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

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，所述舰载控制子系统包括：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O_R为原点的球坐标系R下无人机的位置坐标(R_R,θ_R,ψ_R)，其中，R_R为斜距，θ_R为高低角，ψ_R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(R_R,θ_R,ψ_R)，将其转换为以舰载引导雷达天线O_R为原点的空间坐标系O_R‑X_ERY_ERZ_ER中的无人机位置坐标(X_EA1,Y_EA1,Z_EA1)，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O_R位置与着舰点O_TD位置的相对距离ΔX,ΔY,ΔZ，发送给雷达坐标平移模块；测量舰船重心O_S位置与着舰点O_TD位置的相对距离L_TD,Y_TD,G_TD，发送给舰船扰动影响计算模块；测量舰船斜角甲板的方位角λ_ac，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O_R‑X_ERY_ERZ_ER中的位置坐标(X_EA1,Y_EA1,Z_EA1)以及雷达天线O_R位置与着舰点O_TD位置的相对距离ΔX,ΔY,ΔZ，计算得到无人机在以着舰点O_TD为原点的空间坐标系TD中的位置坐(X_EATD,Y_EATD,Z_EATD)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O_TD在以地面上一点O_E为原点的地面坐标系E下的位置坐标(X_ES,Y_ES,Z_ES)，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O_TD在坐标系E的初始位置(X_ES0,Y_ES0)、舰船的航向角ψ_s、舰船前向速度u_s和侧向速度v_s，发送给无人机基准轨迹计算模块；测量坐标系E中由于 海浪等因素引起的舰船重心线位移扰动(ΔX_su，ΔY_sw，ΔZ_he)及角位移扰动(θ_S,φ_S,Ψ_S)，发送给舰船扰动影响计算模块；所述舰船扰动影响计算模块，根据接收到的舰船重心O_S位置与着舰点O_TD位置的相对距离L_TD,Y_TD,G_TD、舰船重心线位移扰动(ΔX_su，ΔY_sw，ΔZ_he)及角位移扰动(θ_S,φ_S,Ψ_S)，计算出舰船线位扰动相对理想着舰点O_TD的漂移量(ΔX_ES1,ΔY_ES1,ΔZ_ES1)和舰船角位扰动相对理想着舰点O_TD的漂移量(ΔX_ES3,ΔY_ES3,ΔZ_ES3)，并发送给机舰相对位置计算模块；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理想着舰点O_TD的漂移量(ΔX_ES1,ΔY_ES1,ΔZ_ES1)和舰船角位扰动相对理想着舰点O_TD的漂移量(ΔX_ES3,ΔY_ES3,ΔZ_ES3)，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(X_EATD,Y_EATD,Z_EATD)，计算出机舰相对位置(X_EAS,Y_EAS,Z_EAS)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(X_EAS,Y_EAS,Z_EAS)和舰船在坐标系E下的位置坐标(X_ES,Y_ES,Z_ES)，计算出无人机在坐标系O_E‑X_EY_EZ_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λ_ac、舰船在无人机进入着舰过程时的初始位置(X_ES0,Y_EX0)、舰船的航向角Ψ_s、舰船前向速度u_s和侧向速度v_s，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V_c、下滑角γ_c和无人机开始着舰时相对于地面坐标系的初始高度H_c0；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V_c、下滑角γ_c和无人机开始着舰时相对于地面坐标系的初始高度H_c0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和滚转角指令信号(θ_c,φ_c)；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和滚转角指令信号(θ_c,φ_c)；向油门与舵机伺服模块发送升降舵、油门开度、副翼和方向舵控制指令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。