申振晴, 張 斌, 龔 昂, 雷 磊
由于航母自身的六自由度運動,導(dǎo)致理想下滑軌跡并不是固定不變的,而是伴隨航母的運動而運動[5]。在遠距引導(dǎo)區(qū)時,這種運動被放大[6],如圖1藍色實線所示,導(dǎo)致無人機飛控系統(tǒng)無法跟蹤理想下滑軌跡,而這時無人機也無需十分精確的引導(dǎo)信息,所以針對這種情況提出采用曲線擬合的方法,對理想下滑軌跡進行曲線平均,代替原來的理想下滑軌跡,使得無人機易于跟蹤,如圖1藍色虛線所示。
圖1 遠距引導(dǎo)信息處理示意圖Fig.1 Information processing scheme of long-distance guidance
根據(jù)文獻[5,7]所述,理想下滑軌跡的計算需考慮機型、艦船尾流以及艦船運動等諸多情況。首先計算無艦船運動時的理想下滑軌跡,再根據(jù)測得的艦船六個自由度的運動經(jīng)過坐標(biāo)變換得到理想下滑軌跡的運動,如圖2所示。實際中,著艦引導(dǎo)系統(tǒng)均有延遲,可以采用超前網(wǎng)絡(luò)或者艦面運動預(yù)測的方法消除。
圖2 理想下滑軌跡計算方法Fig.2 Computation method of ideal landing trajectory
所謂曲線擬合就是用一條曲線對數(shù)據(jù)或波形的變化趨勢進行擬合,反映了該數(shù)據(jù)或波形的平均變化趨勢。采用n次多項式擬合方法來擬合,首先確定多項式的階數(shù),階數(shù)太低會與曲線變化趨勢偏差較大,階數(shù)太高會趨于原曲線,由于遠距引導(dǎo)對引導(dǎo)精度需求不高,用5~7階多項式均可滿足曲線擬合的要求,所以應(yīng)根據(jù)一般艦船運動狀況和下滑軌跡的運動折衷選取為6階。其次,要確定n次多項式的系數(shù),這在Matlab中已有現(xiàn)成的函數(shù)polyfit,將理想下滑軌跡的數(shù)據(jù)以及所需求的階數(shù)代入,就可以求得多項式的系數(shù),最后調(diào)用polyval函數(shù)生成擬合曲線。
假設(shè)理想下滑軌跡在縱向隨著距離的增加變化如圖3藍色曲線所示,選定多項式階數(shù)為6階,則擬合后曲線如圖3中紅色曲線所示。
圖3 曲線擬合方法Fig.3 Curve fitting method
實際上理想下滑軌跡是一條三維曲線,上述方法只適用于二維,所以將理想下滑軌跡在兩個面上投影,一個面是慣性坐標(biāo)系的水平面XOY,另一個面是慣性坐標(biāo)系的垂直平面YOZ,其中O點為艦船搖擺中心,在艦船無搖擺時,慣性坐標(biāo)系與艦船坐標(biāo)系重合。按右手準(zhǔn)則,Z軸垂直向上,Y軸指向船艏,X軸指向船舷。運用上述曲線擬合的方法分別在兩個平面內(nèi)對投影曲線進行擬合,最后再合成三維的理想下滑軌跡擬合曲線。
著艦雷達測得的飛機位置信息是經(jīng)過穩(wěn)定平臺穩(wěn)定后飛機在慣性坐標(biāo)系下的位置信息,它對艦船的運動不敏感[8-9],所以實時根據(jù)測得的無人機位置信息經(jīng)過坐標(biāo)變換與曲線擬合后的理想下滑軌跡比較,產(chǎn)生無人機引導(dǎo)率,送往無人機飛行控制系統(tǒng),不斷糾正無人機的位置偏差,實現(xiàn)無人機對下滑軌跡的跟蹤,見圖4。
圖4 遠距引導(dǎo)率的計算方法Fig.4 Computation of long-distance guidance rate
跟遠距引導(dǎo)不一樣的是,無人機需要實時跟蹤理想下滑軌跡的運動,而著艦雷達測得的無人機位置信息是經(jīng)過穩(wěn)定平臺穩(wěn)定后在慣性坐標(biāo)系下的位置信息,不能反映艦面的運動,需要進行運動補償,計算量大。而且穩(wěn)定平臺是機械式的伺服機構(gòu),近距引導(dǎo)可能失效或者精度不高[4-5],在著艦的最后階段很容易使無人機偏離理想下滑航跡過遠,迫使無人機拉起復(fù)飛,本文針對這種狀況提出了艦面近距多天線定位方法,它利用多副安置在艦船上的測距天線測量與無人機的距離,最終得到無人機相對于艦船的位置,如圖5所示。
生物修復(fù)技術(shù)在無錫市前胡村浜河道治理中的應(yīng)用……………………………… 金雪林,李京輝,施懷榮等(19.46)
圖5 艦面多天線測距定位Fig.5 Multi-antenna ranging on the ship
這種方法所用的測距天線是固聯(lián)在艦面上的,隨著艦面的運動而運動,測得的位置信息是無人機在艦船坐標(biāo)系中的位置,直接跟計算好的理想下滑軌跡比較就可以得到無人機的引導(dǎo)率。該方法的測量精度主要受到各個距離測量裝置的空間布置方式,即幾何精度因子[10]的控制。一般而言,只有當(dāng)無人機到艦面的距離較近時,才能獲得較好的測量效果,因此采用這種方式可以滿足無人機近距著艦引導(dǎo)。
距離的測量是指無人機到艦面測距天線相位中心的視線距離,艦面近距多天線定位方法采用短脈沖測距的方法實現(xiàn)[11]??紤]到無人機著艦過程中,靠近著艦點處需要高精度距離測量,因此基于二次雷達測距原理實現(xiàn)距離的測量。采用這種方式的優(yōu)點是信號空間傳播衰減少,能夠提高信噪比,提高測距精度,其次還有助于實現(xiàn)多目標(biāo)引導(dǎo)。具體辦法是艦面系統(tǒng)安裝詢問器,無人機上安裝自動應(yīng)答裝置。當(dāng)艦面系統(tǒng)通過空中交通管制系統(tǒng)得知有無人機需要著艦時,就按一定、可控速率向著艦方向發(fā)送詢問脈沖。當(dāng)無人機截獲該詢問脈沖,經(jīng)過固定時延后,向詢問器發(fā)送應(yīng)答信號,該應(yīng)答信號包含了無人機的識別信息。艦面測距天線通過測量應(yīng)答信號與詢問信號之間的時間差,并對應(yīng)答信號進行解碼,可以獲得指定無人機的距離信息,通過多個距離測量值就可以準(zhǔn)確對無人機進行定位。
測距精度是衡量著艦引導(dǎo)性能的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)無人機著艦的特點可知,隨著無人機靠近著艦點,其對著艦引導(dǎo)信息的精度要求逐漸提高,而要求精度最高時出現(xiàn)在著艦點附近,因此測距最高精度應(yīng)該由著艦點誤差確定。提高測距精度的方法:一是可以采用寬帶脈沖,多脈沖累計,提高信噪比,降低金屬飛行甲板對信號削弱的影響(金屬介電常數(shù)比較大);二是需要參考源進行實時的校準(zhǔn),保證多副測距天線測距同步;三是可選取背景噪聲和干擾小的頻段,減小被干擾概率[12]。考慮到多目標(biāo)引導(dǎo)問題,應(yīng)答脈沖可以采用偽隨機編碼形式,從而保證不同無人機的應(yīng)答信號是正交的。需要指出的是,提高測距精度是以高運算量為代價的,較高的運算量對系統(tǒng)硬件要求較高,成本也會提高,測距精度應(yīng)以能滿足無人機安全著艦為上限,根據(jù)成本和設(shè)備實現(xiàn)復(fù)雜度而定。采用多個測距天線聯(lián)合定位,可以降低對單個測距天線測距精度的要求。
如圖 5 所示,多副天線的位置為(xi,yi,zi),i=1,2,…,N,測得的距離值為 ri,i=1,2,…,N。這 N 個距離值確定了飛機的位置,即
由ri與rN的表達式,得
1)當(dāng)N=3時,解方程組
可得x,y關(guān)于z的線性函數(shù)為
用矩陣表示為
將式(8)代入
則式(9)變成關(guān)于z的一元二次方程,可直接求解上式,得到z的兩個值,采用解定位模糊的方法,去掉一個不真實的z值,然后,將z值代入式(8),可得到最終的對x,y,z的估計值。
2)當(dāng)N≥4時,由式(2)表示的N-1個方程可寫成矢量矩陣形式
選擇合適天線位置,使rank(A')=3。由上式可解得飛機位置估計值,為
定位誤差可由式(2)對x,y,z,ri全微分得到。定位誤差的協(xié)方差為
艦面安置測距天線,不可避免會有艦面反射帶來多徑的影響,同時考慮到幾何精度因子的影響,多副測距天線張成的多邊形面積越大,則定位精度越高,所以盡可能地將測距天線安置在艦面著艦端與艦船兩側(cè)邊沿,降低艦面反射對測距天線的影響,提高定位精度。艦面多天線測距法與GPS多星定位原理相似,測距天線數(shù)量越多定位精度越高,但是考慮到天線之間的相互影響,以及運算量和成本,艦面參考“瓦良格”號的300 m×70 m大小,折中確定在艦面著艦端與艦船兩側(cè)邊沿等距安置5副測距天線為宜。視艦面為長方形,天線間距約為130 m。
在不考慮艦面多徑及電磁干擾的情況下,假設(shè)測距誤差為0.1 m,下滑角為3°,艦面以“瓦良格”號為參考,在艦面周邊等距安置5副測距天線,根據(jù)式(12)計算在距著艦點100 m處定位精度可以達到1.34 m,飛機著艦時離著艦點越近定位精度越高,在著艦點處定位精度可以達到0.56 m,完全可以滿足無人機著艦精度的需求。由于各方面的影響,實際的定位精度可能達不到如此精確,但是基本可以滿足自動著艦在著艦點處縱向精度5 m,橫向精度1.3 m的需求[13],最終測距精度的確定有待大量的仿真與實踐驗證。
由于近距無人機需要實時跟蹤理想下滑軌跡的運動變化,所以不能對其進行近似擬合處理,關(guān)于理想下滑軌跡的計算上文已經(jīng)說明,不再贅述,引導(dǎo)率計算示意如圖6所示。
圖6 近距引導(dǎo)率計算方法Fig.6 Computation of close range guidance rate
無人機對由艦面運動引起的理想下滑軌跡的精確跟蹤是在著艦前12.5 s開始的[11],在此之前視為遠距引導(dǎo),之后為近距引導(dǎo),根據(jù)兩次測距間的距離差值和測距時間間隔,計算艦載機的平均速度,估計艦載機到達著艦點的時間,完成遠近距的切換,具體遠近距的判斷方法如圖7所示。
圖7 遠近距的判斷和切換Fig.7 Judging and switching of guidance process
以上分別闡述了近距、遠距著艦引導(dǎo)信息處理方法以及遠近距判斷方法,最后給出無人機著艦整個引導(dǎo)信息處理過程的框圖,如圖8所示。
在艦載無人機著艦過程中,實時探測無人機的位置,同時監(jiān)測飛行甲板的運動參數(shù),計算無人機與理想著艦軌跡的偏差,從而實時修正和發(fā)送無人機遙控指令,飛控系統(tǒng)調(diào)整無人機的飛行姿態(tài),使其按照合適的下滑軌跡著艦。
圖8 無人機著艦引導(dǎo)信息處理總體原理框圖Fig.8 Information processing principle of UAV landing guidance
針對無人機著艦引導(dǎo)提出了近距多天線定位法、遠距曲線擬合法以及遠近距切換方法,確保了無人機對理想下滑軌跡的跟蹤,為下一步與無人機飛控系統(tǒng)方面相結(jié)合提供理論依據(jù),對我國無人機安全進近著艦方面的研究有重要意義和一定參考價值。
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