CN117782001A - 一种papi助航灯动态角度监测预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法及系统；该方法用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，将MEMS传感技术、ZigBee通讯技术以及扩展卡尔曼滤波模型相融合，以实现对PAPI助航灯动态角度的实时测量与预警，能够充分发挥MEMS传感技术的高灵敏度特性、ZigBee通讯技术的高效传输特性以及扩展卡尔曼滤波模型的智能筛选特性，可以实时对PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析，得到PAPI助航灯的目标角度数据，及时调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，并实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，能够及时发现、预警角度偏移过大的目标PAPI助航灯，能够帮助机场维修部门快速发现问题排除故障。
Description
技术领域
本发明涉及PAPI助航灯角度测量技术领域，尤其涉及一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法及系统。
背景技术
随着我国经济的快速发展，民用航空在我国综合交通运输系统中的作用日益提升，成为当今发展最为迅速、潜力最大的交通方式之一。机场的助航灯光系统是保障飞机安全飞行的重要助航设备，在飞机进近、着陆、滑行过程中起到关键作用，直接影响到飞机起降的安全。
助航灯光系统由进近处灯光系统、目视进近坡度指示系统、跑道灯光系统、滑行道灯光系统和其他灯光系统组成。其中，目视进近坡度指示系统具有目视进近助航作用，能帮助驾驶员在进近阶段保持飞机正确到航道上，属于民用机场必须设置的灯光系统。ICAO附件14和MH5001-2013《民用机场飞行区技术标准》中均有详细规定，有进近引导要求的航空器使用的跑道，必须设置目视进近坡度指示系统。
目前，国际民用航空组织已批准的标准目视进近坡度指示系统包括以下几种：T式目视进近坡度指示系统（T-VASIS）、简化T式目视进近坡度指示系统（AT-VASIS）、精密进近坡度指示器（PAPI）和简化精密进近坡度指示器（APAPI）。一方面，自2020年1月1日起，T-VASIS和AT-VASIS被国际民航建议停止使用，另一方面，由于APAPI仅可用于基准代码为1或2的跑道，而我国民用机场以枢纽机场、干线机场和支线机场为主（即跑道基准代码为3或4），因此，PAPI逐渐取代其它目视坡度指示器已成为必然趋势。
在民用机场正常运行期间，飞机起落会产生质量振动，造成的时变激励载荷将作用于路面引起随机振动，然后路面将振动传递给PAPI助航灯，影响助航灯角度的准确性，致使PAPI助航灯仰角无法有效实现使目视进近坡度指示与飞机物理信号下滑道（ILS）相符的功能，存在巨大安全隐患，需要对PAPI助航灯的角度进行及时的监测。
为此，本发明提供了一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法及系统，该方法能够实现实时、准确地监测PAPI助航灯的动态角度，为PAPI助航灯角度矫正预警提供强有力技术支撑，确保民用飞机起降安全。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法及系统，该方法将MEMS传感技术、ZigBee通讯技术以及扩展卡尔曼滤波模型相融合，以便实现对PAPI助航灯动态角度的实时监测。
根据本发明的第一方面，提供了一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，该方法包括：
将动态倾角仪系统安装于目标PAPI助航灯上，并根据民用机场设计要求，将装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯安装在机场跑道规定位置；
动态倾角仪系统实时采集目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，并通过UART通信形式发送至上位机；
上位机接收动态倾角仪系统发送的角速度数据和加速度数据，调用数据误差补偿系统对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理；
数据误差补偿系统通过多位置多速率标定补偿模型、分段式温度补偿模型和扩展卡尔曼滤波模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理后，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据返回至上位机，在上位机显示目标PAPI助航灯的目标角度数据；其中，所述多位置多速率标定补偿模型包括加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，根据加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型分别对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度和MEMS陀螺仪的角速度进行标定，分别得到加速度计误差补偿模型、陀螺仪误差补偿模型、加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型的零次项、一次项及安装误差；所述分段式温度补偿模型包括加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型，根据加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型分别对MEMS加速度计零偏、MEMS加速度计标度因数以及MEMS加速度计安装误差进行补偿，以便MEMS加速度计适应不同的工作环境；通过所述扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据；
根据目标PAPI助航灯的目标角度数据，调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据与目标PAPI助航灯初始安装的俯仰角度之差，得到目标PAPI助航灯的实际角度偏移量，并将实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，预警实际角度偏移量超过角度偏移阈值的目标PAPI助航灯。
可选的，根据所述加速度计误差补偿模型对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度进行标定，具体包括：
为了标定MEMS加速度计的加速度，将加速度数据输入至加速度计误差补偿模型中，计算得到加速度计误差补偿模型的零次项、一次项及安装误差，基于计算结果对MEMS加速度计进行标定，加速度计误差补偿模型的计算公式如下：
（1）
式（1）中：、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的原始脉冲，、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏，/>、、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数，/>、/>、、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴方向上对应的安装误差，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上测量的加速度。
可选的，根据所述陀螺仪误差补偿模型对动态倾角仪系统中包含的MEMS陀螺仪的角速度进行标定，具体包括：
为了标定MEMS陀螺仪的角速度，将角速度数据输入至陀螺仪误差补偿模型中，计算陀螺仪误差补偿模型的零次项、一次项及安装误差，基于计算结果对MEMS陀螺仪的角速度进行标定，陀螺仪误差补偿模型的计算公式如下：
（2）
式（2）中：、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的原始脉冲，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的零位，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、、/>均为MEMS陀螺仪一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的轴向视加速度分量，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴方向上安装误差角，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的角速度。
可选的，根据所述加速度计零偏二阶补偿模型对MEMS加速度计零偏进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至加速度计零偏二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏进行补偿，加速度计零偏二阶补偿模型的计算公式如下：
（3）
式（3）中：T为环境温度数据，、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度零次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度二次项系数。
可选的，根据所述加速度计标度因数二阶补偿模型对MEMS加速度计标度因数进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至MEMS加速度计标度因数二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数进行补偿，MEMS加速度计标度因数二阶补偿模型的计算公式如下：
（4）
（5）
式（4）中：T为环境温度数据，当大于0时，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度二次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度一次项系数，/>、/>、分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度零次项系数；
式（5）中：T为环境温度数据，当小于0时，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度二次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度一次项系数，/>、/>、分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度零次项系数。
可选的，根据所述加速度计安装误差二阶补偿模型对MEMS加速度计安装误差进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至加速度计安装误差二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上对应的安装误差进行补偿，加速度计安装误差二阶补偿模型的计算公式如下：
（6）
式（6）中：T为环境温度，、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度二次项系数，/>、/>、/>、、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度一次项系数，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度零次项系数。
可选的，通过所述扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据，具体包括：
所述扩展卡尔曼滤波模型采用捷联惯导系统误差模型进行导航解算，在小扰动工况下，捷联惯导系统误差模型的计算公式如下：
（7）
式（7）中：为姿态误差，/>为速度误差，/>为位置误差/>的导数，/>为MEMS陀螺仪测量误差，/>为MEMS加速度计测量误差，/>为载体系下MEMS加速度计测量的加速度，/>为角速度，/>为姿态转换矩阵，/>为重力加速度；
选取姿态、速度、位置、MEMS陀螺仪零漂、MEMS加速度计零偏作为状态变量X，状态变量X的公式如下：
（8）
式（8）中：为姿态误差，/>为速度误差，/>为位置误差，ε为MEMS陀螺仪零漂，∇为MEMS加速度计零偏；
基于状态变量X，构建离散方程以及反馈矫正滤波方程，离散方程的计算公式如下：
（9）
式（9）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为离散化后的观测噪声，/>为量测矩阵，/>为量测噪声向量，/>为状态转移矩阵，/>为系统噪声驱动矩阵；
反馈矫正滤波方程的计算公式如下：
（10）
式（10）中：为k-1时刻至k时刻载体系下状态的预测值，/>为k时刻载体系下状态协方差矩阵，/>为/>的协方差矩阵，/>为k时刻载体系下噪声协方差矩阵，为k时刻量测噪声协方差矩阵，/>为k时刻KF增益矩阵，/>为求得的k时刻载体系下状态协方差矩阵，/>为求得的k时刻载体系下状态估值；
将导航解算得到的速度与零速之差作为速度误差观测量，构建零速修正算法，零速修正算法的计算公式如下：
（11）
式（11）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为观测矩阵，/>为观测噪声；
根据重力加速度分量计算得到俯仰角和横滚角/>，俯仰角/>和横滚角的计算公式如下：
（12）
式（12）中：为重力加速度在x轴方向上的分量，/>为重力加速度在z轴方向上的分量；
根据导航解算计算得到俯仰角和横滚角/>，将俯仰角/>与俯仰角/>之间以及横滚角/>和横滚角/>之间做差，并输入至姿态自观测算法中，计算三向角度误差观测量，姿态自观测算法的计算公式如下：
（13）
式（13）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为姿态观测矩阵，为k时刻姿态观测噪声；
将零速修正算法与姿态自观测算法进行组合，构建系统观测方程，将实测的角速度数据和加速度数据输入方程中，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据，系统观测方程的计算公式如下：
（14）
式（14）中：为被估计状态，为对的观测量，为组合的观测矩阵，
为观测噪声。
根据本发明的第二方面，提供一种PAPI助航灯动态角度监测预警系统，用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，所述动态倾角仪系统包括电源控制模块、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MCU控制模块和ZigBee传输模块；所述数据误差补偿系统包括多位置多速率标定补偿模块、分段式温度补偿模块、扩展卡尔曼滤波模块和结果发送模块；所述上位机包括接收模块、调用模块、显示模块和预警模块；
所述电源控制模块，用于为动态倾角仪系统中各电器元件提供稳定电压；
所述MEMS陀螺仪，用于实时采集目标PAPI助航灯的角速度数据，并通过SPI通信形式发送至MCU控制模块；
所述MEMS加速度计，用于实时采集目标PAPI助航灯的加速度数据，并通过SPI通信形式发送至MCU控制模块；
所述MCU控制模块，用于接收目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，并通过ZigBee传输模块发送至上位机；
所述ZigBee传输模块，用于将目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据通过UART通信形式发送至上位机；
所述接收模块，用于接收目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，以及接收结果发送模块发送的目标PAPI助航灯的目标角度数据；
所述调用模块，用于调用数据误差补偿系统对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理；
所述显示模块，用于显示结果发送模块发送的目标PAPI助航灯的目标角度数据；
所述预警模块，用于根据目标PAPI助航灯的目标角度数据，调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据与目标PAPI助航灯初始安装的俯仰角度之差，得到目标PAPI助航灯的实际角度偏移量，并将实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，预警实际角度偏移量超过角度偏移阈值的目标PAPI助航灯；
所述多位置多速率标定补偿模块，用于通过多位置多速率标定补偿模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理，其中，所述多位置多速率标定补偿模型包括加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，根据加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型分别对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度和MEMS陀螺仪的角速度进行标定，分别得到加速度计误差补偿模型、陀螺仪误差补偿模型、加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型的零次项、一次项及安装误差；
所述分段式温度补偿模块，用于通过分段式温度补偿模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理，其中，所述分段式温度补偿模型包括加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型，根据加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型分别对MEMS加速度计零偏、MEMS加速度计标度因数以及MEMS加速度计安装误差进行补偿，以便MEMS加速度计适应不同的工作环境；
所述扩展卡尔曼滤波模块，用于通过扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据；
所述结果发送模块，用于将目标PAPI助航灯的目标角度数据返回至上位机。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并且可以在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
本发明的优点及有益效果在于：本发明提供的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法及系统，该方法能够将MEMS传感技术、ZigBee通讯技术以及扩展卡尔曼滤波模型相融合，以实现对PAPI助航灯动态角度的实时测量与预警，适用于实际民用机场PAPI领航灯角度监测预警中，充分发挥MEMS传感技术的高灵敏度特性、ZigBee通讯技术的高效传输特性以及扩展卡尔曼滤波模型的智能筛选特性，可以实时对PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析，得到PAPI助航灯的目标角度数据，及时调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，并实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，能够及时发现、预警角度偏移过大的目标PAPI助航灯，能够帮助机场维修部门快速发现问题排除故障，弥补传统人工巡检方式排查故障带来的及时性差、人工成本高等不足。
附图说明
图1为一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法的流程图；
图2为装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯安装在机场跑道规定位置的示意图；
图3为装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯工作时的角度图解；
图4为一种PAPI助航灯动态角度监测预警系统的结构框图；
图5为电子设备的结构框图。
附图标记：第一装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯1、第二装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯2、第三装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯3、第四装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯4、处理装置301、ROM 302、RAM 303、总线304、I/O接口305、输入装置306、输出装置307、存储装置308、通信装置309。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法的流程图。
参考图1，该方法用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，包括以下步骤：
S1、将动态倾角仪系统安装于目标PAPI助航灯上，并根据民用机场设计要求，将装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯安装在机场跑道规定位置。
在本实施例中，参考附图2，图2为装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯安装在机场跑道规定位置的示意图，其中，图2中包括四个装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯（即第一装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯1、第二装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯2、第三装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯3、第四装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯4）。
在本实施例中，参考附图3，图3为装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯工作时的角度图解，需要说明的是，由于动态倾角仪系统安装在目标PAPI助航灯上，因此，动态倾角仪系统的位置布置和俯仰角度均与目标PAPI助航灯的位置布置和俯仰角度相同。
S2、动态倾角仪系统实时采集目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，并通过UART通信形式发送至上位机。
在本实施例中，本发明利用动态倾角仪系统所包含的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行动态采集，并通过SPI通信形式与MCU控制模块进行通信，将采集到的数据进行实时回传；随后MCU控制模块通过ZigBee传输模块将回传的角速度数据和加速度数据发送至上位机，以便上位机调用数据误差补偿系统对发送的数据进行进一步整合分析处理，并与角度偏移阈值进行对比，及时形成监测预警信息。
S3、上位机接收动态倾角仪系统发送的角速度数据和加速度数据，调用数据误差补偿系统对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理。
S4、数据误差补偿系统通过多位置多速率标定补偿模型、分段式温度补偿模型和扩展卡尔曼滤波模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理后，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据返回至上位机，在上位机显示目标PAPI助航灯的目标角度数据。
在本实施例中，多位置多速率标定补偿模型包括加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，根据加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型分别对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度和MEMS陀螺仪的角速度进行标定，分别得到加速度计误差补偿模型、陀螺仪误差补偿模型、加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型的零次项、一次项及安装误差；分段式温度补偿模型包括加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型，根据加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型分别对MEMS加速度计零偏、MEMS加速度计标度因数以及MEMS加速度计安装误差进行补偿，以便MEMS加速度计适应不同的工作环境；通过扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据。
在本实施例中，利用数据误差补偿软件系统主要用于对通过UATR通信形式读取到的数据进行零位、标度因数、安装误差及温度补偿，进而得到角速度和加速度信息，并进行初始对准和导航解算，最终得到目标PAPI助航灯的高精度目标角度数据。
在本实施例中，根据加速度计误差补偿模型对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度进行标定，具体包括：
为了标定MEMS加速度计的加速度，将加速度数据输入至加速度计误差补偿模型中，计算得到加速度计误差补偿模型的零次项、一次项及安装误差，基于计算结果对MEMS加速度计进行标定，加速度计误差补偿模型的计算公式如下：
（1）
式（1）中：、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的原始脉冲，、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏，/>、、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数，/>、/>、、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴方向上对应的安装误差，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上测量的加速度。
在本实施例中，根据陀螺仪误差补偿模型对动态倾角仪系统中包含的MEMS陀螺仪的角速度进行标定，具体包括：
为了标定MEMS陀螺仪的角速度，将角速度数据输入至陀螺仪误差补偿模型中，计算陀螺仪误差补偿模型的零次项、一次项及安装误差，基于计算结果对MEMS陀螺仪的角速度进行标定，陀螺仪误差补偿模型的计算公式如下：
（2）/>
式（2）中：、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的原始脉冲，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的零位，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、、/>均为MEMS陀螺仪一次项系数（此处需要注意的是，/>、/>、/>、/>、/>、、/>、/>、/>均为系数矩阵），/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的轴向视加速度分量，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴方向上安装误差角，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的角速度。
进一步的，分段式温度补偿模型主要用于补偿温度对零偏、标度因数带来的影响，使加速度计能够适应不同的工作环境。
在本实施例中，根据加速度计零偏二阶补偿模型对MEMS加速度计零偏进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至加速度计零偏二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏进行补偿，加速度计零偏二阶补偿模型的计算公式如下：
（3）
式（3）中：T为环境温度数据，、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度零次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度二次项系数。
在本实施例中，根据加速度计标度因数二阶补偿模型对MEMS加速度计标度因数进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至MEMS加速度计标度因数二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数进行补偿，MEMS加速度计标度因数二阶补偿模型的计算公式如下：
（4）/>
（5）
式（4）中：T为环境温度数据，当大于0时，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度二次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度一次项系数，/>、/>、分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度零次项系数；
式（5）中：T为环境温度数据，当小于0时，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度二次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度一次项系数，/>、/>、分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度零次项系数。
在本实施例中，根据加速度计安装误差二阶补偿模型对MEMS加速度计安装误差进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至加速度计安装误差二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上对应的安装误差进行补偿，加速度计安装误差二阶补偿模型的计算公式如下：
（6）
式（6）中：T为环境温度，、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度二次项系数，/>、/>、/>、、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度一次项系数，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度零次项系数。
进一步的，基于零速修正和姿态自观测方法建立的扩展卡尔曼滤波模型，主要用于考虑速度、姿态等误差，通过反馈校正矫正数据，并将陀螺仪和加速度计数据进行互补融合，以便获取目标PAPI助航灯的准确目标角度数据。
在本实施例中，通过扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据，具体包括：
扩展卡尔曼滤波模型采用捷联惯导系统误差模型进行导航解算，在小扰动工况下，捷联惯导系统误差模型的计算公式如下：
（7）
式（7）中：为姿态误差，/>为速度误差，/>为位置误差/>的导数，/>为MEMS陀螺仪测量误差，/>为MEMS加速度计测量误差，/>为载体系下MEMS加速度计测量的加速度，/>为角速度，/>为姿态转换矩阵，/>为重力加速度；
选取姿态、速度、位置、MEMS陀螺仪零漂、MEMS加速度计零偏作为状态变量X，状态变量X的公式如下：
（8）
式（8）中：为姿态误差，/>为速度误差，/>为位置误差，ε为MEMS陀螺仪零漂，∇为MEMS加速度计零偏；
基于状态变量X，构建离散方程以及反馈矫正滤波方程，离散方程的计算公式如下：
（9）
式（9）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为离散化后的观测噪声，/>为量测矩阵，/>为量测噪声向量，/>为状态转移矩阵，/>为系统噪声驱动矩阵；
另外，式（9）中包含的和/>分别表示状态转移矩阵和系统噪声驱动矩阵，在不同情况下，其取值不同，例如，/>的取值如下：
；
的取值如下：/>
；
上式中：为MEMS陀螺仪和MEMS加速度计共同的采样周期。
反馈矫正滤波方程的计算公式如下：
（10）
式（10）中：为k-1时刻至k时刻载体系下状态的预测值，/>为k时刻载体系下状态协方差矩阵，/>为/>的协方差矩阵，/>为k时刻载体系下噪声协方差矩阵，为k时刻量测噪声协方差矩阵，/>为k时刻KF增益矩阵，/>为求得的k时刻载体系下状态协方差矩阵，/>为求得的k时刻载体系下状态估值；
将导航解算得到的速度与零速之差作为速度误差观测量，构建零速修正算法，零速修正算法的计算公式如下：
（11）
式（11）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为速度观测矩阵，/>为观测噪声；
进一步的，本发明涉及的速度为零速时刻解算得到的速度，应当理解的是，当PAPI助航灯处于零速区间时，该理论速度应该等于零，但由于飞机起落会产生质量振动，造成的时变激励载荷将作用于路面引起随机振动，然后路面将振动传递给PAPI助航灯，使得PAPI助航灯存在测量误差，进而导致PAPI助航灯在实际计算时得到的速度并不等于零，因此，将零速时刻解算得到的速度作为系统速度误差的观测量。
根据重力加速度分量计算得到俯仰角和横滚角/>，俯仰角/>和横滚角的计算公式如下：/>
（12）
式（12）中：为重力加速度在x轴方向上的分量，/>为重力加速度在z轴方向上的分量；
进一步的，本发明涉及的根据重力加速度分量计算得到俯仰角和横滚角，其中，当PAPI助航灯处于零速区间时，由于PAPI助航灯与地面保持静止，MEMS加速度计的输人信息只有重力加速度，以及依照航向角、俯仰角和滚转角的次序将地理坐标系变换到载体坐标系，进而可以通过MEMS加速度计输出确定出俯仰角/>和横滚角/>。
根据导航解算计算得到俯仰角和横滚角/>，将俯仰角/>与俯仰角/>之间以及横滚角/>和横滚角/>之间做差，并输入至姿态自观测算法中，计算三向角度误差观测量，姿态自观测算法的计算公式如下：
（13）
式（13）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为姿态观测矩阵，为k时刻姿态观测噪声；
将零速修正算法与姿态自观测算法进行组合，构建系统观测方程，将实测的角速度数据和加速度数据输入方程中，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据，系统观测方程的计算公式如下：
（14）
式（14）中：为被估计状态，为对的观测量，为组合的观测矩阵，
为观测噪声。
S5、根据目标PAPI助航灯的目标角度数据，调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据与目标PAPI助航灯初始安装的俯仰角度之差，得到目标PAPI助航灯的实际角度偏移量，并将实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，预警实际角度偏移量超过角度偏移阈值的目标PAPI助航灯。
在本实施例中，本发明采用人为的方式调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，并根据实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，进而能够及时发现、预警角度偏移过大的目标PAPI助航灯。
本实施例提供的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，该实施方法基于将MEMS传感技术、ZigBee通讯技术以及扩展卡尔曼滤波模型相融合，进而实现对PAPI助航灯动态角度的实时测量与预警，不仅能够动态监测PAPI助航灯角度，以便实现PAPI助航灯动态角度实时、稳定、准确的监测，还能够有效弥补传统人工巡检方式排查故障带来的及时性差、人工成本高等不足，为PAPI助航灯角度矫正预警提供强有力技术支撑，确保民用飞机起降安全。
实施例二
本实施例在上述实施例一的基础上，提供一种PAPI助航灯动态角度监测预警系统，请参见图4，用于实现上述实施例一的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法的步骤，该系统用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，动态倾角仪系统包括电源控制模块、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MCU控制模块和ZigBee传输模块；数据误差补偿系统包括多位置多速率标定补偿模块、分段式温度补偿模块、扩展卡尔曼滤波模块和结果发送模块；上位机包括接收模块、调用模块、显示模块和预警模块；
电源控制模块，用于为动态倾角仪系统中各电器元件提供稳定电压；另外，电源控制模块还外接有外部电源供电，用于为动态倾角仪系统中各电器元件提供电能。
MEMS陀螺仪，用于实时采集目标PAPI助航灯的角速度数据，并通过SPI通信形式发送至MCU控制模块；
MEMS加速度计，用于实时采集目标PAPI助航灯的加速度数据，并通过SPI通信形式发送至MCU控制模块；
MCU控制模块，用于接收目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，并通过ZigBee传输模块发送至上位机；
ZigBee传输模块，用于将目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据通过UART通信形式发送至上位机；
接收模块，用于接收目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，以及接收结果发送模块发送的目标PAPI助航灯的目标角度数据；
调用模块，用于调用数据误差补偿系统对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理；
显示模块，用于显示结果发送模块发送的目标PAPI助航灯的目标角度数据；
预警模块，用于根据目标PAPI助航灯的目标角度数据，调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据与目标PAPI助航灯初始安装的俯仰角度之差，得到目标PAPI助航灯的实际角度偏移量，并将实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，预警实际角度偏移量超过角度偏移阈值的目标PAPI助航灯；
多位置多速率标定补偿模块，用于通过多位置多速率标定补偿模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理，其中，多位置多速率标定补偿模型包括加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，根据加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型分别对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度和MEMS陀螺仪的角速度进行标定，分别得到加速度计误差补偿模型、陀螺仪误差补偿模型、加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型的零次项、一次项及安装误差；
分段式温度补偿模块，用于通过分段式温度补偿模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理，其中，分段式温度补偿模型包括加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型，根据加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型分别对MEMS加速度计零偏、MEMS加速度计标度因数以及MEMS加速度计安装误差进行补偿，以便MEMS加速度计适应不同的工作环境；
扩展卡尔曼滤波模块，用于通过扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据；
结果发送模块，用于将目标PAPI助航灯的目标角度数据返回至上位机。
实施例三
本实施例在上述实施例一的基础上，还提供一种电子设备，请参见附图5，图5示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开的实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图5所示，电子设备可以包括处理装置（例如中央处理器、图形处理器等）301，其可以根据存储在只读存储器（ROM）302中的程序或者从存储装置308加载到随机访问存储器（RAM）303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 303中，还存储有电子设备操作所需的各种程序和数据。处理装置301、ROM 302以及RAM 303通过总线304彼此相连。输入/输出（I/O）接口305也连接至总线304。
通常，以下装置可以连接至I/O接口305：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头等的输入装置306，包括例如液晶显示器（LCD）、扬声器等的输出装置307，包括例如磁带、硬盘等的存储装置308，以及通信装置309。通信装置309可以允许电子设备与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图5示出了具有各种装置的电子设备，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图5中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。
特别地，根据本公开的一些实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的一些实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的一些实施例中，该计算机程序可以通过通信装置309从网络上被下载和安装，或者从存储装置308被安装，或者从ROM 302被安装。在该计算机程序被处理装置301执行时，执行本公开的一些实施例的方法中限定的上述功能。
实施例四
本实施例在上述实施例一的基础上，还提供计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
需要说明的是，本公开的一些实施例上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的一些实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的一些实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF（射频）等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、片上系统（SOC）、复杂可编程逻辑设备（CPLD）等等。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，该方法包括：
将动态倾角仪系统安装于目标PAPI助航灯上，并根据民用机场设计要求，将装载动态倾角仪系统的目标PAPI助航灯安装在机场跑道规定位置；
动态倾角仪系统实时采集目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，并通过UART通信形式发送至上位机；
上位机接收动态倾角仪系统发送的角速度数据和加速度数据，调用数据误差补偿系统对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理；
数据误差补偿系统通过多位置多速率标定补偿模型、分段式温度补偿模型和扩展卡尔曼滤波模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理后，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据返回至上位机，在上位机显示目标PAPI助航灯的目标角度数据；其中，所述多位置多速率标定补偿模型包括加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，根据加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型分别对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度和MEMS陀螺仪的角速度进行标定，分别得到加速度计误差补偿模型、陀螺仪误差补偿模型、加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型的零次项、一次项及安装误差；所述分段式温度补偿模型包括加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型，根据加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型分别对MEMS加速度计零偏、MEMS加速度计标度因数以及MEMS加速度计安装误差进行补偿，以便MEMS加速度计适应不同的工作环境；通过所述扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据；
根据目标PAPI助航灯的目标角度数据，调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据与目标PAPI助航灯初始安装的俯仰角度之差，得到目标PAPI助航灯的实际角度偏移量，并将实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，预警实际角度偏移量超过角度偏移阈值的目标PAPI助航灯。
2.根据权利要求1所述的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，根据所述加速度计误差补偿模型对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度进行标定，具体包括：
为了标定MEMS加速度计的加速度，将加速度数据输入至加速度计误差补偿模型中，计算得到加速度计误差补偿模型的零次项、一次项及安装误差，基于计算结果对MEMS加速度计进行标定，加速度计误差补偿模型的计算公式如下：
（1）
式（1）中：、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的原始脉冲，/>、、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏，/>、/>、分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数，/>、/>、/>、、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴方向上对应的安装误差，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上测量的加速度。
3.根据权利要求1所述的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，根据所述陀螺仪误差补偿模型对动态倾角仪系统中包含的MEMS陀螺仪的角速度进行标定，具体包括：
为了标定MEMS陀螺仪的角速度，将角速度数据输入至陀螺仪误差补偿模型中，计算陀螺仪误差补偿模型的零次项、一次项及安装误差，基于计算结果对MEMS陀螺仪的角速度进行标定，陀螺仪误差补偿模型的计算公式如下：
（2）
式（2）中：、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的原始脉冲，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的零位，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、均为MEMS陀螺仪一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的轴向视加速度分量，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴方向上安装误差角，/>、/>、/>分别为MEMS陀螺仪在x轴、y轴、z轴方向上的角速度。
4.根据权利要求2所述的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，根据所述加速度计零偏二阶补偿模型对MEMS加速度计零偏进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至加速度计零偏二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏进行补偿，加速度计零偏二阶补偿模型的计算公式如下：
（3）
式（3）中：T为环境温度数据，、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度零次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的零偏温度二次项系数。
5.根据权利要求2所述的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，根据所述加速度计标度因数二阶补偿模型对MEMS加速度计标度因数进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至MEMS加速度计标度因数二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数进行补偿，MEMS加速度计标度因数二阶补偿模型的计算公式如下：
（4）
（5）
式（4）中：T为环境温度数据，当大于0时，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度二次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度零次项系数；
式（5）中：T为环境温度数据，当小于0时，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度二次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度一次项系数，/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在x轴、y轴、z轴方向上的标度因数温度零次项系数。
6.根据权利要求2所述的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，根据所述加速度计安装误差二阶补偿模型对MEMS加速度计安装误差进行补偿，具体包括：
获取环境温度数据，将环境温度数据输入至加速度计安装误差二阶补偿模型中，用于剔除环境温度的影响，对MEMS加速度计在xy轴、xz轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上对应的安装误差进行补偿，加速度计安装误差二阶补偿模型的计算公式如下：
（6）
式（6）中：T为环境温度，、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度二次项系数，/>、/>、/>、、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度一次项系数，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别为MEMS加速度计在xy轴、zx轴、yx轴、yz轴、zx轴、zy轴上的安装误差温度零次项系数。
7.根据权利要求1所述的一种PAPI助航灯动态角度监测预警方法，其特征在于，通过所述扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据，具体包括：
所述扩展卡尔曼滤波模型采用捷联惯导系统误差模型进行导航解算，在小扰动工况下，捷联惯导系统误差模型的计算公式如下：
（7）
式（7）中：为姿态误差，/>为速度误差，为位置误差/>的导数，/>为MEMS陀螺仪测量误差，/>为MEMS加速度计测量误差，/>为载体系下MEMS加速度计测量的加速度，/>为角速度，/>为姿态转换矩阵，/>为重力加速度；
选取姿态、速度、位置、MEMS陀螺仪零漂、MEMS加速度计零偏作为状态变量X，状态变量X的公式如下：
（8）
式（8）中：为姿态误差，/>为速度误差，为位置误差，ε为MEMS陀螺仪零漂，∇为MEMS加速度计零偏；
基于状态变量X，构建离散方程以及反馈矫正滤波方程，离散方程的计算公式如下：
（9）
式（9）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为离散化后的观测噪声，为量测矩阵，/>为观测噪声，/>为状态转移矩阵，/>为系统噪声驱动矩阵；
反馈矫正滤波方程的计算公式如下：
（10）
式（10）中：为k-1时刻至k时刻载体系下状态的预测值，/>为k时刻载体系下状态协方差矩阵，/>为/>的协方差矩阵，/>为k时刻载体系下噪声协方差矩阵，/>为k时刻量测噪声协方差矩阵，/>为k时刻KF增益矩阵，/>为求得的k时刻载体系下状态协方差矩阵，/>为求得的k时刻载体系下状态估值；
将导航解算得到的速度与零速之差作为速度误差观测量，构建零速修正算法，零速修正算法的计算公式如下：
（11）
式（11）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为速度观测矩阵，/>为观测噪声；
根据重力加速度分量计算得到俯仰角和横滚角/>，俯仰角/>和横滚角/>的计算公式如下：
（12）
式（12）中：为重力加速度在x轴方向上的分量，/>为重力加速度在z轴方向上的分量；
根据导航解算计算得到俯仰角和横滚角/>，将俯仰角/>与俯仰角/>之间以及横滚角/>和横滚角/>之间做差，并输入至姿态自观测算法中，计算三向角度误差观测量，姿态自观测算法的计算公式如下：
（13）
式（13）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为姿态观测矩阵，/>为k时刻姿态观测噪声；
将零速修正算法与姿态自观测算法进行组合，构建系统观测方程，将实测的角速度数据和加速度数据输入方程中，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据，系统观测方程的计算公式如下：
（14）
式（14）中：为被估计状态，/>为对/>的观测量，/>为组合的观测矩阵，/>为观测噪声。
8.一种PAPI助航灯动态角度监测预警系统，用于上位机、与上位机交互的数据误差补偿系统以及与上位机交互的动态倾角仪系统，其特征在于，所述动态倾角仪系统包括电源控制模块、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MCU控制模块和ZigBee传输模块；所述数据误差补偿系统包括多位置多速率标定补偿模块、分段式温度补偿模块、扩展卡尔曼滤波模块和结果发送模块；所述上位机包括接收模块、调用模块、显示模块和预警模块；
所述电源控制模块，用于为动态倾角仪系统中各电器元件提供稳定电压；
所述MEMS陀螺仪，用于实时采集目标PAPI助航灯的角速度数据，并通过SPI通信形式发送至MCU控制模块；
所述MEMS加速度计，用于实时采集目标PAPI助航灯的加速度数据，并通过SPI通信形式发送至MCU控制模块；
所述MCU控制模块，用于接收目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，并通过ZigBee传输模块发送至上位机；
所述ZigBee传输模块，用于将目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据通过UART通信形式发送至上位机；
所述接收模块，用于接收目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据，以及接收结果发送模块发送的目标PAPI助航灯的目标角度数据；
所述调用模块，用于调用数据误差补偿系统对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理；
所述显示模块，用于显示结果发送模块发送的目标PAPI助航灯的目标角度数据；
所述预警模块，用于根据目标PAPI助航灯的目标角度数据，调整目标PAPI助航灯的俯仰角度，计算目标PAPI助航灯的目标角度数据与目标PAPI助航灯初始安装的俯仰角度之差，得到目标PAPI助航灯的实际角度偏移量，并将实际角度偏移量与预设的角度偏移阈值进行比较，预警实际角度偏移量超过角度偏移阈值的目标PAPI助航灯；
所述多位置多速率标定补偿模块，用于通过多位置多速率标定补偿模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理，其中，所述多位置多速率标定补偿模型包括加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，根据加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型分别对动态倾角仪系统中包含的MEMS加速度计的加速度和MEMS陀螺仪的角速度进行标定，分别得到加速度计误差补偿模型、陀螺仪误差补偿模型、加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型的零次项、一次项及安装误差；
所述分段式温度补偿模块，用于通过分段式温度补偿模型对目标PAPI助航灯的角速度数据和加速度数据进行整合分析处理，其中，所述分段式温度补偿模型包括加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型，根据加速度计零偏二阶补偿模型、加速度计标度因数二阶补偿模型和加速度计安装误差二阶补偿模型分别对MEMS加速度计零偏、MEMS加速度计标度因数以及MEMS加速度计安装误差进行补偿，以便MEMS加速度计适应不同的工作环境；
所述扩展卡尔曼滤波模块，用于通过扩展卡尔曼滤波模型对角速度数据和加速度数据进行互补融合处理，得到目标PAPI助航灯的目标角度数据；
所述结果发送模块，用于将目标PAPI助航灯的目标角度数据返回至上位机。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并且可以在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120022780A1 (en) * | 2010-07-22 | 2012-01-26 | Qualcomm Incorporated | Apparatus and methods for calibrating dynamic parameters of a vehicle navigation system |
| CN203372394U (zh) * | 2013-04-18 | 2014-01-01 | 湖北华航光电股份有限公司 | 一种精密进近航道指示器 |
| WO2015039176A1 (en) * | 2013-09-19 | 2015-03-26 | Dorsavi Pty Ltd | Method and apparatus for monitoring quality of a dynamic activity of a body |
| CN107655476A (zh) * | 2017-08-21 | 2018-02-02 | 南京航空航天大学 | 基于多信息融合补偿的行人高精度足部导航算法 |
| CN109443350A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-03-08 | 西安中科光电精密工程有限公司 | 基于神经网络的蓝牙/光电/ins组合导航装置及方法 |
| US20200200537A1 (en) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | Honeywell International Inc. | Dynamic gyroscope bias offset compensation |
| CN111426318A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-07-17 | 中北大学 | 基于四元数-扩展卡尔曼滤波的低成本ahrs航向角补偿方法 |
| CN115265590A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-01 | 北京航空航天大学 | 一种双轴旋转惯导动态误差抑制方法 |
| CN116026328A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-04-28 | 航天星云(北京)科技有限公司 | 微惯导的零偏滞回效应补偿模型的构建方法和补偿方法 |
| CN116105730A (zh) * | 2023-03-02 | 2023-05-12 | 北京理工大学 | 基于合作目标卫星甚短弧观测的仅测角光学组合导航方法 |
| CN116105724A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-05-12 | 河北汉光重工有限责任公司 | 一种用于捷联惯性导航系统的全温标定方法和装置 |
| CN116678403A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-09-01 | 湖北航天技术研究院总体设计所 | 惯性测量装置的温度补偿方法、装置、设备及存储介质 |
-
2024
- 2024-02-28 CN CN202410217311.7A patent/CN117782001B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120022780A1 (en) * | 2010-07-22 | 2012-01-26 | Qualcomm Incorporated | Apparatus and methods for calibrating dynamic parameters of a vehicle navigation system |
| CN203372394U (zh) * | 2013-04-18 | 2014-01-01 | 湖北华航光电股份有限公司 | 一种精密进近航道指示器 |
| WO2015039176A1 (en) * | 2013-09-19 | 2015-03-26 | Dorsavi Pty Ltd | Method and apparatus for monitoring quality of a dynamic activity of a body |
| CN107655476A (zh) * | 2017-08-21 | 2018-02-02 | 南京航空航天大学 | 基于多信息融合补偿的行人高精度足部导航算法 |
| US20200200537A1 (en) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | Honeywell International Inc. | Dynamic gyroscope bias offset compensation |
| CN109443350A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-03-08 | 西安中科光电精密工程有限公司 | 基于神经网络的蓝牙/光电/ins组合导航装置及方法 |
| CN111426318A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-07-17 | 中北大学 | 基于四元数-扩展卡尔曼滤波的低成本ahrs航向角补偿方法 |
| CN115265590A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-01 | 北京航空航天大学 | 一种双轴旋转惯导动态误差抑制方法 |
| CN116105724A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-05-12 | 河北汉光重工有限责任公司 | 一种用于捷联惯性导航系统的全温标定方法和装置 |
| CN116105730A (zh) * | 2023-03-02 | 2023-05-12 | 北京理工大学 | 基于合作目标卫星甚短弧观测的仅测角光学组合导航方法 |
| CN116026328A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-04-28 | 航天星云(北京)科技有限公司 | 微惯导的零偏滞回效应补偿模型的构建方法和补偿方法 |
| CN116678403A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-09-01 | 湖北航天技术研究院总体设计所 | 惯性测量装置的温度补偿方法、装置、设备及存储介质 |
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