一种无动力飞行器的横向飞行能量管理方法与流程

本发明涉及飞行器飞行控制技术领域，具体涉及一种无动力飞行器的横向飞行能量管理方法。

背景技术：

无动力飞行器在执行长时长、远距离的飞行任务时，由气动参数和大气密度偏差引起的能量偏差会随时间而累积增加，最终导致末端能量散布过大，甚至造成飞行过程中航迹发散，不利于后期任务交班。因此，需要对飞行器进行能量管理，控制能量累积偏差，防止航迹发散。

飞行器所具备的能量是根据其最大航程设计，对于一般任务，均会有一定的能量剩余。现有的飞行器能量管理方法，主要是通过在飞行过程不断预测飞行轨迹，推算多余能量，然后大姿态调整或改变轨迹高低，将多余能量耗散。但上述方法计算过程较为复杂，且实现过程中容易造成过调整。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种无动力飞行器的横向飞行能量管理方法，可通过横向机动耗散多余燃料，且避免过调整发生。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种无动力飞行器的横向飞行能量管理方法，其包括步骤：

根据飞行器对于标准航迹的横向位置偏差和横向速度偏差，计算横向偏差量，再通过计算得到方向累计量；方向累计量表示飞行器的位置偏移方向；

根据方向累计量和速度偏移量，计算横向速度导引量；

将上述横向位置偏差经过惯性环节和比例环节，得到横向位置导引量；

将横向速度导引量和横向位置导引量进行加权求和，生成横向导引指令，控制无动力飞行器的横向飞行。

在上述技术方案的基础上，横向偏差量由横向位置偏差和横向速度偏差经加权求和得到。

在上述技术方案的基础上，上述计算方向累计量，具体包括：

由横向偏差量通过回滞函数得到方向符号系数；当横向偏差量小于最小阈值时，方向符号系数为1；当横向偏差量大于最大阈值时，方向符号系数为﹣1；当横向偏差量在最小阈值和最大阈值之间时，方向符号系数为前一时刻的方向符号系数；

根据前一时刻的方向累计量和方向符号系数、以及当前时刻的方向符号系数，得到当前时刻的方向累计量；初始时刻的方向累计量为0。

在上述技术方案的基础上，将方向累计量表示为离散传递函数形式：

其中，sti为当前i时刻的方向累计量，b为方向累计量随方向符号系数的反向累计速率，si为当前i时刻的方向符号系数，z为离散系统z域变换算子。

在上述技术方案的基础上，速度偏移量为速度项耗能系数与飞行器合速度之比，横向速度导引量的表达式为：

其中，cv为横向导引系数，v为飞行器合速度，u为速度项耗能系数，sti为当前i时刻的方向累计量。

在上述技术方案的基础上，横向位置导引量的表达式为：

其中，为惯性环节，s为拉式算子；t为惯性环节的时间常数；kp为向位置导引系数，即比例环节系数；δz为飞行器相对于标准航迹的横向位置偏差。

在上述技术方案的基础上，横向导引指令的表达式为：

其中，为横向速度导引量；为横向位置导引量；wv为速度导引量的权重因子，速度导引量的权重因子表示为速度累计量的函数。

在上述技术方案的基础上，还包括计算速度累计量，具体包括：

定义速度向符号系数，其根据飞行器对于标准航迹的合速度偏差确定；当合速度偏差小于或等于门限值时，速度向符号系数为1；当合速度偏差大于等于门限值时，速度向符号系数为﹣1；

根据前一时刻的速度累计量和速度向符号系数、以及当前时刻的速度向符号系数，得到当前时刻的速度累计量；初始时刻的速度累计量为0。

在上述技术方案的基础上，将速度累计量表示为离散传递函数形式：

其中，shi为当前i时刻的速度累计量；swi为当前i时刻的速度向符号系数；c为速度累计量随速度向符号系数的累计速率；z为离散系统z域变换算子。

在上述技术方案的基础上，上述横向导引指令为飞行器的控制指令角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的无动力飞行器的横向飞行能量管理方法，方法简单，容易实现；以标准航迹为基准，综合考虑了横向速度偏差和横向位置偏差，横向导引融合速度控制，通过横向机动耗散多余燃料，避免过调整，实现飞行器的能量管理，同时，还能提高飞行器规避拦截区域和禁避飞区能力，有效提高飞行器的作战效能。

(2)本发明的无动力飞行器的横向飞行能量管理方法，通过方向累计量使横向速度导引量与偏移方向相反，以修正偏移；通过速度累计量影响速度对于控制指令的影响，当飞行器合速度偏差一直较小时，可增加速度导引量的权重因子，以增加速度对于控制指令的影响；当飞行器合速度偏差一直较大时，可减小速度导引量的权重因子，以避免对速度变化敏感而造成超调量大，导致过调整，甚至航迹发散。

附图说明

图1是本发明实施例中无动力飞行器的横向飞行能量管理方法的流程图；

图2是本发明实施例中横向导引指令生成步骤图；

图3是本发明实施例中方向符号系数的特性示意图；

图4是本发明实施例中不同滚动指令与时间常数的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种无动力飞行器的横向飞行能量管理方法，其包括步骤：

s1.根据飞行器对于标准航迹的横向位置偏差和横向速度偏差，计算横向偏差量，再通过计算得到方向累计量；方向累计量表示飞行器的位置偏移方向。

s2.根据方向累计量和速度偏移量，计算横向速度导引量。

s3.将上述横向位置偏差经过惯性环节和比例环节，得到横向位置导引量。

s4.将横向速度导引量和横向位置导引量进行加权求和，生成横向导引指令，以控制无动力飞行器的横向飞行。

本的实施例的无动力飞行器的横向飞行能量管理方法，以标准航迹为基准，综合考虑了横向速度偏差和横向位置偏差，横向导引融合速度控制，使飞行器在飞行时与航迹射面偏离一个横向机动角度，耗散多余能量；横向导引指令与速度、位置偏差量存在负反馈关系，能保证航迹最终收敛，避免过调整，实现飞行器的能量管理，同时，还能提高飞行器规避拦截区域和禁避飞区能力，有效提高飞行器的作战效能。

上述横向偏差量由飞行器对于标准航迹的横向位置偏差和横向速度偏差按一定权重合成得到。横向偏差量可视为飞行器横向偏离标准航迹的量化系数，其表达式为：

δp＝aδz+δvz

其中，δp为横向偏差量，δz为飞行器相对于标准航迹的横向位置偏差，δvz为飞行器相对于标准航迹的横向速度偏差，a为横向速度偏差的权重因子。

上述步骤s1中，计算方向累计量，具体包括：

首先由横向偏差量通过回滞函数得到方向符号系数；当横向偏差量小于最小阈值时，方向符号系数为1；当横向偏差量大于最大阈值时，方向符号系数为﹣1；当横向偏差量在最小阈值和最大阈值之间时，方向符号系数为前一时刻的方向符号系数。初始时刻的方向符号系数s0为1。因此，参见图3所示，当前i时刻的方向符号系数si为：

其中，m为横向偏差量的最大阈值，且m大于0；﹣m为横向偏差量的最小阈值；si-1为i-1时刻的方向符号系数，即前一时刻的方向符号系数。

然后根据前一时刻的方向累计量和方向符号系数、以及当前时刻的方向符号系数，得到当前时刻的方向累计量。方向累计量满足sti∈[0,1]，初始时刻的方向累计量为0。因此，当前i时刻的方向累计量sti为：

sti＝sti-1-b(si+si-1)

st0＝0

其中，b为方向累计量随方向符号系数的反向累计速率；sti-1为i-1时刻的方向累计量；st0为初始时刻的方向累计量。

本实施例中，方向累计量sti可表示为离散传递函数形式：

其中，z为离散系统z域变换算子。记状态量xk表示k×ts时刻的变量值，对于单边变换，存在xk+1＝z×xk，其中，ts表示离散化采样时间。

本实施例中，当飞行器横向偏移量为负且小于最小阈值时，方向符号系数为﹣1，表示飞行器需要正向修正；当横向偏移量为正且大于最大阈值时，方向符号系数为1，表示飞行器需要负向修正；当横向偏移量在最小阈值和最大阈值之间时，方向符号系数维持不变。

因此，方向符号系数表示一个调整方向，假设飞行器左偏时，方向符号系数为1(即左1)，则右偏时，方向符号系数为﹣1(即右1)。由方向符号系数累计决定方向累计量，假设连续几个采样周期均是向左偏，则方向累计量趋近于0；连续几个采样周期均是向右偏，则方向累计量趋近于1；连续几个采样周期是左右偏移或无偏移，则方向累计量趋近于0.5。

本实施例中，速度偏移量为速度项耗能系数与飞行器合速度之比。因此，横向速度导引量与速度项耗能系数成正比，与飞行器的合速度成反比，且与方向累计量成余弦函数关系。通过方向累计量使横向速度导引量与偏移方向相反，以修正偏移。

上述横向速度导引量的表达式为：

其中，cv为横向导引系数，可根据飞行器的飞行特性取常数值；v为飞行器当前的合速度，u为速度项耗能系数，其与飞行器相对于标准航迹的合速度偏差δv相关。

参见图4所示，速度项耗能系数u与合速度偏差δv为线性关系：

其中，p和q为合速度偏差的预设值，根据飞行器控制特性决定。

上述横向位置导引量表示横向位置偏差控制，由横向位置偏差经过惯性环节和比例环节得到，其表达式为：

其中，为惯性环节，t为惯性环节的时间常数，s为拉氏算子s，即拉普拉斯算子，其与z的关系为：z＝exp(s×ts)，ts表示离散化采样时间；kp为向位置导引系数，即比例环节系数。

本实施例中，飞行器的横向导引指令由横向速度导引量和横向位置导引量按一定权重因子加权求和得到，其表达式为：

其中，wv为速度导引量的权重因子，速度导引量的权重因子表示为速度累计量的函数，其与速度累计量成正比函数关系，而速度累计量与飞行器的合速度偏差直接相关。

可选地，速度导引量的权重因子wv的表达式为：

wv＝β·f(shi)

其中，β为速度调节比重，β∈(0,1)；f(shi)为单调递增函数，且值域为[0,1]。f(shi)可以取为正弦函数或者一阶线性函数。

本实施例的方法还包括计算速度累计量，具体包括：

首先定义速度向符号系数，其根据飞行器对于标准航迹的合速度偏差确定；当合速度偏差小于或等于门限值时，速度向符号系数为1；当合速度偏差大于等于门限值时，速度向符号系数为﹣1。初始时刻的速度向符号系数为﹣1。因此，当前i时刻的速度向符号系数swi为：

其中，n为合速度偏差的门限值，可按飞行器飞行阶段选取不同的常数值。

然后根据前一时刻的速度累计量和速度向符号系数、以及当前时刻的速度向符号系数，得到当前时刻的速度累计量。速度累计量满足shi∈[0,h]，h为大于1的整数。初始时刻的速度累计量为0。因此，当前i时刻的速度累计量shi为：

shi＝shi-1+c(swi+swi-1)

其中，c为速度累计量随速度向符号系数的累计速率，shi-1为i-1时刻的速度累计量，swi-1为i-1时刻的速度向符号系数。

本实施例中，速度累计量表示为离散传递函数形式为：

本实施例中，通过横向导引指令驱使飞行器的速度收敛，即δv减小。当δv一直小于n时，速度累计量则累计增加，导致速度导引量的权重因子增大，表示速度对于控制指令的影响增加；当δv一直大于n时，速度累计量则累计减少，导致速度导引量的权重因子减小，表示减小速度对于控制指令的影响。因此，当合速度偏差一直较大时，需要减小速度导引量的权重因子，避免对速度变化敏感而造成超调量大，导致过调整，甚至航迹发散。

本实施例中，横向导引指令为飞行器的控制指令角，以控制飞行器的横向机动。

本实施例的能量管理方法，以标准航迹为基准，综合考虑了横向速度偏差和横向位置偏差，横向导引融合速度控制，通过大范围横向机动耗散多余燃料，实现飞行器的能量管理，较好的控制飞行器的航程和落速。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。