俯角参考跟踪系统技术方案

本申请公开了俯角参考跟踪系统，用于跟踪相对于参考方位的目标俯角的系统和方法。根据一些实施例，系统包含算法集和飞行员显示器，该飞行员显示器使用来自机上导航系统的数据来计算相对于参考方位的资产的方位，允许为系统测量和性能评估的目的用于精确控制相对几何结构。系统向飞行员提供跟踪误差和沿飞行剖面的转向提示，允许在相对于静态或者动态参考方位扫过视角(体轴方位角)的同时，对目标俯角(体轴仰角)进行闭环跟踪。

【技术实现步骤摘要】
俯角参考跟踪系统
本公开一般涉及用于评估感测飞行器机上(onboard)安装的系统(例如，具有射频或光学孔径的系统)的性能的系统和方法。
技术介绍
由于任务要求将感测飞行器推向更远的偏差航线的范围(stand-offrange)，表征安装的孔径性的需求对于创建机上通信和传感器系统的操作能力和局限性至关重要。如果基于地面的测试可能因设施限制、交通工具规模或所需几何结构证明不可行，则机载(airborne)测试提供了收集所需数据的替代性装置。目前机载飞行剖面的执行方法涉及利用地面控制器辅助的操纵进行预先计划的轨迹的飞行，以跟踪目标俯角。地面控制器利用对测试平台的定位和姿态的估计来中继跟踪目标俯角所需的操纵校正。机载测试平台的飞行员对没有明确的俯角跟踪误差的机上反馈的文字指导进行响应。对现有评估方法的主要挑战是跟踪目标俯角时的有限的精确度和可重复性以及适应扰动的有限能力和实时系统约束。地面控制器命令到飞行员的延迟、缺乏机上跟踪误差显示器以及在考虑环境影响(风、非标称几何结构等)方面的挑战是影响现有解决方案的数据质量的重要因素。在控制器-飞行员-飞行器控制环路中可能有几秒钟的时间延迟。地面控制器必须基于直觉和经验来解释估计的交通工具状态并发出校正操纵。在校正的无线电中继之后，飞行员必须顺利地以及精确地解释并执行命令，而没有机上跟踪提示的益处。在没有机上反馈的情况下，飞行员没有俯角跟踪误差的大小或速率的指示。地面控制器一般限于离散姿态校正命令和定性速率指导，这不足以精确跟踪目标俯角。为比较和验证的目的重复相同轨迹的能力也可能是一个挑战。环境影响(如高空风和非标称剖面设置)提供了附加的挑战，引进的不确定性很难适应现有评估方法。交通工具运动性(速度、高度等)和专用测试设备(最小/最大范围、视率(lookrate)、交叉极化角等)二者都存在约束。评估剖面被预先计划以尽可能避免约束。实时响应于扰动往往导致次优化轨迹，其比计划提前到达约束，导致数据不足。在进行机载测试以评估已安装的孔径性能或用于任务系统的实地测量时，需要提高数据质量并降低成本。
技术实现思路
下面详细地公开的主题是针对用于跟踪相对于参考方位的目标俯角的系统和方法。根据一些实施例，俯角参考跟踪系统包含算法集和飞行员显示器，该飞行员显示器使用来自机上全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)的数据来计算相对于参考方位的平台的方位(即，定位和方向)，允许为系统测量和性能评估的目的用于精确控制相对几何结构。俯角参考跟踪(DART)系统向飞行员提供跟踪误差和沿飞行剖面的转向提示，允许在相对于静态或者动态参考方位扫过(sweep)视角(lookangle)(体轴方位角)的同时，对目标俯角(体轴仰角)进行闭环跟踪。下面详细公开的俯角参考跟踪系统被设计为在进行机载测试来评估已安装的孔径性能或测量任务系统时，改善数据质量并降低成本。当执行系统评估时，需要机载资产在跟踪相对于参考方位的目标俯角的同时进行扫过视角的轨迹的飞行。目标俯角可以是静态的或者动态的，后者被指定为视角的函数。参考方位可以是固定的(空对地)或者是在动态的平台上(空对空)。当机载测试平台进行给定的轨迹的飞行时，对参考方位呈现了视角和俯角的组，允许专用测试设备(在参考方位处)评估测试平台上的具体视线角(aspectangle)的系统性能。除了俯角跟踪需求外，测试平台还必须针对数据质量和安全性考虑满足某些几何结构和运动学约束。相对几何结构的精确控制在以针对数据质量的足够的精确度跟踪所需的俯角中是至关重要的。本文所公开的系统被设计为在考虑系统的约束的同时，提供用于精确俯角跟踪的机载能力。本文公开的俯角参考跟踪系统提供改善俯角跟踪性能的三种选项，本文中的该选项分别地指代为误差提示(级别1)、混合飞行指引仪(级别2)以及先进飞行指引仪(级别3)。根据误差提示系统的一个实施例，俯角误差提示被显示给飞行员，用直观的提示来提供跟踪误差大小和速率的指示用于零跟踪误差所需的操纵。误差提示将先前不可用的态势感知提供给飞行员，允许目标俯角的平滑跟踪。根据混合飞行指引仪的一个实施例，仪表着陆系统(ILS)型飞行指引仪提供俯仰和滚转命令指导，以进行跟踪目标俯角的轨迹的飞行。飞行剖面可以被设计为使用单轴或多轴命令来跟踪目标俯角，同时最大化扫视角并且最小化暴露于运动学和系统约束。混合飞行指引仪概念在飞行剖面演变时通过平衡俯仰和滚转命令避免可能的约束。根据先进飞行指引仪的一个实施例，来自混合飞行指引仪的ILS型飞行指引仪被重复使用。此外，先进飞行指引仪允许执行使用模型预测控制(MPC)构造经设计和经优化的飞行剖面。使用MPC设计和执行的飞行剖面允许在明确地满足运动学和系统束缚时，连续的轨迹优化、最大化效率(扫视角)，同时在存在环境扰动和非标称条件时操作。混合和先进飞行指引仪的飞行指引仪能力在与自动驾驶仪系统集成时实现闭环指导，允许在载人和无人驾驶平台上自主执行。相对于现有方法，本文所公开的俯角参考跟踪系统可用来实现以下各项：(a)增加的精确性(例如，较小的平均跟踪误差)；(b)增加的精确度(例如，围绕目标俯角的较小的变化)；(c)增加的可重复性(例如，飞行指引仪定义明确的轨迹，允许在相似环境条件下的可重复数据)；(d)增加的鲁棒性(例如，跟踪误差指导对风和非标称条件不敏感)；以及(e)增加的灵活性(例如，对需要精确相对几何结构的应用提供极其有用的能力)。尽管下面将详细描述用于跟踪相对于参考方位的目标俯角的系统和方法的各种实施例，但是这些实施例中的一个或更多个可以通过以下方面中的一个或更多个来表征。下面详细公开的主题中的一方面为一种用于显示指示符的系统，该指示符向飞行器的飞行员指示俯角误差的大小，该系统包括：显示单元，其具有显示屏；以及计算机系统，其经配置以控制显示单元，该显示单元显示具有在显示屏上的定位的误差提示，该定位是飞行器的当前俯角与目标俯角的偏差的函数。根据一个实施例，计算机系统进一步经配置以使用表示相对于参考方位的飞行器的方位的数据计算相对于参考方位的飞行器的当前俯角。在某些情况下，目标俯角随视角而变化。此外，计算机系统可进一步经配置以控制显示单元来显示至少部分参考线，其中当俯角误差为零时，第一符号在参考线上居中。下面详细公开的主题的另一方面为一种用于显示指示符的方法，该指示符向飞行器的飞行员指示俯角误差的大小，该方法包括：计算当前俯角与目标俯角的偏差；以及在显示单元的显示屏上显示误差提示，该误差提示具有定位，该定位是当前俯角与目标俯角的偏差的函数。该方法可进一步包含：在显示屏上显示对应于等于零的偏差的参考线；当显示误差提示和参考线时查看显示屏；以及以使误差提示移动以更接近参考线的方式操纵主驾驶舱飞行控制输入装置，其中当误差提示在参考线上居中时，俯角误差为零。该方法可进一步包含：使用表示相对于参考方位的飞行器的方位的数据计算相对于参考方位的飞行器的当前俯角。在某些情况下，目标俯角可以是视角的函数。下面详细公开的主题的又一方面是一种用于在飞行器的飞行期间显示视觉提示用于飞行员指导的系统，该系统包含：显示单元，其具有显示屏；以及计算机系统，该计算机系统经配置以执行以下操作：(a)计算满足当前俯角与目标俯角的偏差等于零的条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于向飞行中的飞行器的飞行员显示指示符的系统(50)，所述指示符指示俯角误差的大小，所述系统(50)包含：具有显示屏(20，66)的显示单元和计算机系统，所述计算机系统经配置以控制所述显示单元，以在所述显示屏(20，66)上显示具有定位的误差提示(28)，所述定位是至少所述飞行器的当前俯角(18)与目标俯角的偏差的函数。

【技术特征摘要】
2017.09.15 US 15/706,6461.一种用于向飞行中的飞行器的飞行员显示指示符的系统(50)，所述指示符指示俯角误差的大小，所述系统(50)包含：具有显示屏(20，66)的显示单元和计算机系统，所述计算机系统经配置以控制所述显示单元，以在所述显示屏(20，66)上显示具有定位的误差提示(28)，所述定位是至少所述飞行器的当前俯角(18)与目标俯角的偏差的函数。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算机系统进一步经配置以使用表示相对于参考方位的所述飞行器的方位的数据来计算所述飞行器相对于所述参考方位的所述当前俯角。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述目标俯角根据视角(14)变化。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述误差提示(28)是在所述显示屏(20，66)上具有横向定位并且在所述显示屏(20，66)上具有垂直定位的第一符号，所述横向定位是所述视角(14)的函数，并且所述垂直定位是所述俯角误差(18)的函数。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算机系统进一步经配置以控制所述显示单元，以在所述显示屏(20，66)上显示参考线(24)的至少一部分，其中当所述俯角误差为零时，所述第一符号在所述参考线上居中。6.一种用于向飞行中的飞行器的飞行员显示指示符的方法，所述指示符指示俯角误差的大小，所述方法包含：计算当前俯角(18)与目标俯角的偏差；以及在显示单元的显示屏(20，66)上显示误差提示(28)，该误差提示具有定位，所述定位是至少所述当前俯角与所述目标俯角的所述偏差的函数。7.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：在所述显示屏(20，66)上显示对应于等于零的偏差的参考线(24)；当显示所述误差提示(28)和所述参考线(24)时，查看所述显示屏(20，66)；以及以使所述误差提示(28)移动以更接近所述参考线(24)的方式操纵主驾驶舱飞行控制输入装置，其中，当所述误差提示(28)在所述参考线(24)上居中时，所述俯角误差为零。8.根据权利要求6所述的方法，进一步包含使用表示相对于参考方位的所述飞行器的方位的数据来计算所述飞行器相对于所述参考方位的所述当前俯角。9.根据权利要求8所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·斯坦奥厄，R·A·豪兰，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US