秦天宇　張乘勝

摘 要：根據(jù)cv的運動的模型，先在直升機飛行之前定下一個飛行高度，再使用狀態(tài)方程以顯示其飛行的具體細節(jié)，根據(jù)該方式建立一種直升機在導航過程中受風干擾的飛行軌跡模型。在該模型的基礎上，根據(jù)UKF算法設計無跡卡爾曼濾波器，對包含風場噪聲的航跡進行 處理，用以提高航跡的估計精度。仿真結果表明，航跡估計結果精度較高，濾波效果顯著，克服了由于擴展卡爾曼濾波類方 法截斷誤差等因素導致精度下降的不足。此外，該濾波器計算速度快且易實現(xiàn)，具有較好的工程應用參考價值。

關鍵詞：直升機導航;風場干擾;無跡卡爾曼濾波;飛行軌跡模型

引言

直升機是20世紀航空技術最具特色的產品，因為其出色的功能，能夠原地起飛，極大地克服了地形的限制，大大增加了飛行器在各個領域中的應用，不僅在軍事領域應用廣泛，在民用領域也同樣被廣泛應用，在農業(yè)、救援等領域中發(fā)揮著重要作用。而作為直升機的眼睛，導航系統(tǒng)是直升機行使功能的最重要的部分。對所飛行的路程進行分析之后進行導航，若采用飛行軌跡模型進行分析，可以僅僅對直升機傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)飛機的當前速度、前一刻的位置或者風速等各項數(shù)據(jù)來推算直升機的現(xiàn)在的位置。并且該種方法具有很多優(yōu)點，不僅成本較少，而且占用的資源較少，推算的速度很快，能夠很快的推算出準確的結果。但是其缺點也是十分明顯的，在進行推算出的時候會受到風場與噪音等因素的很大影響，推算出的結果會有很大的誤差。為應對該種情況，可以使用濾波技術解決，以提高推選結果的精確度。

根據(jù)風場對直升機飛行軌跡推算的影響，從而制定相應的直升機飛行軌跡的推算模型，由于直升機的運動不可能是線性的，所以根據(jù)其模型所使用的濾波技術就只能是非線性的濾波技術。擴展的卡爾曼濾波技術（EKF）是常用的濾波技術對鋁箔問題進行處理，但是其缺陷也十分明顯，線性化造成的誤差會對EKF的功能造成一定影響，會使其功能不夠穩(wěn)定。為克服這個問題，無跡卡爾曼濾波技術（UKF）應運而生，它不需要對線性化進行分析處理，便可以直接分析處理非線性的濾波。UKF使用Unscented技術進行數(shù)據(jù)之間的變換，能夠準確地得到所需要的準確的數(shù)據(jù)，比如三階矩均值或者協(xié)方差。經過實驗發(fā)現(xiàn)，直升機的非線性的飛行軌跡模型在UKF濾波器的作用下，風場噪聲的影響減少很多。并且UKF比EKF的推算的速率更高，準確度更高。

1.直升機的飛行軌跡模型的建立

機動目標模型主要有多項式模型、半馬爾柯夫模型、CV 模型 和CA模型等，如果直升機在特定的模式下導航飛行，那么可以將其看成是一種均速的運動，所以我們可以使用CV模型對其離散進行表達，表達式如下：

在地面的坐標系中，對風場噪聲的飛行軌跡進行進行濾波處理過程為：通過飛行軌跡推算法得到風場下的位置信號，對信號位置進行濾波處理，得到更加準確地位置信息。

在采用飛行軌跡推算法進行運算時，風場是影響導航工作的最大因素，所以在實際的應用之中要格外之意風對導航工作的影響。為了便于對該問題進行分析，可以在正常的風大小與風向的基礎上加白噪音來仿造實際的風，在模擬風場的條件下，結合cv的運動模型對直升機的導航狀態(tài)的方程為

X（k）=f（X（k-1））+W（k-1）。

2.UKF濾波器

Ukf濾波技術是Unscented的數(shù)據(jù)變換技術和線性的卡爾曼的濾波技術相結合而成的一種推算方法，但是計劃根據(jù)采樣點計算下一時刻的預測值和測量值。將Unscented數(shù)據(jù)的變換技術引入卡爾曼濾波器，通過σ采樣點 進行非線性變換，并通過變換樣本點的統(tǒng)計來估計隨機方向 非線性變換后量的均值和方差?？梢园凑找欢ǚ椒ǐ@得其估值與協(xié)方差。

UKF的濾波技術是一種新興的濾波推算法，該方法的計算基礎是UT變換方法，運用該方法得到的均值和協(xié)方差都是非線性的傳遞模式，之后進更深入的預測方程。UKF算法的基本方法將復雜的非線性的數(shù)據(jù)使用Talor進行分析，對分析之后的數(shù)據(jù)進行第一階段的線性分析處理，這樣做的目的是將模型推算的非線性數(shù)據(jù)轉換成計算機能夠進行計算的線性數(shù)據(jù)，之后對數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波技術的處理。UKF之所以運算的速度較快、所需運算量更并且運算的結果更準確的原因為UKF能夠對非線性的數(shù)據(jù)進行線性的分析處理，不需要矩陣的計算。

3.討論

直升機作為一種重要的飛行工具，在世界上的各個地點與各個領域均發(fā)揮著重要的作用。直升機已經成為了各個領域必不可少的工具。但是在空中的天氣條件復雜，特別是到達一定的高度之后，風對于直升機的飛行影響是很大的，不僅是風力的影響，風的流動產生的聲音也會對直升機的飛行產生影響。直升機的導航系統(tǒng)是其最重要的組成部分，是直升機在空中的領路者，風場對于導航的影響也是最明顯的。

本文建立了直升機的飛行軌跡的模型，并使用UKF技術對導航的位置數(shù)據(jù)進行濾波處理，能夠的到較為準確的直升機的飛行軌跡，是一種值得推廣與應用的方法。

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