的第二方面所述的系统。
各方面一般包括如基本上在本文参照附图所描述并且如通过附图所解说的方法、装备、系统、计算机程序产品和处理系统。
前述内容已较宽泛地勾勒出根据本公开的示例的特征和技术优势以使下面的详细描述可以被更好地理解。附加的特征和优势将在此后描述。所公开的概念和具体示例可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。此类等效构造并不背离所附权利要求书的范围。本文所公开的概念的特性在其组织和操作方法两方面以及相关联的优势将因结合附图来考虑以下描述而被更好地理解。每一附图是出于解说和描述目的来提供的，且并不定义对权利要求的限定。
附图说明
为了能详细理解本公开的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本公开的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。不同附图中的相同附图标记可标识相同或相似的元素。
图1是根据本公开的一实施例的基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的示例方法的流程图；
图2是根据本公开的一实施例的基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的示例系统的框图；以及
图3是根据本公开的一实施例的基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的另一示例系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。
如前所述，飞行器大气数据系统计算气压高度等参数时主要是基于传统传感器测量的方式，数据来源单一。为了增加大气数据系统冗余性，可利用GNSS高度来算出气压高度以用于备份和监控的目的。
下面参考图1，其示出了基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的示例方法100的流程图。
如图1所示，在框110，方法100可包括至少根据所述GNSS高度和大气环境温度来计算静压。例如，飞行器可包括用于接收GNSS数据的GNSS接收机和用于感测飞行器的大气环境温度的总温传感器。由此，飞行器可基于通过GNSS接收机接收到的GNSS高度数据和由总温传感器感测到的大气环境温度来计算飞行器当前所处大气的静压。本领域技术人员可以明白，在此所述的静压是指飞行器当前所在位置的大气的静止气压。
根据本公开的一优选实施例，静压是通过下式来计算得到的：
Figure 664730DEST_PATH_IMAGE001
其中ln指自然对数，Pi和Pi-1分别是当前时刻和前一时刻的静压，g是重力加速度，R是气体常数，hi和hi-1分别是当前时刻和前一时刻的GNSS高度，Ti和Ti-1分别是当前时刻和前一时刻的大气环境温度，i为大于等于1的正整数。
在该实施例中，在i=1时，Pi-1是从飞行器的静压源读取的静压。例如，飞行器的静压源可以是飞行器的机载传感器（例如，静压孔）。由此，机载传感器的读数可被作为上式的静压初始值，以计算后续各个时刻的静压。
进一步根据该实施例，静压的计算是以总线采样频率来进行的。例如，民用飞行器的总线采样频率可以是20 Hz，从而使得上式中hi和hi-1、Ti和Ti-1的测量时刻相差0.05秒，即每0.05秒按照上式计算一次飞行器当前大气环境的静压。
然而，本领域技术人员可以明白，在方法100在进一步的实施例中，静压的计算也可以按更低的频率来计算，例如总线采样频率的二分之一、三分之一等任何合适的频率，以节省计算资源。
本领域技术人员还可以明白，尽管上式中只使用了GNSS高度和温度来计算静压，这只是作为示例来示出的，还可以考虑可能影响静压的任何其他合适的参数，诸如湿度等等。
继续参考图1，在框120，方法100可包括根据计算得到的静压来算出飞行器的第一气压高度。本领域技术人员可以明白，这一计算可以基于大气静压-气压高度公式来进行，在此不再赘述。
随后，方法100可包括在框130，根据第一气压高度来选择对应的静压校正表。在一实施例中，静压校正表可包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值。不同的气压高度可对应于不同的静压校正表，并且这些静压校正表是以预定气压高度步长来在不同迎角和不同马赫数下预先通过试验确定的。例如，可以在0英尺到60000英尺气压高度的范围内，以6000英尺的气压高度为步长，确定10个静压校正表。从而，在0-6000英尺内的气压高度可对应于第一静压校正表；在6000-12000英尺内的气压高度可对应于第二静压校正表，以此类推。在气压高度的范围边界处的气压高度值（例如，6000英尺，12000英尺，等等）可通过向上或向下取整等操作来确定合适的静压校正表。如此，可以根据计算得到的气压高度来确定选择哪一静压校正表。当然，本领域技术人员可以明白，这些具体的数值（例如，60000英尺气压高度范围，6000英尺气压高度步长）仅仅是作为示例给出的，可以采用任何其他合适的值。
下表1中示出了根据本公开的一实施例的示例静压校正表。
Figure 847450DEST_PATH_IMAGE002
表1
从上表1中可以看出，该表是飞行器的飞行高度为H的情况下，不同马赫数Mj（即飞行器的飞行速度，j＝1到m）和不同迎角
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（其中k＝1到n）所对应的静压修正值
Figure 282979DEST_PATH_IMAGE004
。上表中给出了m个马赫数和n个迎角，其中m、n是大于等于1的正整数。本领域技术人员可以明白，m和n可以是任何合适的正整数。
在本公开的一优选实施例中，在每一静压校正表中，马赫数是按在0到1马赫的区间内恒定的马赫数步长来均匀分布的，而迎角是按在-20度到25度的迎角区间内非恒定的迎角步长非均匀地分布的。在这一实施例中，考虑到飞行器的迎角区间的边缘部分出现较少（即，-20度和25度左右的迎角的情况一般较少发生），迎角步长在迎角区间的中间部分较小，而在迎角区间的边缘部分较大。
例如，结合上表1，马赫数步长可以是0.01马赫，使得M1为0.01马赫、M2为0.02马赫、……、Mm＝1马赫，由此m＝100。在这一示例中，迎角步长在-20度到-16度之间是1度，在-16度到-3度之间是0.5度，在-3度到12度之间是0.25度，在12度到21度之间是0.5度，在21度到25度之间是1度，由此n＝113。
当然，本领域技术人员可以明白，上述数值仅仅是作为示例来示出的，还可以采取任何其他合适的马赫范围、迎角范围、马赫步长、迎角步长。例如，迎角步长在整个迎角范围内也可以是恒定的任何合适数值，马赫数可以超过5马赫（对于高超音速飞行器而言）。
接着，在框140，方法100可包括通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正。
例如，结合表1，方法100可根据飞行器的当前飞行速度马赫数和飞行器的当前迎角来从与飞行器的当前飞行高度相对应的静压校正表中查找出静压校正值
Figure 943768DEST_PATH_IMAGE004
，并使用该静压校正值来对在步骤110中计算得到的静压进行校正。
在这一示例中，如上表1所示，静压校正表中给出的只是在马赫数范围和迎角范围内的若干个离散值，因此飞行器的实际马赫数和迎角可能并不是这些离散值之一。因此，为了获得静压校正值，可以采用任何合适的插值法来对飞行器的当前马赫数和迎角进行拟合。
例如，结合以上表1和相应的马赫数步长（参见上文，均匀的0.01马赫步长）及迎角步长（参见上文，不均匀的迎角步长），如果飞行器的当前马赫数是0.498，则可以采用向上取整的插值法来查找马赫数0.50所对应的静压校正值。同样，迎角也可以采用向上取整的方法来找出对应的静压校正值。本领域技术人员可以明白，还可以采用任何合适的插值方法，例如向下取整、向上取整和向下取整这两者所获得的两个静压校正值的平均值，等等。
随后，方法100可包括在框150根据经校正的静压算出第二气压高度来作为飞行器的气压高度。由此，方法100可根据飞行器的GNSS高度结合飞行器的飞行参数（例如，马赫数、迎角）来得到更准确的飞行器气压高度。
可任选地，方法100还可包括在静压源发生故障的情况下输出计算得到的第二气压高度来作为飞行器的气压高度，以显示给飞行器的飞行员。在这一实施例中，如果飞行器的静压源发生故障而不能给出正确的静压，从而不能得到飞行器的气压高度，则方法100可将通过GNSS高度计算得到的上述第二气压高度输出给飞行器的飞行员（例如，显示在机载显示器上），以作为飞行器的气压高度。由此，方法100向飞行器提供了气压高度的数据源的冗余性，使得在静压源发生故障的情况下也能够给出飞行器的气压高度。
在进一步的优选实施例中，方法100还可包括将经校正的静压与来自静压源的静压相比较，并且在这两个静压之间的差值超过预定阈值时，确定静压源发生故障。例如，方法100可在计算得到静压之后，将其与来自静压源的静压相比较，以确定这两者的差值是否在合理范围内（即，没有超过预定阈值，例如不超过几毫巴或预定百分比）。如果这两者的差值较大（即超过预定阈值），则可以确定静压源发生故障。在这一情形中，方法100可如上所述，输出通过GNSS高度计算得到的上述第二气压高度以作为飞行器的气压高度。可任选地，方法100还可向飞行员或其他人员发出警报，通知静压源发生故障。
参考图2，其示出了根据本公开的一实施例的基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的示例系统200的框图。
如图所示，系统200可包括传感器210、计算装置220以及显示器230。传感器210用于采集各种飞行参数以供计算装置220使用，例如传感器210至少包括用于获得GNSS高度的GNSS接收机、用于获得大气温度的总温传感器等。
计算装置220可被用来使用来自传感器210的飞行参数来计算出飞行器的气压高度。例如，计算装置220可以是飞行器的机载计算机，且可被配置成至少根据来自传感器210的飞行参数（例如，来自GNSS接收机的GNSS高度和来自总温传感器的大气环境温度）来计算静压；根据计算得到的静压来算出飞行器的第一气压高度；根据第一气压高度来选择对应的静压校正表，所述静压校正表包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值；通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正；以及根据经校正的静压算出第二气压高度来作为飞行器的气压高度。
显示器230可被用来接收来自计算装置220的计算得到的气压高度，并显示给飞行器的飞行员。在一示例中，显示器230可以是飞行器的机载显示器。
在一实施例中，传感器210还可包括用于获得大气静压的测量值的静压源（图2中未示出）。在该实施例中，计算装置220还可被配置成将经校正的静压与来自静压源的静压相比较，并且在它们之间的差值超过预定阈值时，确定静压源发生故障。进一步根据该实施例，仅在确定静压源发生故障之后，显示器230才被配置成显示来自计算装置220的计算得到的气压高度。在静压源未发生故障的情况下，显示器230将显示来自静压源的气压高度。
图3是解说根据本公开的各方面的示例飞行器300的示意图。如图所示，飞行器300可包括基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的系统310，诸如系统200。
综上，本公开根据飞行器上一时刻算出的静压值、上一时刻和当前时刻的GNSS高度及大气环境温度，对当前时刻的静压值进行推算，得出粗略的静压值以及粗略气压高度；然后根据当前时刻的马赫数、迎角，结合已计算得出的粗略气压高度对应的飞行高度层，通过查找如表1所示的校正表，确定静压校正值（一般而言，可利用插值算法得出当前飞行高度、马赫数和迎角下的静压校正值），以对粗略静压值进行校正；最后使用经校正的静压计算出飞行器的气压高度。
由此，本公开能根据飞行器的当前实际飞行参数（飞行高度、马赫数和迎角等）对计算得到的气压高度进行校正，提高了计算得到的气压高度的精度，从而在飞行器丧失静压源或静压源错误的情况下，能为飞行提供更可靠精确的气压高度。
以上具体实施方式包括对附图的引用，附图形成具体实施方式的部分。附图通过说明来示出可实践的特定实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。此类示例可以包括除所示或所述的那些元件以外的元件。然而，还构想了包括所示或所述元件的示例。此外，还构想出的是使用所示或所述的那些元件的任何组合或排列的示例，或参照本文中示出或描述的特定示例（或其一个或多个方面），或参照本文中示出或描述的其他示例（或其一个或多个方面）。
在所附权利要求书中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，在权利要求中除此类术语之后列举的那些元件之外的元件的系统、设备、制品或过程仍被视为落在那项权利要求的范围内。此外，在所附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标记，并且不旨在表明对它们的对象的数字顺序。
另外，本说明书中所解说的各操作的次序是示例性的。在替换实施例中，各操作可以按与附图所示的不同次序执行，且各操作可以合并成单个操作或拆分成更多操作。
以上描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如，可结合其他实施例来使用以上描述的示例（或者其一个或多个方面）。可诸如由本领域普通技术人员在审阅以上描述之后来使用其他实施例。摘要允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，各种特征可以共同成组以使本公开流畅。然而，权利要求可以不陈述本文中公开的每一特征，因为实施例可以表征所述特征的子集。此外，实施例可以包括比特定示例中公开的特征更少的特征。因此，所附权利要求书由此被结合到具体实施方式中，一项权利要求作为单独的实施例而独立存在。本文中公开的实施例的范围应当参照所附权利要求书以及此类权利要求所赋予权利的等价方案的完整范围来确定。

Claims (13)

1.一种基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的方法，包括：
至少根据所述GNSS高度和大气环境温度来计算静压；
根据计算得到的静压来算出所述飞行器的第一气压高度；
根据所述第一气压高度来选择对应的静压校正表，所述静压校正表包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值；
通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正；以及
根据经校正的静压算出第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算得到的静压是如下计算的：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中ln指自然对数，Pi和Pi-1分别是当前时刻和前一时刻的静压，g是重力加速度，R是气体常数，hi和hi-1分别是当前时刻和前一时刻的GNSS高度，Ti和Ti-1分别是当前时刻和前一时刻的大气环境温度，i为大于等于1的正整数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在i=1时，Pi-1是从飞行器的静压源读取的静压。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述静压的计算是以总线采样频率来进行的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静压校正值是以所述飞行器的当前马赫数和迎角为参数从静压校正表中通过插值法来查找到的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述静压校正表中，马赫数是按在0到1马赫的区间内恒定的马赫数步长来均匀分布的，而迎角是按在-20度到25度的迎角区间内非恒定的迎角步长非均匀地分布的，其中迎角步长在迎角区间的中间部分较小，而在迎角区间的边缘部分较大。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在静压源发生故障的情况下输出所述第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度以显示给所述飞行器的飞行员。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
将经校正的静压与来自所述静压源的静压相比较，并且在它们之间的差值超过预定阈值时，确定所述静压源发生故障。
9.一种基于飞行器的GNSS高度来算出气压高度的系统，包括：
传感器，所述传感器至少包括用于获得GNSS高度的GNSS接收机、用于获得大气温度的总温传感器，
计算装置，其被配置成：
至少根据来自所述GNSS接收机的GNSS高度和来自所述总温传感器的大气环境温度来计算静压；
根据计算得到的静压来算出所述飞行器的第一气压高度；
根据所述第一气压高度来选择对应的静压校正表，所述静压校正表包括在相应气压高度下，不同迎角和马赫数所对应的静压校正值；
通过从所选择的静压校正表中查找到的静压校正值来对计算得到的静压进行校正；以及
根据经校正的静压算出第二气压高度来作为所述飞行器的气压高度；以及
显示器，用于显示由所述计算装置计算得到的第二气压高度。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述传感器还包括静压源，用于获得大气静压的测量值。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述计算装置还被配置成将经校正的静压与来自所述静压源的静压相比较，并且在它们之间的差值超过预定阈值时，确定所述静压源发生故障。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述显示器被配置成在所述静压源发生故障的情况下显示所述计算装置计算得到的第二气压高度。
13.一种飞行器，包括根据权利要求9-12中的任一项所述的系统。
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