CN114756045B - 一种用于气象雷达标定的无人机控制方法 - Google Patents

一种用于气象雷达标定的无人机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无人机控制技术领域，具体涉及一种用于气象雷达标定的无人机控制方法。本发明的方案主要是提出了在使用无人机挂载金属球(或者其它标定装备)对气象雷达进行标定时，将被标定气象雷达参数与无人机参数进行自动匹配，计算出无人机的近场区标定约束条件和远场区标定约束条件；根据匹配参数计算并控制无人机在气象雷达的近场区标定空间和远场区标定空间，按照无人机设定的飞行速度进行智能标定飞行；实现了一种用于气象雷达标定的无人机控制方法，消除标定过程中人工对标定无人机的繁琐控制流程和对气象雷达标定的影响。

Description

一种用于气象雷达标定的无人机控制方法
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，具体涉及一种用于气象雷达标定的无人机控制方法。
背景技术
随着双偏振气象雷达、相控阵气象雷达技术的不断发展，对气象雷达的标定要求越来越高，技术需求也越来旺盛。比如，使用无人机挂载金属球对双偏振气象雷达和相控阵气象雷达进行探测技术标定已经在不断的进行探索和试验，如图1所示，为使用无人机挂载金属球(或者其它标定装备)对气象雷达进行标定时，需要人工操作挂载金属球(或者其它标定装备)的无人机在气象雷达的近场区和远场区按照指定的高度、距离、速度进行不间断的标定飞行。在使用无人机挂载金属球对气象雷达进行标定的过程中，需要人工对标定无人机的飞行轨迹、飞行状态、飞行区域、飞行距离、飞行高度、飞行速度等进行控制，具有繁琐的操作流程和标定无人机飞行控制过程，由此带来了极大的不便和诸多不利影响。
发明内容
本发明的目的，是提出一种用于气象雷达标定的无人机控制方法，用以解决使用无人机挂载金属球(或者其它标定装备)对气象雷达进行标定的过程中，对标定无人机的飞行轨迹、飞行状态、飞行区域、飞行距离、飞行高度、飞行速度等进行控制的问题。
本发明的技术方案是：
一种用于气象雷达标定的无人机控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、获取被标定气象雷达参数，包括：气象雷达馈源的海拔高度h、经度J1、纬度W1和雷达波长λ，无人机获取标定指令，若标定指令为近场区标定指令，进入步骤S2，若标定指令为远场区标定指令，进入S5；
S2、将无人机参数与获取的气象雷达参数进行匹配计算，计算出控制无人机在近场区标定飞行的约束条件为：R≤R1，H≥h，其中，R为气象雷达和无人机在地球表面的投影距离，R1为气象雷达的近场区最大范围，H为无人机实时飞行的海拔高度；
S3、控制无人机在近场区的约束条件范围内进行标定飞行，具体近场区标定的无人机控制计算方法为：
Figure BDA0003650411160000021
R1＝D2/2λ
Figure BDA0003650411160000022
其中D为气象雷达天线直径，Rd为等效地球半径，L为无人机与气象雷达的相对距离，Y为无人机相对于气象雷达的俯仰角，RE为地球半径；
Figure BDA0003650411160000023
Figure BDA0003650411160000024
Figure BDA0003650411160000025
其中，W2为无人机实时飞行的纬度，J2为无人机实时飞行的经度：
Figure BDA0003650411160000026
Figure BDA0003650411160000027
Figure BDA0003650411160000028
F为无人机相对于气象雷达的方位角；
S4、设置无人机的飞行速度，结合步骤S2和S3，控制无人机在近场区约束条件范围内按照设定的飞行速度先由近到远，再由远到近的飞行方式完成气象雷达的近场区标定，判断是否还接收到远场区标定指令，若是，则进入步骤S5，否则结束标定过程；所述由近到远是指无人机与气象雷达的相对距离L由小到大；
S5、将无人机参数与获取的气象雷达参数进行匹配计算，计算出控制无人机在远场区标定飞行的约束条件为：R≥R2，H≥h，其中，R为气象雷达和无人机在地球表面的投影距离，R2为气象雷达的远场区最小范围，H为无人机实时飞行的海拔高度；
S6、控制无人机在远场区空间的约束条件范围内飞行，具体远场区标定无人机控制计算方法为：
Figure BDA0003650411160000031
R2＝2D2/λ
Figure BDA0003650411160000032
其中D为气象雷达天线直径，Rd为等效地球半径，L为无人机与气象雷达的相对距离，Y为无人机相对于气象雷达的俯仰角，RE为地球半径；
Figure BDA0003650411160000033
Figure BDA0003650411160000034
Figure BDA0003650411160000035
其中，W2为无人机实时飞行的纬度，J2为无人机实时飞行的经度：
Figure BDA0003650411160000036
Figure BDA0003650411160000037
Figure BDA0003650411160000038
F为无人机相对于气象雷达的方位角；
S7、设置无人机的飞行速度，结合步骤S5和S6，控制无人机在远场区约束条件范围内按照设定的飞行速度先由近到远，再由远到近的飞行方式完成气象雷达的远场区标定，所述由近到远是指无人机与气象雷达的相对距离L由小到大。
本发明的有益效果为，实现使用无人机挂载金属球(或者其它标定装备)对气象雷达进行标定时，可以自动匹配被标定气象雷达的参数，然后在气象雷达的近场区标定约束条件空间和远场区标定约束条件空间，按照无人机设定的飞行速度进行智能标定飞行，消除标定过程中人工对标定无人机的繁琐控制流程和对气象雷达标定的影响。
附图说明
图1是挂载金属球(或者其它标定装备)的标定无人机对气象雷达标定时的飞行空间示意图；
图2是标定无人机飞行模式控制流程图；
图3是雷达近场区标定空间无人机飞行方法控制流程；
图4是雷达远场区标定空间无人机飞行方法控制流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明主要是使无人机参数与被标定气象雷达馈源参数能够自动匹配，具体方法是：
设定被标定气象雷达馈源参数(海拔高度、经度、纬度)分别为：h、J1、W1；标定无人机飞行的实时空间位置参数(海拔高度、经度、纬度)分别为：H、J2、W2；标定无人机(B)相对于被标定气象雷达馈源(A)的方位角、俯仰角和相对距离分别为：F(相对于被标定气象雷达北偏东的角度数值)、Y(相对于地平面的角度值)、L(单位：米)，
Figure BDA0003650411160000041
为弧度；RE为地球半径；Rd为等效地球半径(大约相当于地球实际半径的4/3)。被标定气象雷达馈源A与标定无人机B,两点在地球表面的投影距离为：R(单位：米)；通过以下公式对两者的参数进行匹配：
Figure BDA0003650411160000042
Figure BDA0003650411160000051
Figure BDA0003650411160000052
Figure BDA0003650411160000053
Figure BDA0003650411160000054
Figure BDA0003650411160000055
Figure BDA0003650411160000056
Figure BDA0003650411160000057
Figure BDA0003650411160000058
标定分为近场范围和远场范围，因为需要设置约束条件如下：选择近场区标定飞行模式时，如图3，标定无人在约束条件:R≤R1，H1≥h的空间范围内按照设定速度V先由近到远，再由远到近进行智能标定飞行；选择远场区标定飞行模式时，如图4，标定无人在约束条件:R≥R2，H2≥h的空间范围内按照设定速度V先由近到远，再由远到近进行智能标定飞行；
气象雷达近场区范围R1计算公式为：
R1＝D2/2λ (10)
式中:D为气象雷达天线直径(单位：米)，λ为气象雷达波长(单位：厘米)，R1为气象雷达近场区最大范围(单位：米)。
气象雷达远场区范围R2计算公式为：
R2＝2D2/λ (11)
式中:D为气象雷达天线直径(单位：米)，λ为气象雷达波长(单位：厘米)，R2为气象雷达远场区最小范围(单位：米)。
在实际应用中，在标定无人机控制软件上，获取到气象雷达馈源参数(雷达波长、海拔高度、经度、纬度)后，即可通过上述方式进行参数的自动匹配，然后启动标定无人机，选择标定无人机的飞行模式：近场区标定飞行模式或远场区标定飞行模式进行标定。
实施例1
某业务用S波段气象雷达天线直径为：8.54米，波长10cm、馈源海拔高度为h1为500米；其根据气象雷达近场区计算公式，此气象雷达近场区最大距离R1＝364.658米，远场区最小距离R2＝1458.632米，无人机根据本发明方法进行参数匹配后，设定无人机飞行速度V为：5m/s,当标定无人机需要在此气象雷达的近场区执行标定飞行任务时，标定无人机飞行海拔高度为600米(H1)，相对气象雷达馈源距离为150米(L1)和300米(L1’)；标定无人机首先在海拔高度为600米，距离气象雷达馈源150米处悬停；完成悬停后，保持海拔高度不变，标定无人机在相对气象雷达馈源距离150米和300米之间，按照飞行速度5m/s,先由近到远飞行，再由远到近飞行，直到完场气象雷达近场区标定飞行任务，标定无人机返回。
实施例2
某试验用X波段相控阵气象雷达天线直径为：2.4米，波长3cm；馈源海拔高度为h1为150米；根据气象雷达近场区计算公式，近场区最大距离R1＝96米，远场区最小距离R2＝384米，无人机根据本发明方法进行参数匹配后，设定无人机飞行速度V为：3m/s,当标定无人机需要在此气象雷达的远场区执行标定飞行任务时，标定无人机飞行海拔高度为200米(H2)，相对气象雷达馈源距离为400米(L2)和500米(L2’)；标定无人机首先在海拔高度200米，距离气象雷达馈源400米处悬停；完成悬停后，保持海拔高度不变，标定无人机在相对气象雷达馈源距离400米和500米之间，按照飞行速度3m/s,先由近到远飞行，再由远到近飞行，直到完成气象雷达远场区标定飞行任务，标定无人机返回。

Claims (1)

1.一种用于气象雷达标定的无人机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取被标定气象雷达参数，包括：气象雷达馈源的海拔高度h、经度J1、纬度W1和雷达波长λ，无人机获取标定指令，若标定指令为近场区标定指令，进入步骤S2，若标定指令为远场区标定指令，进入S5；
S2、将无人机参数与获取的气象雷达参数进行匹配计算，计算出控制无人机在近场区标定飞行的约束条件为：R≤R1，H≥h，其中，R为气象雷达和无人机在地球表面的投影距离，R1为气象雷达的近场区最大范围，H为无人机实时飞行的海拔高度；
S3、控制无人机在近场区的约束条件范围内进行标定飞行，具体近场区标定的无人机控制计算方法为：
Figure FDA0003650411150000011
R1＝D2/2λ
Figure FDA0003650411150000012
其中D为气象雷达天线直径，Rd为等效地球半径，L为无人机与气象雷达的相对距离，Y为无人机相对于气象雷达的俯仰角，RE为地球半径；
Figure FDA0003650411150000013
Figure FDA0003650411150000014
Figure FDA0003650411150000015
其中，W2为无人机实时飞行的纬度，J2为无人机实时飞行的经度：
Figure FDA0003650411150000016
Figure FDA0003650411150000021
Figure FDA0003650411150000022
F为无人机相对于气象雷达的方位角；
S4、设置无人机的飞行速度，结合步骤S2和S3，控制无人机在近场区约束条件范围内按照设定的飞行速度先由近到远，再由远到近的飞行方式完成气象雷达的近场区标定，判断是否还接收到远场区标定指令，若是，则进入步骤S5，否则结束标定过程；所述由近到远是指无人机与气象雷达的相对距离L由小到大；
S5、将无人机参数与获取的气象雷达参数进行匹配计算，计算出控制无人机在远场区标定飞行的约束条件为：R≥R2，H≥h，其中，R为气象雷达和无人机在地球表面的投影距离，R2为气象雷达的远场区最小范围，H为无人机实时飞行的海拔高度；
S6、控制无人机在远场区空间的约束条件范围内飞行，具体远场区标定无人机控制计算方法为：
Figure FDA0003650411150000023
R2＝2D2/λ
Figure FDA0003650411150000024
其中D为气象雷达天线直径，Rd为等效地球半径，L为无人机与气象雷达的相对距离，Y为无人机相对于气象雷达的俯仰角，RE为地球半径；
Figure FDA0003650411150000025
Figure FDA0003650411150000026
Figure FDA0003650411150000031
其中，W2为无人机实时飞行的纬度，J2为无人机实时飞行的经度：
Figure FDA0003650411150000032
Figure FDA0003650411150000033
Figure FDA0003650411150000034
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