[发明专利]一种融合相对高度和绝对高度获得导航高度的方法

权利要求书

1.一种融合相对高度和绝对高度获得导航高度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：采用相对高度测量计，获取飞行器距离地面的相对高度h_relat；

步骤二：采用绝对高度测量计，获取飞行器的绝对高度h_abs；

步骤三：根据相对高度h_relat的大小，确定导航高度来源，该步骤的实施需要以下条件：

在相对高度测量计的量程范围内，设定导航高度来源切换上限h_{max_limit}和切换下限h_{min_limit}；

确定导航高度来源的具体方法为：若相对高度h_relat大于导航高度来源切换上限h_{max_limit}，导航高度来源选择为绝对高度；若相对高度h_relat小于导航高度来源切换下限h_{min_limit}，导航高度来源选择为相对高度；若相对高度h_relat位于导航高度来源切换下限h_{min_limit}和切换上限h_{max_limit}之间，导航高度来源与上一周期导航高度来源相同，不发生变化；

步骤四：若上述步骤三确定导航高度来源为绝对高度h_abs，使用绝对高度h_abs计算导航高度h_Navi；

步骤五：若上述步骤三确定导航高度来源为相对高度h_relat，使用相对高度h_relat和地面海拔高度h_ground计算导航高度h_Navi，然后计算并记录导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset。

2.根据权利要求1所述的一种融合相对高度和绝对高度获得导航高度的方法，其特征在于：步骤四中所述的“使用绝对高度h_abs计算导航高度h_Navi”，其具体计算步骤为：

(4.1)判断上一周期的导航高度来源是否为相对高度h_relat；

(4.2)若步骤(4.1)确定上一周期的导航高度来源为相对高度h_relat，启用高度平滑函数，减小导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset，将高度平滑函数返回值赋值给变量h_{smooth_offset}；否则，不启用高度平滑函数；这里应注意，“启用”高度平滑函数是指“开始调用”高度平滑函数，在变量h_{smooth_offset}为0时，停止调用高度平滑函数；

所述的“高度平滑函数”，其具体形式如下：

fh=fhan(x1(k)-v(k),x2(k),r,h1)x1(k+1)=x1(k)+h·x2(k)x2(k+1)=x2(k)+h·fh---(1)]]>

公式(1)中函数fhan(x₁(k)-v(k),x₂(k),r,h₁)的表达式如下：

d=r·h12a0=h1·x2y=x1-v+a0a1=d·(d+8|y|)a2=a0+sign(y)·(a1-d)/2a=(a0+y)·fsg(y,d)+a2·(1-fsg(y,d))fhan=-r·(ad)·fsg(a,d)-r·sign(a)·(1-fsg(a,d))---(2)]]>

公式(2)中函数fsg(x,d)的表达式如下：

y＝fsg(x,d)＝(sign(x+d)-sign(x-d))/2   (3)

公式(2)(3)中函数sign(x)为符号函数，具体表达式如下：

y=sign(x)=1,x≥0-1,x<0---(4)]]>

其中，fh＝fhan(x₁(k)-v(k),x₂(k),r,h₁)是二阶离散系统

x1(k+1)=x1(k)+h·x2(k)x2(k+1)=x2(k)+h·fh]]>

的最速控制函数，作用是使变量x₁(k)以有限步从其初始值x₁(0)到达期望值v(k)并跟踪期望值v(k)，v(k)既可以是变量也可以是常量；公式(1)(2)中主要参数的定义如下：

h为离散系统的积分步长；

r为快速因子，r取值越大，变量x₁(k)对期望值v(k)的跟踪速度越快；

h₁为滤波因子，h₁取值越小，变量x₁(k)对期望值v(k)的跟踪速度越快；

公式(1)(2)用作高度平滑函数时，在第一次被调用时，将x₁(k)初始值x₁(0)赋值为步骤五中“计算并记录的导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset”，期望值v(k)为常量0；因此调用高度平滑函数，将使导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset以有限步减小到0，高度平滑函数的返回值为x₁(k)；

(4.3)使用绝对高度h_abs和变量h_{smooth_offset}计算导航高度h_Navi；

其具体计算公式如下：

h_Navi＝h_abs+h_{smooth_offset}

式中，h_Navi为导航高度，h_abs为绝对高度，h_{smooth_offset}为高度平滑函数的返回值；

以上步骤四的实施过程中，高度平滑函数的调用将使导航高度来源由相对高度切换为绝对高度时，不会发生导航高度的跳变，有利于对无人飞行器高度的控制。

3.根据权利要求1所述的一种融合相对高度和绝对高度获得导航高度的方法，其特征在于：步骤五中所述的“使用相对高度h_relat和地面海拔高度h_ground计算导航高度h_Navi”，其具体计算步骤为：

(5.1)判断上一周期的导航高度来源是否为绝对高度h_abs；

(5.2)若步骤(5.1)确定上一周期的导航高度来源为绝对高度h_abs，计算并记录地面海拔高度h_ground；否则，不计算地面海拔高度h_ground；所述的“计算地面海拔高度h_ground”，其计算公式如下：

h_ground＝h_Navi-h_relat

式中，h_ground为地面海拔高度，h_Navi为导航高度，h_relat为相对高度；

(5.3)判断相对高度h_relat不发生变化的周期数n_trace是否大于设定值N_trace；其实施方法如下，首先设定判断相对高度h_relat发生变化的阈值h_{relat_limit}，若本周期相对高度与上一周期相对高度的差值的绝对值小于阈值h_{relat_limit}，认为相对高度h_relat不发生变化，变量n_trace加1；若本周期相对高度与上一周期相对高度的差值的绝对值大于等于阈值h_{relat_limit}，认为相对高度h_relat发生变化，变量n_trace置0；然后判断n_trace是否大于设定值N_trace；

(5.4)判断导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset是否大于设定的阈值h_{offset_limit}；其差值h_offset的计算公式如下：

h_offset＝h_Navi-h_abs

公式中，h_offset为导航高度与绝对高度的差值，h_Navi为导航高度，h_abs为绝对高度；

(5.5)若步骤(5.3)确定相对高度h_relat不发生变化的周期数n_trace大于设定值N_trace并且步骤(5.4)确定导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset大于设定的阈值h_{offset_limit}，计算并记录地面海拔高度h_ground；否则，不计算地面海拔高度h_ground；所述的“计算并记录地面海拔高度h_ground”，其地面海拔高度h_ground的计算公式如下：

h_ground＝h_abs-h_relat

式中，h_ground为地面海拔高度，h_abs为导航高度，h_relat为相对高度；

(5.6)若步骤(5.5)计算并记录了地面海拔高度h_ground，启用高度平滑函数，减小本周期地面海拔高度与上一周期地面海拔高度的差值，该差值为步骤(5.5)中设定的导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值阈值h_{offset_limit}，将高度平滑函数返回值赋值给变量h_{smooth_offset}；否则，不启用高度平滑函数；这里应注意，“启用”高度平滑函数是指“开始调用”高度平滑函数，在变量h_{smooth_offset}为0时，停止调用高度平滑函数；所述的“高度平滑函数”，其具体形式与步骤(4.2)中“高度平滑函数”相同，作用是使变量x₁(k)以有限步从其初始值x₁(0)到达期望值v(k)，第一次调用高度平滑函数时，x₁(k)的初始值x₁(0)赋值为本周期地面海拔高度与上一周期地面海拔高度的差值h_{offset_limit}，v(k)值为常量0；因此调用高度平滑函数，将使地面海拔高度的差值h_{offset_limit}以有限步减小到0，高度平滑函数的返回值为x₁(k)；

(5.7)使用相对高度h_relat、地面海拔高度h_ground和变量h_{smooth_offset}计算导航高度h_Navi；其具体计算公式如下：

h_Navi＝h_relat+h_ground+h_{smooth_offset}

式中，h_Navi为导航高度，h_relat为相对高度，h_ground为地面海拔高度，h_{smooth_offset}为高度平滑函数的返回值；

(5.8)计算并记录导航高度h_Navi与绝对高度h_abs的差值h_offset，其计算公式如下：

h_offset＝h_Navi-h_abs

公式中，h_offset为导航高度与绝对高度的差值，h_Navi为导航高度，h_abs为绝对高度；记录的导航高度与绝对高度的差值h_offset将用于导航高度来源由相对高度切换为绝对高度时，高度平滑函数的使用；

以上步骤五的实施过程中，导航高度来源由绝对高度切换为相对高度时，计算地面海拔高度h_ground，并用于导航高度的计算，该步骤的目的是使导航高度来源切换时导航高度不发生跳变；判断相对高度是否在超过N_trace个周期内不发生变化，是为判断无人飞行器是否在跟踪恒定的期望高度飞行，若是，说明无人飞行器正在跟踪恒定的期望高度飞行，此时，判断导航高度与绝对高度的值h_offset是否大于设定的阈值h_{offset_limit}，是为判断真实的地面海拔高度是否已小于上一次计算的地面海拔高度，若是，说明真实的地面海拔高度已小于上一次计算的地面海拔高度，因此重新计算地面海拔高度并用于导航高度的计算，以上步骤使飞行器停止跟随下降地形并恢复到期望高度；以上地面海拔高度的计算统称为地面海拔高度更新机制，这种地面海拔高度更新机制保证导航高度来源切换时，导航高度平稳过渡，同时，还使飞行器及时停止跟随海拔高度下降的地面飞行并恢复到期望飞行高度；地面海拔高度更新时对高度平滑函数的调用，能防止导航高度跳变，从而保证导航高度平稳过渡，有利于无人飞行器对高度的控制。