[发明专利]飞行器惯性/气动模型组合导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行器惯性/气动模型组合导航方法，属于组合导航与自主导航领域。

背景技术

惯性导航系统是目前飞行器最为主要的导航系统之一，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点。然而由于惯性导航是一种推算式导航，其误差会随时间而积累，在长时间单独工作后其导航误差会严重发散，因此惯性导航系统需要与其它类型的导航系统共同使用。

目前与惯性导航系统较为常用的组合方式为惯性/卫星组合导航系统，卫星导航系统利用载体与卫星的相对关系进行导航，其定位误差不随时间发散。目前常用的卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及中国的北斗等。然而由于卫星导航需要接收外界无线电信号，在一些特殊情况下会受到人为或自然干扰，此时需要选择具有自主导航能力的导航系统对惯性导航系统进行辅助。

除惯性导航外，目前常用的自主导航方式有天文导航、地磁导航以及视觉导航等。将这些导航系统与惯性导航系统进行数据融合，实时对惯性器件误差进行估计与补偿，可以显著提高飞行器的自主导航能力。但是考虑到体积、载重、成本、精度等因素，这些导航方式在飞行器中的应用会受到一定限制。例如天文导航系统成本高、体积大，不利于在小型无人机中使用；地磁导航对地磁场模型与磁强计的精度有较高要求，目前导航精度较低；视觉导航需要进行视觉匹配，仅适用于视野良好的低空导航。

飞行器的气动模型基于自身的动力学方程与运动学方程，描述了其运动参数（迎角、侧滑角、空速、姿态、角速度、加速度等）、气动参数（阻力系数、升力系数、滚转力矩系数等）以及控制量（推力、操纵舵舵面偏角等）之间的关系。其中部分物理量已知，即可完成对剩余物理量的求解。

发明内容

本发明提出了一种飞行器惯性/气动模型组合导航方法，该方法无需增加任何外部设备，可以提高飞行器的自主导航能力，具有成本低、适用范围广等特点。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种飞行器惯性/气动模型组合导航方法，利用飞行器已知的气动参数、外形参数、控制量以及运动参数信息对飞行器的速度、姿态进行求解，利用惯导系统误差模型与飞行器气动模型，构建卡尔曼滤波器，将惯性导航系统得到的位置、速度、姿态信息与气动模型得到的速度、姿态信息进行数据融合，同时对惯性器件误差进行实时估计与补偿，具体步骤如下：

(1)  以周期                                               读取飞行器的阻力系数，侧力系数，升力系数，并将上述3个系数、、分别定义于机体系轴、轴和轴；以周期读取飞行器的滚转力矩系数，俯仰力矩系数，偏航力矩系数，并将上述3个系数、、分别定义于机体系轴、轴和轴；以周期读取飞行器的发动机推力，其在机体坐标系下轴、轴和轴方向的分量分别为、、；以周期读取飞行器的空速和飞行器的总质量，飞行器的总质量包括飞行器机体质量、机载设备质量、乘员质量、武器质量以及剩余燃油质量；

(2) 以周期读取惯导系统输出的飞行器位置、速度、姿态信息；

(3)  根据飞行器动力学方程计算飞行器所受的力与力矩；

根据步骤(1)得到的飞行器的总质量，得飞行器重力为，为重力加速度，其在机体坐标系下轴、轴和轴方向的分量分别为、、；

根据飞行器的动力学方程，以及步骤(1)中得到的飞行器气动参数（飞行器的阻力系数、侧力系数、升力系数；滚转力矩系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数；飞行器的发动机推力在机体坐标系下轴、轴和轴方向的分量、、；飞行器重力在机体坐标系下轴、轴和轴方向的分量、、），得飞行器所受到合外力为：，

其中、、为飞行器所受合外力在机体系轴、轴和轴方向的分量，为当地大气密度，为空速，为机翼面积，所受力矩为：，

其中、、为飞行器所受合外力在机体系轴、轴和轴方向的分量，被称为滚转力矩、俯仰力矩以及偏航力矩，为机翼展长，为机翼平均气动弦长，为机翼面积；为滚转力矩系数，为俯仰力矩系数，为偏航力矩系数；

(4)  根据飞行器运动学方程计算导航参数；