一种基于磁航向传感器的无人机航向自动修正方法

摘要

本发明公开了一种基于磁航向传感器的无人机航向自动修正方法，可应用于自主起降型无人机的航向自动修正。通过两个地标点的经纬度信息获得真航向角，通过磁航向传感器获得磁航向角，得到机场所在地的磁差，实时计算飞机飞行和起降过程中的真航向角。本发明提供的方法原理简单，不需差磁差图，对于无人机操控人员所需了解的信息量降低，操控流程简化。

说明书

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，具体地说是指一种基于磁航向传感器的无人机航向自动修正技术。

背景技术

飞机的航向角是指飞机纵轴的水平投影线与水平面上某一基准线之间的夹角。根据所取的基准线不同，可以将航向角分为真航向角、磁航向角、罗航向角、大圆航向角和陀螺航向角等等。其中，真子午线与飞机纵轴在水平面上投影线的夹角称为真航向角，是用来确定飞机航向并参与闭环控制的重要飞行参数，尤其是针对于自主起降式无人机，在飞机起降阶段需要高精度的真航向角信息来控制飞机对准跑道飞/滑行。因此，如何得到实时准确的真航向角信息是无人机飞行控制系统设计中需要面对的问题。

磁航向传感器是测量地磁航向角的有效手段，具有体积小、重量轻、安装易、能耗低等特点。磁航向传感器通过磁敏感元件感受传感器本身三个轴线方向的地磁分量并输出，根据这三个地磁分量，加上飞机的姿态信息，则可以得到飞机的磁航向角。

所谓磁航向角，指的是磁子午线与飞机纵轴在水平面上的夹角。由于磁子午线与真子午线方向并不一致，磁航向角并不是真航向角，磁航向角与真航向角之间的偏差称之为磁差。另外，由于飞机上存在着铁磁场和电磁场，当磁航向传感器装上飞机之后，测得的磁分量受到这些磁场的干扰，则会出现罗差。实际的磁航向传感器输出的信息量是加上罗差影响的磁航向角，即罗航向角。附图1中给出了真航向角、磁航向角及罗航向角的关系示意图，真航向角加磁差值就等于磁航向角。

不同的飞机，其罗差值是不相同的，而且由于飞机磁场的大小和方向随飞机转动而变化，同一飞机的不同航向上的罗差值也不相同。即便如此，罗差是可以通过校验试验消除其影响的，这在很多相关文献中都可以找到试验的方法。而地球磁差随着时间、地点的不同而对罗差造成不同的影响，以往的飞行过程中，某一地点的磁差是通过查磁差图来获得的，在每次飞行时都需要查图获得飞机起飞或降落地点的磁差值，并通过测控链路来装订该数据，利用磁航向角与磁差值做差得到飞机的真航向角，流程繁琐，操控人员的工作量大。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于磁航向传感器的无人机航向自动修正方法，通过该方法能够在飞机所在地磁差未知的情况下，通过无人机航向自动修正方法来得到真航向角，并作为有效的传感器反馈信息应用于飞行控制系统。

应用本发明提供的修正方法首先在飞行前将飞机沿跑道中心线放置，根据跑道上的两个地标点经纬度信息以及安装于飞机上的磁航向传感器输出信息得到磁差值，并将此磁差值作为常量装订到飞控计算机，通过磁差值和磁航向角计算飞机的真航向角，具体包括如下步骤：

步骤一：首先将飞机沿跑道中心线放置，使飞机机体纵轴与跑道中心线尽量重合。

步骤二：飞机收到“起飞”指令时，机载飞控计算机根据地标点1和地标点2的经纬度信息解算飞机此时的原始真航向角ψ₀。

步骤三：通过机上磁航向传感器得到飞机的磁航向角ψ₁，根据原始真航向角ψ₀以及从磁航向传感器上接收到的磁航向角ψ₁计算磁差值Δψ。

步骤四：机载飞控计算机将磁航向角ψ₁与该磁差值Δψ相减，得到飞机的真航向角ψ：飞机根据真航向角ψ开始起飞。

步骤五：在后续的飞行及着陆过程中，重复步骤四，实时的接收磁航向角ψ₁并计算真航向角ψ，使飞机以真航向角ψ进行飞行和降落。

步骤四或者步骤五中得到的飞机真航向角ψ将通过测控链路下传显示，供操控人员监控参考，并参与飞行控制回路。

本发明的无人机航向自动修正方法的优点是：

(1)该修正方法无需查磁差图获得当地磁差，减少人为误差；

(2)对于无人机操控人员所需了解的信息量降低，操控流程简化。

附图说明

图1是真航向角、磁航向角及罗航向角的关系示意图；

图2是本发明中实现航向自动修正的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明涉及一种基于磁航向传感器的无人机航向自动修正方法。根据跑道上的两个地标点经纬度信息以及安装于飞机上的磁航向传感器输出信息得到磁差值，通过磁差值和磁航向角信息计算得到飞机的真航向角。

自主起降型无人机的飞行需要根据实际的机场位置来定制相应的起降航向，也就是真航向，此时必然需要在跑道中心线上选取两个位置点作为参考。这两点的经纬度信息可以通过严格的标定得到，并分别称为地标点1和地标点2。根据这两地标点的经纬度信息，可以解算出跑道中心线与正北方向的夹角，即跑道中心线与真子午线之间的夹角-真航向角，真航向角、磁差和磁航向角之间的关系图如图2所示，磁航向角减去磁差就得到真航向角。此时，若将飞机沿跑道中心线放置，飞机上安装的磁航向传感器所测得的磁航向角ψ₁与根据两个地标点经纬度信息解算出的原始真航向角ψ₀之差即为当地磁差值Δψ。飞行过程中，在一定的飞行范围内，此磁差值Δψ的数值变化并不会很大，并且，自主起降型无人机通常起降于同一机场，其具有精确真航向角ψ需求的阶段为飞行的起降阶段，因此根据起飞前得到的磁差值Δψ可以对无人机的真航向角进行不断修正。本发明提供的一种基于磁航向传感器的无人机航向自动修正方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：首先将飞机沿跑道中心线放置，使飞机机体纵轴与跑道中心线尽量重合，如图2所示的是本发明提供方法的原理图。跑道的中心线上有两个地标点1和地标点2，地标点1和地标点2的连线即为跑道的中心线。

步骤二：飞机收到“起飞”指令时，机载飞控计算机根据地标点1和地标点2的经纬度信息解算飞机此时的原始真航向角ψ₀。

设原始真航向角为ψ₀，ψ₀∈[-π，π]，地标点2的经度为L₀，纬度为B₀，地标点1的经度为L₁，纬度为B₁，地标点1在地球坐标系中的天向分量为k₁，地标点2在地球坐标系中的天向分量为k₀，地标点2在地球坐标系中的北向分量为j₀，则

                 k₀＝[cosB₀·cosL₀，cosB₀·sinL₀，sinB₀]′

                 k₁＝[cosB₁·cosL₁，cosB₁·sinL₁，sinB₁]′

                 j₀＝[-sinB₀·cosL₀，-sinB₀·sinL₀，cosB₀]′

步骤三：通过机上磁航向传感器得到飞机的磁航向角ψ₁，根据原始真航向角ψ₀以及从磁航向传感器上获得的磁航向角ψ₁计算磁差值Δψ。

                                 Δψ＝ψ₁-ψ₀

步骤四：通过磁航向传感器实时的获得磁航向角，机载飞控计算机将磁航向角ψ₁与磁差Δψ相减，得到飞机的真航向角ψ：

                                 ψ＝ψ₁-Δψ

飞机根据真航向角ψ开始起飞。

步骤五：在后续的飞行及着陆过程中，重复步骤四，实时的获得磁航向角ψ₁并计算真航向角ψ，使飞机以真航向角ψ进行飞行和降落。

步骤四或者步骤五中得到的飞机真航向角ψ将通过测控链路下传显示，供操控人员监控参考，并参与飞行控制回路。

从上述的磁航向修正方法中可以看出，在进行真航向角的计算时，只需要用磁航向角减去磁差即可，而因为飞机的起飞和降落是在同一个机场即可以认为飞机起飞和降落时的磁差值是相等的，因此飞机起飞和降落的过程中直接根据飞机上磁航向传感器测得的磁航向角与起飞前获得的磁差值来实时得到飞机不同飞行状态的真航向角。该修正方法原理简单，方便有效，无需查磁差图获得当地磁差，并且对无人机操控人员所需了解的信息量降低，操控流程简化。