CN117112964A - 高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质。一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，基于预设的修正函数、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于所述修正后的转弯半径以及所述转弯段转角度计算转弯段航程；计算捕获段航程；计算进场飞行段航程；基于所述转弯航程段航程、所述捕获段航程以及所述进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。本发明计算连续，阶段切换剩余航程计算方式过渡平滑，不会产生数值的跳变影响飞行安全；精简飞行阶段划分，降低航程估计计算复杂度及出错概率；加入修正函数，修正飞行器转弯时因能量损失带来的转弯半径的变化，使预测的航程与实际飞行里程更加贴合。

Description

高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及飞行器航程估计领域。尤其涉及一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质。

背景技术

返场指高速飞行器从完成既定任务后飞至航向校准圆对准跑道中心线，此过程需要控制飞行器能量，使其满足进场着陆的初始条件。制导系统通过控制飞行器的横向及纵向轨迹，使飞行器满足标准的能量状态，而剩余航程的预测是产生制导指令的基础，因此至关重要。

现有无动力返场剩余航程估计中，如图所示1，飞行器接近航向校准圆后，会有一段外切航向校准圆对准跑道的过程，称为航向校准段(如下图1黑色实线部分)，进行航程估计时，此段航程计算复杂、易出错。

飞行器从当前位置a转弯使机头对准航向校准圆的行程估计过程中，重力加速度g与飞行器转弯时滚转角φ固定，因此，在飞行时飞行器的转弯半径的变化与速度V的平方成线性变化，飞行器在返场阶段呈无动力滑翔状态，因此在转弯时，随着飞行器动能的消耗，飞行器速度不断减小，转弯半径也随着速度的降低不断减小，而在估计转弯段S₁航程时，是以飞行器当前位置a的飞行速度进行估计，因此估计的航程与实际相比偏大，估计不精准。

如何解决现有的估计方法因行程阶段计算复杂、易出错且由于未考虑到转弯半径和飞行速度的变化使最终估计结果不够精准，是亟需解决的行程估计问题。

发明内容

本发明提供一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质。以解决现有的估计方法因行程阶段计算复杂、易出错且由于未考虑到转弯半径和飞行速度的变化使最终估计结果不够精准的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，包括：

基于预设的修正函数、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于所述修正后的转弯半径以及所述转弯段转角度计算转弯段航程，其中，所述转弯段航程为飞行器从无动力返场转弯飞行使机头对准航向校准圆的航程，所述修正函数为转弯段转角度的函数，用于修正因飞行器转弯段角度增大带来的转弯半径变化；

计算捕获段航程，其中，所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与所述跑道交接点的航程；

计算进场飞行段航程，其中，所述飞行段航程为飞行器切所述航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程；

基于所述转弯航程段航程、所述捕获段航程以及所述进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。

优选的，所述计算转弯段航程之前，还包括：

获取飞行器当前位置、跑道位置信息以及航向校准圆位置；基于所述飞行器当前位置、所述航向校准圆位置以及所述跑道位置信息获取转弯段转角度。

优选的，所述计算转弯段航程，具体包括：

所述修正函数为：其中,θ＝∠boa，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为圆心；

所述修正后的转弯半径为：Radius_p＝p×Radius，

其中，Radius为飞行器在转弯段航程中的转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角；

计算所述修正后的转弯段航程：S₁＝ab＝Radius_p·∠boa；∠boa是预设转弯段转角度，获得转弯段转弯角度的方法为，基于预设的航向校准圆与跑道的交接点：

∠boa＝∠vaf，∠vaf是飞行器当前位置a的速度方向与飞行器当前位置a到所述航向校准圆与跑道交接点连线方向的夹角。

优选的，所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与所述跑道交接点的航程，具体为：所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与跑道交接点的直线航程。

优选的，所述计算所述捕获段行程，具体包括：

bf＝Radius_p+of＝Radius_p-Radius_p·cos∠aob

fd＝ad-af＝ad-Radius_p·sin∠aob

其中，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为转弯段圆心，d为所述航向校准圆与跑道的交接点，f为bo延长线与ad的交点。

优选的，所述飞行段航程为飞行器切所述航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程，具体包括：所述飞行段航程为飞行器从所述航向校准圆与所述跑道的交接点飞至预设的跑道区降落点的直线航程。

第二方面，本发明还涉及一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置，转弯段航程计算模块，用于基于预设的修正函数、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于所述修正后的转弯半径以及转弯段转角度计算转弯段航程，其中，所述转弯段航程为飞行器从无动力返场转弯飞行使机头对准航向校准圆的航程，所述修正函数为所述飞行器转弯角度的函数，用于修正因飞行器转弯段角度增大带来的转弯半径变化；

捕获段航程计算模块，用于计算捕获段航程，其中，所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与所述跑道交接点的航程；

进场飞行段航程计算模块，用于计算进场飞行段航程，其中，所述飞行段航程为飞行器切所述航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程；

剩余航程估计模块，用于基于所述转弯航程段航程、所述捕获段航程以及所述进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。

所述转弯段航程计算模块，具体用于：

所述修正函数p为：其中,θ＝∠boa，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为圆心；

所述修正后的转弯半径为：Radius_p＝p×Radius，

其中，Radius为高速飞行器在转弯段航程中的转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角；

计算所述修正后的转弯段航程：S₁＝ab＝Radius_p·∠boa；

∠boa＝∠vaf,∠vaf是飞行器当前位置a的速度方向与高速飞行器当前位置a到所述航向校准圆与跑道交接点连线方向的夹角。

所述捕获段行程计算模块，具体用于：

bf＝Radius_p+of＝Radius_p-Radius_p·cos∠aob

fd＝ad-af＝ad-Radius_p·sin∠aob

其中，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为圆心，d为所述航向校准圆与跑道的交接点，f为bo延长线与ad的交点。

优选的，所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与跑道交接点的直线航程；所述飞行段航程为飞行器从所述航向校准圆与所述跑道的交接点飞至预设的跑道区降落点的直线航程。

第三方面，本发明还涉及一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有指令，所述指令运行时执行上述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法。

本发明涉及的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质，相比于现有技术，有以下有益效果：

本发明的航程预测方法将高速飞行器的返场飞行划分为三个子阶段，即转弯段航程、捕获段航程、进场飞行段航程。本发明具有以下优势：1、精简阶段划分，将飞行占比较小的航向校准段的航程计算整合进捕获段航程，只计算直线距离作为捕获段行程，在不影响预测精度的前提下简化了计算；2、计算连续，阶段切换剩余航程计算方式过渡平滑，不会产生数值的跳变影响飞行安全；3、加入半径修正函数p，修正飞行器转弯时因能量损失带来的转弯半径的变化，使预测的航程与实际飞行里程更加贴合。

附图说明

图1为本发明背景技术技术中航向校准段的示意图；

图2是本发明实施例一中一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法的方法流程图；

图3是本发明实施例一及二中剩余航程估计的转弯段、捕获段及进场飞行段行程的行程示意图；

图4是本发明实施例一及二中返场剩余航程的返场剩余航程的简化计算示意图；

图5是本发明实施例一及二中修正函数p随转弯角度变化的折线图；

图6是本发明实施例二中一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，请参阅图2-5，包括：

S10：基于预设的修正函数p、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于修正后的转弯半径以及及转弯段转角度计算转弯段航程，其中，转弯段航程为飞行器从无动力返场转弯飞行使机头对准航向校准圆的航程，修正函数p为转弯段转角度的函数，用于修正因飞行器转弯段角度增大带来的转弯半径变化。

其中，飞行器是指高速飞行器，即为超声速或者高超声速的飞行器，超音速飞行器为1.0<Ma<5.0，高超声速飞行器为5.0<＝Ma，其中，Ma为马赫数。飞行器类型可以为无人机、航天飞机等，并不做限定。

一些实施例中，计算转弯段航程之前，还包括：S01:获取飞行器当前位置、跑道位置信息以及航向校准圆位置,即获得航向偏差信息；再基于飞行器当前位置、航向校准圆位置以及跑道位置信息获取转弯段转角度∠boa。其中，获取飞行器当前位置、跑道位置信息以及航向校准圆位置可供后续的S10-S30使用。

本实施例中如图所示，∠boa＝∠vaf,∠vaf是飞行器当前位置a的速度方向与飞行器当前位置a到航向校准圆与跑道交接点连线方向的夹角。

本实施例中，转弯行程段S₁飞行器的转弯半径计算公式如下：

其中，Radius为飞行器当前转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；γ为航迹倾角；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角。

飞行器进行转弯飞行时，航迹角γ为0，因此可得：

其中，重力加速度g与飞行器转弯时滚转角φ固定，因此，飞行器飞行时的转弯半径的变化与速度V的平方成线性变化，高速飞行器在返场阶段呈无动力滑翔状态，因此在转弯时，随着飞行器动能的消耗，速度不断减小，因此转弯半径也随着速度的降低不断减小，而在估计转弯段S₁航程时，是以高速飞行器当前位置a速度进行估计，因此估计的航程与实际相比偏大。为解决上述问题，本发明在原有计算转弯半径的基础上，加入半径修正因子p，因为转弯段角度越大，速度衰减越大。

因此，如图5所示，本实施例中，设定修正函数p为：其中，θ＝∠boa，a为飞行器当前位置，b为捕获段的起点，o为圆心。

转弯角度θ越小时，飞行器速度衰减越少，速度估计的转弯半径与实际越接近，因此衰减因子越大，当转弯角度为0时，衰减因子为1，即不衰减。随着转弯角度θ的增加，衰减因子逐渐减小，转弯角度为时，衰减因子变为0.5，此时，衰减因子不再随角度变化减小，维持在0.5不变化。

修正后的转弯半径为：Radius_p＝p×Radius。其中，Radius为飞行器在转弯段航程中的转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角；

计算修正后的转弯段航程：S₁＝ab＝Radius_p·∠boa；

加入修正因子的转弯半径，更接近实际飞行器情况，使用修正后的转弯半径，对剩余航程估计的精确度更高。

S20：计算捕获段航程，其中，捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向航向校准圆与跑道交接点的航程。

具体为：捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向航向校准圆与跑道交接点的直线航程。此处直接将外切航向校准圆对准跑道的航向校准段过程合并至捕获段航程进行计算，采用直线距离替代了现有技术航向校准段的曲线距离，在基本不影响航程预测精度的情况下降低了计算复杂度，减少出错概率。

计算过程中，也需要提前获取到飞行器当前位置、跑道位置信息以及航向校准圆位置。

具体计算过程为：

bf＝Radius_p+of＝Radius_p-Radius_p·cos∠aob

fd＝ad-af＝ad-Radius_p·sin∠aob

其中，a为飞行器当前位置，b为捕获段的起点，o为转弯段圆心，d为航向校准圆与跑道的交接点，f为bo延长线与ad的交点。

S30：计算进场飞行段航程，其中，飞行段航程为飞行器切航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程。

具体的，飞行段航程为飞行器从所航向校准圆与跑道的交接点飞至预设的跑道区降落点的直线航程。

采用直线航程，减少计算难度同时对估计准确度不影响，提高了计算效率。

其中，S10-S30的实施顺序不做限制，在S40之前即可。

S40：基于转弯航程段航程、捕获段航程以及进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。

具体的，本实施例中，剩余航程估计值S估计方式为:S＝S₁+S₂+S₃,其中，S₁为转弯航程段航程、S₂为捕获段航程以及S₃为进场飞行段航程，综上公式，可得：

实施例二

如图3-6所示，一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置，本实施例的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置可带有中央处理器的控制中心，用于无动力返场剩余航程的估计，剩余航程估计装置包括转弯段航程计算模块71、捕获段航程计算模块72、进场飞行段航程计算模块73以及剩余航程估计模块74。

转弯段航程计算模块71，用于基于预设的修正函数p、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于修正后的转弯半径以及转弯段转角度计算转弯段航程，其中，转弯段航程为飞行器从无动力返场转弯飞行使机头对准航向校准圆的航程，修正函数p为飞行器转弯角度的函数，用于修正因飞行器转弯段角度增大带来的转弯半径变化；

捕获段航程计算模块72，用于计算捕获段航程，其中，捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向航向校准圆与跑道交接点的航程；

进场飞行段航程计算模块73，用于计算进场飞行段航程，其中，飞行段航程为飞行器切航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程；

剩余航程估计模块74，用于基于转弯航程段航程、捕获段航程以及进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。

在一些实施例中，还包括偏航信息获取模块(图中未示出)，用于获取飞行器当前位置、跑道位置信息以及航向校准圆位置。偏航信息获取模块的获取信息可供后续进场飞行段航程计算模块73、捕获段航程计算模块72以及转弯段转角度获取模块(图中未示出)使用。转弯段转角度获取模块71，用于基于飞行器当前位置、航向校准圆位置以及跑道位置信息获取转弯段转角度。将转弯段转角度供转弯段航程计算模块71使用。

优选的，转弯段航程计算模块71，具体用于：

修正函数p为：其中,θ＝∠boa，即转弯角度，a为飞行器当前位置，b为捕获段的起点，o为圆心；

修正后的转弯半径为：Radius_p＝p×Radius，

其中，Radius为飞行器在转弯段航程中的转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角；

计算修正后的转弯段航程：S₁＝ab＝Radius_p·∠boa；

∠boa＝∠vaf,∠vaf是飞行器当前位置a的速度方向与飞行器当前位置a到航向校准圆与跑道交接点连线方向的夹角。

捕获段行程计算模块72，具体用于：

bf＝Radius_p+of＝Radius_p-Radius_p·cos∠aob

fd＝ad-af＝ad-Radius_p·sin∠aob

其中，a为飞行器当前位置，b为捕获段的起点，o为圆心，d为航向校准圆与跑道的交接点，f为bo延长线与ad的交点。

优选的，捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向航向校准圆与跑道交接点的直线航程；飞行段航程为飞行器从航向校准圆与跑道的交接点飞至预设的跑道区降落点的直线航程。

本实施例的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置，其实现过程方法和效果均与实施例一描述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法相同，在此不再赘述。

实施例三

本发明涉及一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有指令，指令运行时执行实施一的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，其运行时实现过程方法和效果均与实施例一描述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法、装置及介质，其特征在于，包括：

基于预设的修正函数、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于所述修正后的转弯半径以及所述转弯段转角度计算转弯段航程，其中，所述转弯段航程为飞行器从无动力返场转弯飞行使机头对准航向校准圆的航程，所述修正函数为转弯段转角度的函数，用于修正因飞行器转弯段角度增大带来的转弯半径变化；

计算捕获段航程，其中，所述捕获段航程为转弯段航程完成后飞行器飞向所述航向校准圆与所述跑道交接点的航程；

计算进场飞行段航程，其中，所述飞行段航程为飞行器切所述航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程；

基于所述转弯航程段航程、所述捕获段航程以及所述进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。

2.根据权利要求1所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，其特征在于，

所述计算转弯段航程之前，还包括：

获取飞行器当前位置、跑道位置信息以及航向校准圆位置；基于所述飞行器当前位置、所述航向校准圆位置以及所述跑道位置信息获取转弯段转角度。

3.根据权利要求1或2所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，其特征在于，所述计算转弯段航程，具体包括：

所述修正函数为：其中，θ＝∠boa，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为圆心；

所述修正后的转弯半径为：Radius_p＝p×Radius，

其中，Radius为飞行器在转弯段航程中的转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角；

计算所述修正后的转弯段航程：S₁＝ab＝Radius_p·∠boa；∠boa是转弯段角度，获得转弯段转弯角度的方法为，基于预设的航向校准圆与跑道的交接点：

∠boa＝∠vaf，∠vaf是飞行器当前位置a的速度方向与飞行器当前位置a到所述航向校准圆与跑道交接点连线方向的夹角。

4.根据权利要求1或2所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，其特征在于，所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与所述跑道交接点的航程，具体为：所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与跑道交接点的直线航程。

5.根据权利要求4所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，其特征在于，所述计算所述捕获段行程，具体包括：

bf＝Radius_p+of＝Radius_p-Radius_p·cos∠aob

fd＝ad-af＝ad-Radius_p·sin∠aob

其中，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为转弯段圆心，d为所述航向校准圆与跑道的交接点，f为bo延长线与ad的交点。

6.根据权利要求4所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法，其特征在于，所述飞行段航程为飞行器切所述航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程，具体包括：所述飞行段航程为飞行器从所述航向校准圆与所述跑道的交接点飞至预设的跑道区降落点的直线航程。

7.一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置，其特征在于，包括：

转弯段航程计算模块，用于基于预设的修正函数、飞行器当前飞行速度得到修正后的转弯半径，基于所述修正后的转弯半径以及转弯段转角度计算转弯段航程，其中，所述转弯段航程为飞行器从无动力返场转弯飞行使机头对准航向校准圆的航程，所述修正函数为所述飞行器转弯角度的函数，用于修正因飞行器转弯段角度增大带来的转弯半径变化；

捕获段航程计算模块，用于计算捕获段航程，其中，所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与所述跑道交接点的航程；

进场飞行段航程计算模块，用于计算进场飞行段航程，其中，所述飞行段航程为飞行器切所述航向校准圆对准跑道后飞至跑道区降落点的航程；

剩余航程估计模块，用于基于所述转弯航程段航程、所述捕获段航程以及所述进场飞行段航程，得到剩余航程估计值。

8.根据权利要求7所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置，其特征在于：

所述转弯段航程计算模块，具体用于：

所述修正函数p为：

其中,θ＝∠boa，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为圆心；

所述修正后的转弯半径为：Radius_p＝p×Radius，

其中，Radius为飞行器在转弯段航程中的转弯半径；V为飞行器当前飞行速度；g为重力加速度；φ为飞行器滚转角；

计算所述修正后的转弯段航程：S₁＝ab＝Radius_p·∠boa；

∠boa＝∠vaf,∠vaf是飞行器当前位置a的速度方向与飞行器当前位置a到所述航向校准圆与跑道交接点连线方向的夹角。

所述捕获段行程计算模块，具体用于：

bf＝Radius_p+of＝Radius_p-Radius_p·cos∠aob

fd＝ad-af＝ad-Radius_p·sin∠aob

其中，a为飞行器当前位置，b为所述捕获段的起点，o为圆心，d为所述航向校准圆与跑道的交接点，f为bo延长线与ad的交点。

9.根据权利要求8所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计装置，其特征在于：所述捕获段航程为转弯段航程完成后，飞行器飞向所述航向校准圆与跑道交接点的直线航程；

所述飞行段航程为飞行器从所述航向校准圆与所述跑道的交接点飞至预设的跑道区降落点的直线航程。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储介质中存储有指令，所述指令运行时执行如权利要求1-6中任一项所述的一种高速飞行器无动力返场剩余航程估计方法。