[发明专利]一种雷达引导无人机自动着舰制导与控制系统及其控制方法

摘要

本发明提出一种雷达引导无人机自动着舰制导与控制系统及其控制方法，该制导与控制系统由机载控制子系统和舰载制导子系统组成，两个子系统之间通过数据链路实现通信，通过将测得的无人机与舰船相对位置信号减去由于甲板运动而引起的扰动信号，获取一个稳定坐标系下的机舰相对位置信息；通过纵向引导律、纵向控制律、侧横向引导律和侧横向控制律计算出无人机的纵向、横侧向控制信号，控制无人机实现在舰船上自动着舰，所提出的制导与控制系统增大了无人机着舰的准确度和安全性。

主权项

1.一种雷达引导无人机自动着舰制导与控制系统，由机载控制子系统和舰载制导子系统组成，两个子系统之间通过数据链路实现通信，其特征在于，所述舰载制导子系统包括：雷达测量模块、雷达坐标转换计算模块、雷达坐标平移模块、舰船几何测量模块、舰船六度自由度运动模块、舰船扰动影响计算模块、机舰相对位置计算模块、无人机绝对位置计算模块和无人机基准轨迹计算模块；所述雷达测量模块，用于测量以舰载引导雷达天线OR为原点的球坐标系R下无人机的位置坐标(RR,θR,ψR)，其中，RR为斜距，θR为高低角，ψR为方位角，并发送给雷达坐标转换计算模块；所述雷达坐标转换计算模块，接收雷达测量模块发送的无人机在坐标系R中的位置坐标(RR,θR,ψR)，将其转换为以舰载引导雷达天线OR为原点的空间坐标系OR‑XERYERZER中的无人机位置坐标(XEA1,YEA1,ZEA1)，并将转换后的位置坐标发送给雷达坐标平移模块；所述舰船几何测量模块，测量舰载引导雷达天线OR位置与着舰点OTD位置的相对距离，发送给雷达坐标平移模块，记ΔX,ΔY,ΔZ分别表示OR与OTD相对距离在空间坐标系TD中X轴、Y轴、Z轴上的分量；测量舰船重心OS位置与着舰点OTD位置的相对距离，发送给舰船扰动影响计算模块，记LTD,YTD,GTD分别表示OS与OTD相对距离在空间坐标系TD中X轴、Y轴、Z轴上的分量；测量舰船斜角甲板的方位角λac，发送给无人机基准轨迹计算模块；所述雷达坐标平移模块，根据接收到的无人机在坐标系OR‑XERYERZER中的位置坐标(XEA1,YEA1,ZEA1)以及雷达天线OR位置与着舰点OTD位置的相对距离ΔX,ΔY,ΔZ，计算得到无人机在以着舰点OTD为原点的空间坐标系TD中的位置坐标(XEATD,YEATD,ZEATD)并发送给机舰相对位置计算模块；所述舰船六度自由度运动模块，测量着舰点OTD在以地面上一点OE为原点的地面坐标系E下的位置坐标(XES,YES,ZES)，发送给无人机绝对位置计算模块；测量当无人机进入着舰过程时着舰点OTD在坐标系E的初始位置(XES0,YES0)、舰船的航向角ψ、舰船前向速度us和侧向速度vs，发送给无人机基准轨迹计算模块；测量坐标系E中由于海浪因素引起的舰船重心线位移扰动(ΔXsu，ΔYsw，ΔZhe)及角位移扰动(θS,φS,ψS)，发送给舰船扰动影响计算模块；其中，ΔXsu为舰船重心OS处的纵荡信号，ΔYsw为舰船重心OS处的横荡信号，ΔZhe为舰船重心OS处的沉浮信号；θS、φS、ψS分别表示坐标系E中舰船重心在坐标轴X、Y、Z上的旋转角；所述舰船扰动影响计算模块，根据接收到的舰船重心OS位置与着舰点OTD位置的相对距离LTD,YTD,GTD、舰船重心线位移扰动(ΔXsu，ΔYsw，ΔZhe)及角位移扰动(θS,φS,ΨS)，计算出舰船线位扰动相对着舰点OTD的漂移量(ΔXES1,ΔYES1,ΔZES1)和舰船角位扰动相对着舰点OTD的漂移量(ΔXES3,ΔYES3,ΔZES3)，并发送给机舰相对位置计算模块；其中，ΔXES1表示ΔXsu对着舰点OTD的漂移量，ΔYES1表示ΔYsw对着舰点OTD的漂移量，ΔZES1表示ΔZhe对着舰点OTD的漂移量；ΔXES3表示θS对着舰点OTD的漂移量，ΔYES3表示φS对着舰点OTD的漂移量，ΔZES3表示ΨS对着舰点OTD的漂移量；所述机舰相对位置计算模块，根据接收到的舰船线位扰动相对着舰点OTD的漂移量(ΔXES1,ΔYES1,ΔZES1)和舰船角位扰动相对着舰点OTD的漂移量(ΔXES3,ΔYES3,ΔZES3)，以及雷达坐标平移模块发送的无人机在坐标系TD中的位置坐标(XEATD,YEATD,ZEATD)，计算出机舰相对位置(XEAS,YEAS,ZEAS)并发送给无人机绝对位置计算模块；所述无人机绝对位置计算模块，根据接收到的机舰相对位置(XEAS,YEAS,ZEAS)和舰船在坐标系E下的位置坐标(XES,YES,ZES)，计算出无人机在坐标系E下的绝对位置并发送给无人机轨迹控制模块；所述无人机基准轨迹计算模块，根据接收到的船舰斜角甲板方位角λac、舰船在无人机进入着舰过程时的初始位置(XES0,YEX0)、舰船的航向角ψ、舰船前向速度us和侧向速度vs，计算生成无人机重心的基准下滑轨迹以及无人机着舰过程中相对于坐标系E的下滑速度VC、下滑角γC和无人机开始着舰时相对于地面坐标系的初始高度HC0；将无人机重心的基准下滑轨迹发送给无人机轨迹控制模块，将无人机着舰过程中相对于地面坐标系E的下滑速度VC、下滑角γC和无人机开始着舰时相对于地面坐标系的初始高度HC0发送给无人机姿态控制模块；所述机载控制子系统，包括：无人机轨迹控制模块、无人机姿态控制模块、无人机传感器模块和油门与舵机伺服模块；所述无人机轨迹控制模块，根据接收到的无人机绝对位置信号；接收无人机基准轨迹计算模块发送的基准下滑轨迹信号；向无人机姿态控制模块发送无人机俯仰角指令信号θC和滚转角指令信号φC；所述无人机姿态控制模块，接收无人机基准轨迹计算模块发送的无人机着舰过程中相对于坐标系E的下滑速度、下滑角和无人机开始着舰时相对于地面坐标系的初始高度信号(V_C,γ_C,H_C0)；接收无人机轨迹控制模块发送的俯仰角指令信号θ_C和滚转角指令信号φ_C；向油门与舵机伺服模块发送升降舵控制指令修正信号油门开度控制指令修正信号副翼控制指令修正信号和方向舵控制指令修正信号所述油门与舵机伺服模块，用于使无人机根据接收到的升降舵、油门开度、副翼和方向舵控制指令修正信号调整飞行轨迹；所述无人机传感器模块，用于采集无人机着舰过程中的实时参数，包括飞行速度V、飞行姿态角(θ,φ,ψ)及姿态角速率(p,q,r)、气流角(α,β)，并发送到无人机姿态控制模块；其中，θ,φ,ψ分别表示无人机飞行时的俯仰角、滚转角、偏航角；p,q,r分别为滚转角速率、俯仰角速率和偏航角速率；α,β分别表示无人机的气流迎角和气流侧滑角。