一种飞行状态测量方法及装置.pdf

本发明公开了一种飞行状态测量方法，所述方法包括：采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。本发明还同时公开了一种导航方法、一种飞行状态测量装置和一种导航系统。

1.  一种飞行状态测量方法，其特征在于，所述方法包括：
采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；
根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；
根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息包括：
根据所述加速度信息和角度信息得到第一指定方向上的加速度信息；
根据所述加速度信息和角度信息得到第二指定方向上的加速度信息。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息包括：
根据所述第一指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第一指定方向上的速度信息；
根据所述第二指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第二指定方向上的速度信息；
根据所述第一指定方向上的速度信息和位置信息得到第一指定方向上的位置信息；
根据所述第二指定方向上的速度信息和位置信息得到第二指定方向上的位置信息。

4.  一种导航方法，其特征在于，所述方法包括：
通过权利要求1-3任一所述的飞行状态测量方法测量指定方向上的速度信息和位置信息；
通过所述指定方向上的速度信息和位置信息对惯性导航装置测得的速度信 息和位置信息进行修正，得到导航数据。

5.  一种飞行状态测量装置，其特征在于，所述装置包括：
数据采集单元，用于采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；
数据分析单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；
数据合成单元，用于根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。

6.  根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数据采集单元包括：
加速度信息采集子单元，用于采集加速度信息；
速度信息子单元，用于采集速度信息；
位置信息子单元，用于采集位置信息；
角度信息子单元，用于采集角度信息，所述角度信息包括偏航角、俯仰角和横滚角。

7.  根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据分析单元包括：
第一合成加速度子单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到第一指定方向上的加速度信息；
第二合成加速度子单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到第二指定方向上的加速度信息。

8.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据合成单元包括：
第一速度合成子单元，用于根据所述第一指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第一指定方向上的速度信息；
第二速度合成子单元，用于根据所述第二指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第二指定方向上的速度信息；
第一位置合成子单元，用于根据所述第一指定方向上的速度信息和位置信息得到第一指定方向上的位置信息；
第二位置合成子单元，用于根据所述第二指定方向上的速度信息和位置信 息得到第二指定方向上的位置信息。

9.  一种导航系统，其特征在于，所述系统包括：
权利要求5-8任一所述的飞行状态测量装置，用于测量指定方向上的速度信息和位置信息；
导航数据计算装置，用于通过所述指定方向上的速度信息和位置信息对惯性导航系统测得的速度信息和位置信息进行修正，得到导航数据。

一种飞行状态测量方法及装置
技术领域
本发明属于导航定位技术领域，尤其涉及一种飞行状态测量方法及装置。
背景技术
无人机是一类低风险、低成本的空中无人载具，在军民用领域中均得到了广泛应用。四旋翼无人机具有结构简单、控制灵活和可垂直升降等优点，被广泛用于空中监视、灾后重建、复杂环境探测以及地面目标跟踪等。因为四旋翼在动力学上是一个欠阻尼系统，需要高频率、实时地进行位置和姿态调整，因此一个稳定、快速、精确的导航系统对于四轴而言至关重要。由于低成本惯性导航系统误差发散很快，依靠单一的低成本惯性导航系统很难满足要求。将惯性导航系统与全球卫星导航系统和全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)信息进行融合来提供载体的运动信息已被广泛应用。但由于GNSS信号在受到外界干扰或欺骗，甚至信号转发源被摧毁的情况下，不能够长期提供稳定可靠的定位信息，无人机无法获得准确的导航定位信息，进而可能出现无人机及机载设备损毁的风险。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种飞行状态测量方法及装置，至少能解决无人机在没有GNSS信号时无法精确导航的技术问题。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种飞行状态测量方法，所述方法包括：
采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；
根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；
根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。
上述方案中，所述根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息包括：
根据所述加速度信息和角度信息得到第一指定方向上的加速度信息；
根据所述加速度信息和角度信息得到第二指定方向上的加速度信息。
上述方案中，所述根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息包括：
根据所述第一指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第一指定方向上的速度信息；
根据所述第二指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第二指定方向上的速度信息；
根据所述第一指定方向上的速度信息和位置信息得到第一指定方向上的位置信息；
根据所述第二指定方向上的速度信息和位置信息得到第二指定方向上的位置信息。
本发明实施例还提供了一种导航方法，所述方法包括：
通过上述所述的飞行状态测量方法测量指定方向上的速度信息和位置信息；
通过所述指定方向上的速度信息和位置信息对惯性导航装置测得的速度信息和位置信息进行修正，得到导航数据。
本发明实施例还提供了一种飞行状态测量装置，所述装置包括：
数据采集单元，用于采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；
数据分析单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；
数据合成单元，用于根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加 速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。
上述方案中，所述数据采集单元包括：
加速度信息采集子单元，用于采集加速度信息；
速度信息子单元，用于采集速度信息；
位置信息子单元，用于采集位置信息；
角度信息子单元，用于采集角度信息，所述角度信息包括偏航角、俯仰角和横滚角。
上述方案中，所述数据分析单元包括：
第一合成加速度子单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到第一指定方向上的加速度信息；
第二合成加速度子单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到第二指定方向上的加速度信息。
上述方案中，所述数据合成单元包括：
第一速度合成子单元，用于根据所述第一指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第一指定方向上的速度信息；
第二速度合成子单元，用于根据所述第二指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第二指定方向上的速度信息；
第一位置合成子单元，用于根据所述第一指定方向上的速度信息和位置信息得到第一指定方向上的位置信息；
第二位置合成子单元，用于根据所述第二指定方向上的速度信息和位置信息得到第二指定方向上的位置信息。
本发明实施例还提供了一种导航系统，所述系统包括：
上述任一所述的飞行状态测量装置，用于测量指定方向上的速度信息和位置信息；
导航数据计算装置，用于通过所述指定方向上的速度信息和位置信息对惯性导航系统测得的速度信息和位置信息进行修正，得到导航数据。
本发明实施例所提供的飞行状态测量方法及装置，在没有GNSS时，通过 飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息得到飞行装置在坐标系指定方向上的速度信息和位置信息，实现了对飞行装置的飞行状态测量，为飞行状态在无GNSS时的导航提供了必要的数据支持。
附图说明
图1为本发明实施例1的飞行状态测量方法的流程图；
图2为本发明实施例3的飞行状态测量装置的组成结构示意图；
图3为本发明实施例5的四旋翼无人机组合导航方法原理图；
图4为本发明实施例5的四旋翼无人机结构与坐标系定义示意图。
为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
实施例1
为了解决无人机在没有GNSS信号时无法精确导航的技术问题，本发明实施例提供了一种飞行状态测量方法，如图1所示，本实施例所述方法包括：
步骤S101：采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；
为了得到精确的导航数据，飞行时的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息是必须要考虑的，加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息可以通过飞行装置自身的传感器获得，或者通过外加的传感器获得。
步骤S102：根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；
为了适应导航需要，将步骤S101得到的信息转换到飞行装置能够识别的坐标系和方向上，以便后续对导航数据的计算。
步骤S103：根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。
通过对加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息进行处理，能够得到飞行装置在坐标系指定方向上的速度信息和位置信息，从而实现了在没有GNSS时对飞行装置的飞行状态的数据测量。
本实施例方法在没有GNSS时，通过飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息得到飞行装置在坐标系指定方向上的速度信息和位置信息，实现了对飞行装置的飞行状态测量，为飞行状态在无GNSS时的导航提供了必要的数据支持。
具体的，步骤S102具体包括：
步骤S1021：根据所述加速度信息和角度信息得到第一指定方向上的加速度信息；
步骤S1022：根据所述加速度信息和角度信息得到第二指定方向上的加速度信息。
实际中，为了对飞行装置进行导航，飞行装置常用到的第一指定方向和第二指定方向为东向和北向，此处，第一指定方向可以是东向或北向，对应的，第二指定方向为北向或东向。
导航中用常用的坐标系是东北天地理系坐标系，本实施例方法也以东北天地理系坐标系为基础，在东北天地理系坐标系上的东向或北向计算飞行装置的速度信息和位置信息。即步骤S103具体包括：
步骤S1031：根据所述第一指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第一指定方向上的速度信息；
步骤S1032：根据所述第二指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到 第二指定方向上的速度信息；
步骤S1033：根据所述第一指定方向上的速度信息和位置信息得到第一指定方向上的位置信息；
步骤S1034：根据所述第二指定方向上的速度信息和位置信息得到第二指定方向上的位置信息。
上述步骤S1031到步骤S1034中，通过加速度信息就可得到速度信息，进而可以得到距离信息，也就知道了位置信息。
实施例2
本实施例是在实施例1所述的飞行状态测量方法的基础上提出的一种导航方法，本实施例方法包括：
步骤S201：通过实施例1所述的飞行状态测量方法测量指定方向上的速度信息和位置信息；所述指定方向上的速度信息和位置信息就是实施例1中的第一指定方向上的速度信息、第二指定方向上的速度信息、第一指定方向上的位置信息和第二指定方向上的位置信息；
步骤S202：通过所述指定方向上的速度信息和位置信息对惯性导航装置测得的速度信息和位置信息进行修正，得到导航数据。
惯性导航装置是飞行器上常用的一种设备，本实施例方法通过实施例1得到的速度信息和位置信息对惯性导航装置测得的数据就行修正，能够使得飞行器在没有GNSS的情况下也能对飞行器进行精确导航。
实施例3
本实施例和实施例1属于同一发明构思，本实施例提供了一种飞行状态测量装置，如图2所示，本实施例所述装置包括：
数据采集单元301，用于采集飞行状态的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息；
为了得到精确的导航数据，飞行时的加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息是必须要考虑的，加速度信息、速度信息、位置信息和角度信息可以通过飞行装置自身的传感器获得，或者通过外加的传感器获得。
数据分析单元302，用于根据所述加速度信息和角度信息得到坐标系指定方向上的合成加速度信息；
为了适应导航需要，将数据采集单元301得到的信息转换到飞行装置能够识别的坐标系和方向上，以便后续对导航数据的计算。
数据合成单元303，用于根据所述加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息得到坐标系指定方向上的速度信息和位置信息。
通过对加速度信息、速度信息、位置信息和合成加速度信息进行处理，能够得到飞行装置在坐标系指定方向上的速度信息和位置信息，从而实现了在没有GNSS时对飞行装置的飞行状态的数据测量。
具体的，所述数据采集单元301包括：
加速度信息采集子单元，用于采集加速度信息；
速度信息子单元，用于采集速度信息；
位置信息子单元，用于采集位置信息；
角度信息子单元，用于采集角度信息，所述角度信息包括偏航角、俯仰角和横滚角。
数据分析单元302包括：
第一合成加速度子单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到第一指定方向上的加速度信息；
第二合成加速度子单元，用于根据所述加速度信息和角度信息得到第二指定方向上的加速度信息。
实际中，为了对飞行装置进行导航，飞行装置常用到的第一指定方向和第二指定方向为东向和北向，此处，第一指定方向可以是东向或北向，对应的，第二指定方向为北向或东向。
导航中用常用的坐标系是东北天地理系坐标系，本实施例方法也以东北天地理系坐标系为基础，在东北天地理系坐标系上的东向或北向计算飞行装置的速度信息和位置信息。即所述数据合成单元303包括：
第一速度合成子单元，用于根据所述第一指定方向上的加速度信息和所述 速度信息得到第一指定方向上的速度信息；
第二速度合成子单元，用于根据所述第二指定方向上的加速度信息和所述速度信息得到第二指定方向上的速度信息；
第一位置合成子单元，用于根据所述第一指定方向上的速度信息和位置信息得到第一指定方向上的位置信息；
第二位置合成子单元，用于根据所述第二指定方向上的速度信息和位置信息得到第二指定方向上的位置信息。
本实施例的各个组成部分可以通过飞行装置外加的设备实现，也可以通过飞行装置自身的传感器等设备实现。
实施例4
本实施例是在实施例3的基础上提出的一种导航系统，其特征在于，所述系统包括：
实施例3所述的飞行状态测量装置，用于测量指定方向上的速度信息和位置信息；
导航数据计算装置，用于通过所述指定方向上的速度信息和位置信息对惯性导航系统测得的速度信息和位置信息进行修正，得到导航数据。
由上述描述可知，本实施例的导航系统还包括惯性导航装置，惯性导航装置是飞行器上常用的一种设备，本实施例的导航系统通过实施例3所述的飞行状态测量装置得到的速度信息和位置信息，然后通过所述速度信息和位置信息对惯性导航装置测得的数据就行修正，能够使得飞行器在没有GNSS的情况下也能对飞行器进行精确导航。
实施例5
以下通过一个实际的场景对本发明进行详细说明。
本实施例以四旋翼无人机为例，本发明的具体实现步骤如下：
(1)对加速度计、陀螺仪、磁传感器和气压高度计进行标定和误差补偿；
(2)如图3所示，根据惯性导航系统力学方程编排，利用加速度计和 陀螺仪的输出值实时计算四旋翼无人机运动的水平位置、水平速度以及姿态和航向参考信息；
(3)通过建立惯性导航系统的高度通道的误差模型，以气压计输出的高度值与惯导系统输出的高度的差值为观测量，采用四状态卡尔曼滤波(Kalman，滤波)估计并补偿惯导系统的高度误差和垂向速度误差，获得精确的高度和垂向速度信息；
(4)如图3和4所示，建立四旋翼无人机运动模型和动力学运动模型，结合两种模型的关系推算四旋翼无人机水平速度信息和位置信息，其具体步骤为：
a1、根据四旋翼无人机短时间内加速度不变的假设，建立四旋翼无人机的二阶运动模型为：
a(k+1)＝a(k)
v(k+1)＝v(k)+a(k)T
s(k+1)＝s(k)+v(k)T
式中，a(k)、v(k)和s(k)分别为四轴在第k次采样时的加速度、速度与相对位置；a(k+1)、v(k+1)和s(k+1)分别为四旋翼无人机的四个轴在第k+1次采样时的加速度、速度与相对位置；T为采样周期；
a2、根据四旋翼无人机空气动力学原理，建立四旋翼无人机的动力学运动模型为：
aEg=cosψsinψ+sinψsinθcosγcosθccosγ(aUg+g)aNg=sinψsinγ-cosψsinθcosγcosθcosγ(aUg+g)]]>
式中，和分别是四旋翼无人机在东北天地理系坐标系下东向与北向的加速度；是四旋翼无人机的向上加速度信息，由机载惯性导航系统的高度通道获得的天向速度作一阶差分获得；g为重力加速度；ψ、θ和γ分别为四旋翼无人机的偏航角、俯仰角和横滚角，由姿态和航向参考系统计算。
(5)如图3所示，当GNSS信号有效时，采用七状态Kalman滤波方法实现惯性导航/GNSS组合导航，估计并补偿惯性导航系统的误差；当GNSS信号无效时，采用七状态Kalman滤波方法实现运动模型信息辅助惯性导航，估计并补偿惯性导航系统的误差，具体实现过程为：
b1、根据惯性导航系统误差方程建立惯性导航系统七状态方程为：
X·(t)=F(t)X(t)+G(t)W(t)]]>
式中，X(t)^T为连续时间系统状态，上标T为转置，E、N和U分别为东北天地理坐标系的坐标轴指向；t为时间，和分别为惯性导航系统在东、北和天向平台误差角；δV_E和δV_N分别为惯性导航系统东向和北向速度误差；δL和δλ分别为惯性导航系统北向和东向位置误差；W(t)为系统噪声；F(t)和G(t)分别为状态转移矩阵和系统噪声矩阵。
b2、当GNSS信号有效时，利用卫星导航定位系统输出的位置和速度与惯性导航系统输出的位置和速度的差为量测值，建立系统的量测方程为：
ZS=VEI-VESVNI-VNS(LI-LS)RM(λI-λS)RNcosLI+vESvNSvLSvλS=HSX+VS]]>
HS=03×303×103×103×103×101000001RM00000RNcosLI]]>
式中，Z_S为GNSS信号有效时的量测值；和分别为惯性导航系统输出的东向和北向速度；L_I和λ_I分别为惯性导行系统输出北向位置和东向位置；和分别为GNSS输出的东向和北向速度；L_S和λ_S分别为GNSS输出的北向和东向位置；上标或下标中的I和S分别为惯性导航系统和GNSS的输出值；VS=vESvNSvLSvλST]]>为GNSS接收机的噪声，和分别 为GNSS接收机的东向速度测量噪声、北向速度测量噪声、北向位置测量噪声和东向位置测量噪声；R_N和R_M分别为卯酉圈和子午面半径。
b3、当GNSS信号无效时，利用四旋翼无人机运动模型推算得到的水平速度和位置与惯性导航系统输出的水平速度和位置的差为量测值，建立系统的量测方程为：
ZR=VEI-VERVNI-VNR(LI-LR)RM(λI-λR)RNcosLI+vERvNRvLRvλR=HRX+VR]]>
HR=03×303×103×103×103×101000001RM00000RNcosLI]]>
式中，Z_R为GNSS信号无效时的量测值；和分别为根据四旋翼无人机运动模型推算结果中的东向和北向速度；L_R和λ_R分别为根据四旋翼无人机运动模型推算结果中的北向和东向位置；上标或下标中R为四旋翼无人机运动模型推算结果；L_R和λ_R及是四旋翼无人机水平速度信息和位置信息(即实施例1中的第一指定方向上的速度信息、第二指定方向上的速度信息、第一指定方向上的位置信息和第二指定方向上的位置信息)，可以通过上述的a(k)、v(k)、s(k)、和经过简单计算得到，此处不再赘述。VR=vERvNRvLRvλRT]]>为根据四旋翼无人机运动模型推算结果的噪声，和分别为运动模型推算的东向速度测量噪声、北向速度测量噪声、北向位置测量噪声和东向位置测量噪声。
b3、对式(10)进行离散化，当GNSS信号有效时，利用七状态反馈Kalman滤波方法实时估计并补偿惯性导航系统的误差；当卫星导航信号因干扰或遮蔽等原因失效时，根据权利要求2中所述方法的推算结果，利用七状态反馈Kalman滤波方法实时估计并补偿惯性导航系统的误差，最终获得 四轴精确的位置、速度和姿态信息。
本发明的优点在于：通过建立四旋翼无人机运动模型和动力学运动模型，根据两种模型间的关系来实现四旋翼无人机水平速度和位置的推算，并利用Kalman滤波实现推算信息辅助惯性导航定位，估计并补偿惯性导航系统的误差，从而实现在GNSS信号不可用时，利用现有导航系统即可获得精确的自主导航定位信息，保证四旋翼无人机可以长时间、稳定可靠地飞行。
惯性导航系统力学方程编排、惯性导航系统误差方程以及姿态和航向参考系统推算法都是本领域公知和常用的方法，不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、 随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。