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一种光电雷达惯性组合的舰载机着舰导引方法

归档日期:07-04       文本归类:惯性加雷达      文章编辑:爱尚语录

  该专利技术资料仅供研究查看技术是否侵权等信息,商用须获得专利权人授权。该专利全部权利属于北京航空航天大学,未经北京航空航天大学许可,擅自商用是侵权行为。如果您想购买此专利、获得商业授权和技术合作,请联系【客服】

  本发明涉及舰载机着舰导引的技术领域,具体涉及一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法,用于舰载机精密进近着舰阶段的导引,以提高着舰成功率。

  着舰是高速舰载机上舰的重大技术关键,可靠的着舰导引系统能确保舰载机在复杂气象和恶劣海情条件下的顺利着舰,对舰载机飞行安全有重大影响。

  传统可视光学助降着舰方式要求飞行员靠目测菲涅尔镜引导着舰,飞行员通过观察菲涅尔镜来判断着舰时的方位和角度,纠正下滑偏差,完成着舰过程。但是传统着舰方式很难实现全天候着舰,现代战争要求高速舰载机对复杂气象和恶劣海情有更强的适应能力,对复杂电磁环境有更强的抗干扰能力,对着舰过程有更强的自动导引能力。近年来,光电探测技术和惯性导航技术在着舰导引领域中不断地发展与应用,光电探测技术具有灵敏度高、抗干扰能力强、可与计算机交连等特点,并可形成对甲板的探测图像,相较于目视着舰来说优势明显;机载惯导提供的航向/姿态和侧向/法向速度也对提高飞控系统在着舰期间的快速性和稳定性具有特别重要的意义。这些都为自动精确着舰导引系统的研发提供了新的技术基础。

  光电/雷达/惯性组合着舰导引技术将现有基于可视光学助降系统的着舰导引信息人工判读方式升级为自动导引方式,可在夜间、恶劣气象和高等级海情条件下,实时提供舰机的相对位置、速度、姿态、甲板运动信息等多种着舰导引信息。

  本发明的目的在于:提出一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法,将机载光电探测系统、机载惯导系统和舰载雷达的测量信息采用联邦滤波进行融合处理,提供准确而全面的着舰导引信息,且容错性能高。本发明有利于提高着舰的安全性及成功率。

  本发明采用的技术方案为:一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法,具体步骤如下:

  步骤一、通过机载惯导系统获得舰载机的姿态、速度、加速度和角速度,同时由于惯导更新率最高,因此将惯导时间作为同步基准和联邦滤波中的主滤波器时间更新基准;

  步骤二、采用机载光电成像系统实时获取舰船着降跑道图像,通过图像处理获得各个合作靶标中心对应的图像坐标信息,并输入光电/惯性组合子滤波器进行滤波;

  步骤三、通过数据链路接收来自舰船的信息,获得由舰载雷达测量的舰载机相对于理想着舰点的位置以及由舰载惯导得到的舰船的运动信息,并输入雷达/惯性组合子滤波器进行滤波;

  步骤四、采用联邦滤波的方法将光电、雷达、惯性三种更新率不同的信息进行融合,输出更加精确的舰载机与理想着舰点的相对位置、舰载机姿态和舰船运动情况,用于计算预计着舰时刻理想着舰点的位置和舰载机相对于理想下滑线的偏差,并将信息提供给驾驶员或自驾仪用于飞机的控制。

  其中,步骤一中所述的主滤波器选择舰载机在跑道参考坐标系下的位置、速度、加速度,舰载机的俯仰角、横滚角、相对偏航角及对应的角速度,舰船运动的纵摇、横摇、沉浮及对应的角速度构成滤波器的状态量,其中,线运动的状态变量采用非零均值时间相关模型作为“当前”统计模型,飞机机动加速的“当前”概率密度可用均值为“当前”加速度预测值的函数分布进行描述;舰船运动的规律为多个正弦的叠加,通过舰载惯导测量的舰船运动信息得到对着舰点影响最大的正弦周期,将其它正弦周期看作系统噪声,并以此来构建关于舰船运动状态量的状态方程。

  其中,步骤二中所述的合作靶标安装在着降跑道周围,且数目至少为4个,在图像中与背景相比具有明显对比度,合作靶标相对于跑道理想着舰点的坐标已知,所述的光电/惯性组合子滤波器选择由光电探测系统得到的靶标图像坐标,舰载机的俯仰角、横滚角及俯仰、横滚、偏航角速度,飞机的无线电高度表的测量值作为量测量,其中,由于靶标的图像坐标与舰载机相对位置、姿态之间的关系式非线性,因此量测矩阵需要靶标图像坐标对状态变量求偏导得到;子滤波器的系统方程与主滤波器的系统方程相同。

  其中,步骤三中所述的雷达/惯性组合子滤波器选择由舰载雷达测得的舰载机在跑道参考坐标系下的位置,舰载惯导测得舰船的纵摇角、横摇角、沉浮以及由机载惯导测得的飞机航向与跑道航向角相减得到相对航向角,机载惯导信息作为量测量;子滤波器的系统方程与主滤波器的系统方程相同。

  其中,步骤四中所述的联邦滤波的方法以机载惯导信息作为主滤波器时间更新的基础,两个子滤波器分别为光电/惯性组合子滤波器和雷达/惯性组合子滤波器,联邦滤波算法采用了信息分配原则,先将系统的过程信息按信息分配原则在各子滤波器和主滤波器之间进行分配,然后各滤波器依靠滤波的时间更新和测量更新给出各自的估计值和方差,时间更新过程在各子滤波器和主滤波器中独立进行,而测量更新只在各子滤波器中独立进行,最后主滤波器进行信息融合算法,以得到全局最优估计,滤波器的初始状态量由舰载雷达、机载惯导、舰载惯导提供,其中,初始的舰载机相对位置由舰载雷达提供,初始的相对速度选取由机载惯导测得的舰载机速度与由舰载惯导测得的航母速度的差值在跑道参考坐标系上的投影,初始的姿态和角速度由机载惯导提供。

  (1)将现有基于可视光学助降系统的着舰导引信息人工判读方式升级为自动导引方式,可在夜间、恶劣气象和高等级海情条件下,实时提供舰机的相对位置、速度、姿态、甲板运动信息等多种着舰导引信息,为半自动/自动着舰提供技术支撑。

  (2)光电/雷达/惯性组合着舰导引技术充分利用了舰、机各种探测手段,可以大幅度减小驾驶员人为因素(如判断失误)的干扰,对于提高舰载机的导引精度,改进航母在夜间、雾等不良气象条件、复杂海况及天气(风)条件下的舰载机着舰精度和作业能力等方面具有重要意义,提高着舰的成功率。

  (3)采用联邦滤波的算法进行信息融合,既可解决三种导引信息更新率不同的问题,又可在某种导引信息出现故障时仍能继续输出正确的导引信息,提高容错能力。

  图5为本发明实施例中舰船运动估计效果图,其中图5(a)和(b)分别为估计值和真实值比较图以及估计误差图。

  如图1~3所示的一种用于光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法,具体包括以下步骤:

  步骤一、通过机载惯导系统获得舰载机的姿态、速度、加速度、角速度,同时由于惯导更新率最高,因此将惯导时间作为同步基准和联邦滤波中的主滤波器时间更新基准。

  步骤二、采用机载光电成像系统实时获取舰船着降跑道图像,通过图像处理获得合作靶标的图像坐标信息,并输入光电/惯性组合子滤波器进行滤波。

  所述合作靶标安装在着降跑道周围,且数目至少为4个,在图像中与背景相比具有明显对比度,合作靶标相对于跑道理想着舰点的坐标已知。

  步骤三、通过数据链路接收来自舰船的信息,获得由舰载雷达测量的舰载机相对于理想着舰点的位置以及由舰载惯导得到的舰船的运动信息,并输入雷达/惯性组合子滤波器进行滤波。

  步骤四、由于光电、雷达、惯性三种信息更新率不同,因此采用联邦滤波的方法。以机载惯导信息作为主滤波器时间更新的基础,两个子滤波器分别为光电/惯性组合子滤波器和雷达/惯性组合子滤波器。

  选择舰载机在跑道参考坐标系下的位置、速度、加速度,舰载机的俯仰角、横滚角、相对偏航角及对应的角速度,舰船运动的纵摇、横摇、沉浮及对应的角速度构成滤波器的状态量,即其中为舰载机在跑道参考系下的三个方向的位置坐标,为舰载机在跑道参考系下的三个方向的速度,为舰载机在跑道参考系下的三个方向的加速度,ΘB=[θB,γB,ψB]T为舰载机的俯仰角、横滚角和相对偏航角,ΩB=[ωBx,ωBy,ωBz]T为舰载机的俯仰角速度、横滚角速度和相对偏航角速度,ΘS=[θS,γS,hS]T为舰船的纵摇角、横摇角和沉浮,ΩS=[ωSp,ωSr,vSh]T为舰船的纵摇角速度、横摇角速度和沉浮速度;下标B、S分别表示舰载机和舰船坐标系,均采用右前上坐标系;上标或下标r表示跑道坐标系,以理想着舰点为原点,z轴指天,y轴沿跑道中线方向指向舰船前端,x轴根据右手坐标系确定;上标rr表示跑道参考坐标系,为平静海面时的跑道坐标系。

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