CN88102187A - 惯性导航设备中的垂直位置稳定控制电路 - Google Patents

Abstract

一个用于给飞行器提供垂直速度和垂直位置信息的惯性控制系统。飞行器的垂直速度为垂直加速度和校正信号的函数。垂直速度校正信号取自于气压高度的函数和高度误差信号。高度误差信号取自于惯性确定的垂直位置和气压高度之差。垂直加速度校正信号取自于高度误差信号和它的积分乘以可变值，而该可变值是气压高度时间微分的函数。飞行器的垂直位置是根据经垂直速度校正信号校正过的垂直速度的函数来确定的。

Description

本发明一般地涉及惯性导航系统。更具体地说，本发明是涉及用于提供代表飞行器垂直速度和垂直位置的输出信号的一种控制系统电路。

用于飞行器的惯性导航系统，通常将三个加速度计和三个角速率传感器相结合，从而给导航计算机提供速度和位置信息。更具体地说，如众所周知的，人们可由连续获得的垂直于地球表面的垂直加速度，通过对垂直加速度的时间积分来确定垂直速度和垂直位置。

只是简单地通过对垂直加速度的积分提供垂直速度和对垂直速度的积分提供垂直位置，结果使得惯性导航设备中的垂直轴信息带有由于上述两原因引起的无界误差。首先，将垂直加速度（垂直加速度作为三个加速度计的函数）的测量误差直接积分，从而引起了垂直速度误差和垂直位置误差。其次，错误的垂直位置误差会使计算机求得的垂直力分量产生误差，而这一误差又使得在整个惯性导航系统中的垂直位置误差更快地增长。

为避免上述高度变换所产生的问题，通常的做法是将惯性高度测量与基本控制系统（即加速度计和陀螺仪）相混合，同时，从气压高度表取得高度。气压高度表是众所周知的提供高度信息的装置，而该高度信息为气压压力值的直接函数。

在先有技术中，将气压高度与来自于惯性系统的垂直位置信号相比较，从而产生高度误差信号。随后，引出一个作为高度误差函数的加速度校正或稳定信号，用以在垂直速度的积分之前对惯性系统垂直加速度的输出信号进行修正。接着，为了得到惯性垂直位置，在垂直速度积分之前，将作为高度误差信号函数的速度校正或稳定信号与垂直速度信号进行综合。尽管以刚才所述的方式构成的先有技术控制回路是成功的，但在飞行器必须完成准确的飞行模式包括快速俯冲和爬高操作的某些应用场合中，其精度还是不够的。

本发明的目的是当飞行器出现快速俯冲和爬高时，提供一个能给出飞行器的精确的垂直速度和垂直位置信息的稳定控制方案。

本发明提供了一个能给出飞行器的垂直速度和垂直位置信息的惯性控制系统。在本发明中，飞行器的垂直速度是垂直加速度和校正信号的函数。垂直加速度校正信号是气压高度和高度误差信号的函数。高度误差信号是惯性确定的垂直位置和气压高度之差。垂直加速度校正信号是高度误差信号和它的积分都乘以作为气压高度的时间微分的函数的可变值。校正信号函数包括由气压高度的时间微分确定的可变增益。飞行器的垂直位置是垂直速度校正信号校正后所得到的垂直速度的函数。在本发明中，垂直速度校正信号是一个高度误差信号乘以可变增益且与时间无关的函数，而可变增益是气压高度时间微分的函数。

图1是一个典型的惯性导航控制系统的方块图。

图2是用于给飞行器提供垂直速度和垂直位置信息的一个先有技术的惯性控制系统的方块图。

图3是本发明的一个垂直稳定控制系统的方块图。

图1为一个惯性导航控制系统的简化方块图。只示出了与本发明有关的惯性导航系统的那部分。图1中示出了一个飞行器10，它包括输出量为A₁、A₂和A₃的三个加速度计。A₁、A₂和A₃作为惯性导航系统计算机20的输入量。通常，为提供加速度的正交分量，将三个加速度计相互正交地配置。在惯性系统计算机初始化后，系统计算机就可以计算加速度的正交分量AX、AY及AZ，在这里，加速度AZ认为是在垂直方向上的，即与地球表面垂直的加速度。因为重力和地球半径是惯性系统计算机20所使用的系统方程式的一部分，所以垂直位置信息也用作为系统计算机20的输入量。对熟悉惯性导航控制系统技术的人们来说，象图1简单说明的系统是众所周知的。

应当明白，加速度输入量A₁、A₂和A₃以及垂直位置输入量PZ的任何误差或偏差都将特别地影响垂直加速度输出量AZ的值。当然，AZ和PZ的任何误差都终将影响飞行器垂直位置的测定和飞行器的飞行操作。

图2说明了一个用于确定垂直位置PZ的控制系统，该垂直位置PZ作为惯性敏感的垂直加速度AZ和取自于气压高度表的气压高度BZ的函数。垂直速度输出信号VZ是信号AZ和加速度校正信号S7之信号差在积分器215中积分的结果。垂直位置信号PZ（即高度）是垂直速度信号VZ和速度校正信号S5之信号差在积分器225中积分的结果。

电路装置210是完成信号AZ和S7之间信号差运算的一个“求和装置”。电路装置220完成信号VZ和S5之间信号差的运算。电路装置230提供一个误差信号“E”，它是垂直位置信号PZ减去气压高度信号BZ之差。速度校正信号S5是误差信号E乘以固定增益G1。

加速度校正信号S7是信号S1和S3在250中求和的结果。S3是误差信号E乘以固定增益G2。而信号S1是误差信号E在积分器240中积分后再乘以固定增益G3。G2数值约为两倍的重力除以地球半径。G3数值约为1.0E-06。由积分器部件240和增益部件242的电路得到的积分反馈提供了一个约为50～100秒的延迟时间。增益部件242提供了一个反馈阻尼回路，以便滤除包含在气压高度信号BZ中的测量噪声。

现在来叙述图2控制系统的工作。利用来自惯性传感器的加速度量AZ计算垂直位置PZ是一个固有的不稳定过程。这是由于PZ被计算机20用于计算重力值，然后用重力值计算图1中所示的输出量AZ。就作用而论，这是一个从PZ到AZ并通过两个积分器215和225反回原处，从而构成回路的正反馈。该反馈很小，它近似为两倍的重力值除以地球半径。然而，尽管反馈是小的，如果无阻尼，回路将发散，几分钟之后，将引起难于接受的大误差。

如图2先有技术所示，利用气压高度BZ做为阻尼。速度校正信号S5提供取决于误差信号E的比例反馈。加速度校正信号S7提供积分的正比例反馈。同样，S1和S3也取决于误差信号E。S1和S3反馈信号的作用是将垂直加速度输入量AZ的任何偏差调整归零。校正信号S5和S7的相配合提供了控制回路的稳定性。

当飞行器俯冲和爬高时，气压高度信号BZ可能会有大的误差，由此在垂直位置PZ、垂直速度VZ和垂直加速度AZ中引入了大的瞬态系统误差。依据本发明，图2系统也可以正如现在将要介绍的图3系统那样加上稳定性设备。

现在参阅图3，该控制系统的作用类似于图2，图3排列的部件与前面叙述过的图2部件有着相同的数字标示。在图2基础上增加了图3所示的一个时间微分电路347，它用来确定带有时滞的BZ的时间微分数值BZD。为了控制接着将要叙述的可变增益部件或乘法器，把电路347的输出量送到带有多个输出信号的增益控制部件380。

图3的电路包括分别代替固定增益部件235、245和242的可变增益部件325、345和342。部件325、345和342分别提供可变增益K1、K2和K3。可变增益K1、K2和K3在增益控制部件380的控制下。有关K1、K2和K3的值将作进一步的阐述。

在以图3作说明的本发明中，将时间微分的输出量BZD送给增益控制部件380，这样就可以按下列式子来确定K1、K2和K3的值：

K1＝.03+.1575＊X

K2＝4Y²+2g/R

K3＝2Y³

这里

X＝ (BZD²)/(BZD²+50²)

Y＝.01＊（1-X）

g为地球重力

R为地球半径

BZD为滤波过的微分气压高度

为了提供一个适当的输出信号，以便控制增益部件325、345和342所分别对应的增益值K1、K2和K3，将增益控制部件380依次接到增益部件325、345和342上。

增益控制部件380可以由技术上人们所熟悉的大量的模拟电路和数字电路构成。从增益控制部件380到控制可变增益部件325、342和345的信号输出量取决于这些部件的执行过程。在本发明的最佳实施例中，增益控制部件380以及可变增益部件325、342和345都是惯性导航计算机的构成部件。

时间微分电路347包括装置350，该装置350用于提供一个输入信号BZ和时间微分的输出量BZD经352积分后的差值。装置350的输出经具有增益G7的增件部件358传送。电路部件350、352和358的组合提供了气压高度BZ的时间微分值BZD。气压高度BZ滤除了高频噪声而带有时间延迟。

图3中，时间延迟电路390处于输出信号PZ和求和装置230之间。电路390包括求和装置290、带有增益G6的增益部件292和输出信号为S6的积分器294，而S6还反馈到求和装置290。求和装置290完成垂直高度PZ和积分器294输出信号之间的差值运算。电路390提供表示垂直位置PZ对用于确定高度误差信号E的求和装置230的一个延迟。该延迟量实际上是气压高度表的固有延迟。该延迟量比较短，在G6值等于0.333时，延迟量约为3秒。

现在叙述图3所示的控制系统。当飞行器俯冲和爬高时，存在着气压高度误差，从而给AZ、VZ和PZ引入了大的瞬态误差。可变回路增益K1、K2和K3利用了计算机20确定AZ的惯性计算的短期（5分钟）稳定性的优点以及飞行器俯冲和爬高的持续时间很短（例如1分钟）的实际优点。在俯冲和爬高期间，气压高度输出量BZD的变化速度为足够大，以致于使得可变增益K2和K3减小并接近于零。这就基本上断开了加速度校正回路，因而会使输入给积分器215和总垂直速度VZ的气压高度误差的影响减至最小。同时，将增益K1增大，使控制回路305以PZ更接近于跟踪信号BZ的方式工作，从而误差信号E将接近于零。

飞行器结束爬高或俯冲而继续做平飞时，上述的K1、K2和K3值在继续平飞后的短时间内不会立刻变化，而是要保持俯冲或爬高时的数值。这种时间延迟主要是通过部件347的电路而特别是部件358的增益G7的值来控制。在这一短时间延迟内维持可变增益K1小K2和K3不变，将使误差得到进一步的减小。

当本发明以它的实施例进行说明时，应该认识到，已经使用的词汇是描述词汇而不是一种限制，在不改变本应用的真实精神和意图的前提下，做些变化是允许的。

具体来说，应当明白图3方块图所说明的控制系统完全可以通过计算机的软件来实现。参照图1，熟悉技术的人们应该承认，控制系统部件30完全可以并入到惯性系统计算机20中去。另一方面，熟悉技术的人们也应该承认，图3的电路可以通过大量的模拟电路和数字电路来实现。具体说，任何时间延迟都可以与包括数字时间延迟电路在内的多种技术相结合。

Claims (7)

1、一种用于提供表示飞行器的垂直速度和垂直位置信号的设备包括：

第一个装置，用于产生代表上述飞行器的垂直加速度的第一个信号；

第二个装置，用于产生代表来自于气压高度表的飞行器的高度的第二个信号；

第三个装置，用于对第一个信号和加速度校正信号之和求积分，给出代表飞行器垂直速度的垂直速度输出信号；

第四个装置，用于对垂直速度输出信号和速度校正信号之和求积分，给出代表飞行器垂直位置的垂直位置输出信号；

第五个装置，用于对第二个信号进行时间微分，并给出代表微分的第三个信号；

第六个装置，用于产生代表垂直位置信号和第二个信号之差的高度误差信号；

第七个装置，用于产生速度校正信号，该信号是上述高度误差信号乘以第一个可变值的时间独立函数，而第一个可变值是上述第三个信号的函数，同时，第一个可变值随着第三个信号值的增加而增加。

第八个装置，用于产生加速度校正信号，它是高度误差信号的第二个函数，这样，上述加速度校正信号与第三个信号成反比。

2、权利要求1的设备中的装置，其中第六个装置包括用于对上述第二个信号的瞬时值和出现在该瞬时值之前所选定的时刻的上述垂直位置信号的差值进行运算的装置。

3、权利要求1的设备中，其中上述加速度校正信号S7包括下面（ⅰ）与（ⅱ）之和：

（ⅰ）S3信号，它是高度误差信号乘以第二个可变值，第二个可变值是第三个信号的函数，其中第二个可变值随着第三个信号数值的增加而减小，以及

（ⅱ）S1信号，它是高度误差信号的时间积分值乘以第三个可变值，第三个可变值是第三个信号的函数，其中，第三个可变值随着第二个信号数值的增加而减小。

4、权利要求3的设备中，其中，第一个、第二个和第三个可变值均与第三个信号有下列关系：

第一个可变值＝C₁+C₂＊X

第二个可变值＝C₃×Y²+C₄，以及

第三个可变值＝C₅＊Y³

在这里

BZ为第二个信号

BZD为BZ的第一次时间导数，

X＝ (BZD²)/(BZD²＋C₆)

Y＝C₇〔1-X〕，以及

C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆和C₇皆为选择的常系数。

5、权利要求1的设备中，其中第五个装置包括滤除第二个信号的高频噪声的装置。

6、权利要求1的设备中，其中第五个装置包括时间延迟装置，它用来根据第二信号的变化，对第三信号进行延时。

7、权利要求1的设备中，其中第五个装置包括：

对第三个信号积分并提供能表现出该积分的第四个信号的积分装置;

运算第二个信号和第四个信号并提供能表现出该和的第五个信号的求和装置;以及

乘上述和信号并提供第三个信号的增益装置。

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