CN112035945A - 一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，根据历史飞行数据中的纬度序列B，单位：度、经度序列L，单位：度、高度序列H，单位：米、侧滑角β序列，单位：度、迎角序列α，单位：度、飞机滚转角序列φ，单位：度、飞机俯仰角序列θ，单位：度和飞机航向角序列ψ，单位：度计算在地面坐标系下航迹带的边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)；然后根据边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)计算航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)和航迹带反面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)，最后完成三维飞行剖面设计。本发明通过上述操作实现了三维飞行剖面更加精准的设计。

Description

一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法

技术领域

本发明属于飞机飞行任务设计技术领域，具体地说，涉及一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法。

背景技术

飞行剖面是为完成某一特定的飞行任务而绘制的飞机航迹图形，是形象地表达飞行任务的一种形式。飞行剖面以飞机起飞基地为原点，由起飞、爬升、巡航、机动、下滑和着陆等若干个飞行阶段组成。飞行剖面有二维和三维两种形式。二维飞行剖面，由线条绘制而成，由于线条除了反映航迹以外所能承载的信息有限，二维飞行剖面在表达飞行任务要求和特点时更多地依靠注释信息；此外，由于缺乏第三维信息，二维飞行剖面需要结合垂直飞行剖面和水平飞行剖面才能完整地反映飞行航迹。三维飞行剖面，由航迹带绘制而成，航迹带既能反映航迹又能表达飞行姿态，可以大为简化表达飞行任务要求和特点所需的注释信息。

现有技术的技术方案是：在三维飞行剖面的参数化设计方法中，三维飞行航迹被分解为数种航迹带单元，航迹带由4条空间曲线组成，空间曲线由航迹带单元中的几何属性参数确定。

而现有技术存在以下缺点：三维飞行剖面的参数化设计是飞行任务的正向设计，缺乏对于飞行任务实际执行情况的可视化验证；在三维飞行剖面的参数化设计方法中，倒转航迹是由位于垂直平面内的正圆或椭圆来表达的，这是一种较为理想的飞行航迹，实际执行过程中，飞机的倒转航迹，如斤斗，并不是完美的正圆或椭圆，因此，现存技术的可执行性有待提高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述背景技术的缺点，提供一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，根据历史飞行数据中飞机的位置参数(纬度、经度和GPS高度)和飞机姿态参数(滚转、俯仰、航向、迎角和侧滑角)，计算航迹带的4条空间曲线坐标，从而完成基于飞行数据的三维飞行剖面设计；本发明实现了更加精准地三维飞行剖面的设计。

本发明提出了一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，根据历史飞行数据中的纬度序列B，单位：度、经度序列L，单位：度、高度序列H，单位：米、侧滑角β序列，单位：度、迎角序列α，单位：度、飞机滚转角序列φ，单位：度、飞机俯仰角序列θ，单位：度和飞机航向角序列ψ，单位：度计算在地面坐标系下航迹带的边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)；然后根据边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)计算航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)和航迹带反面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)，最后完成三维飞行剖面设计。

为了更好地实现本发明，进一步地，在具体的操作过程中，首先设定航迹带宽度b单位：米、航迹带厚度h单位：米；

然后以(B₀,L₀,H₀)为坐标原点，建立大地坐标系，所述大地坐标系的x轴指向东方，y轴指向南方，z轴指向地心；

最后根据(B_j,L_j,H_j)计算第t_j时刻飞机所在位置在大地坐标系中的坐标(x_j，y_j，z_j)；

需要注意的是纬度序列B、经度序列L、高度序列H、侧滑角β序列、迎角序列α、飞机滚转角序列φ、飞机俯仰角序列θ和飞机航向角序列ψ计、边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)均按时间正序排列，为便于叙述，以下标j(j＝0,1,2,3，…)表示各参数在第t_j时刻的值，即B_j、L_j、H_j、β_j、α_j、φ_j、θ_j、ψ_j、(X_1j，Y₁j_，Z_1j)、(X_2j，Y_2j，Z_2j)、(X_3j，Y_3j，Z_3j)和(X_4j，Y_4j，Z_4j)分别表示在t_j时刻的纬度、经度、高度、侧滑角、迎角、飞机滚转角、飞机俯仰角、飞机航向角、边线1的三维坐标、边线2的三维坐标、边线3的三维坐标、边线4的三维坐标。

为了更好地实现本发明，进一步地，在计算了第t_j时刻飞机所在位置在大地坐标系中的坐标(x_j，y_j，z_j)后，为第t_j时刻的边线1的坐标(X_1j，Y_1j，Z_1j)、边线2的坐标(X_2j，Y_2j，Z_2j)、边线3的坐标(X_3j，Y_3j，Z_3j)、边线4的坐标(X_4j，Y_4j，Z_4j)赋初值，并分别记为坐标初值(A_X_1j，A_Y_1j，A_Z_1j)、坐标初值(A_X_2j，A_Y_2j，A_Z_2j)、坐标初值(A_X_3j，A_Y_3j，A_Z_3j)、坐标初值(A_X_4j，A_Y_4j，A_Z_4j)，具体赋初值的公式如下：

其中i表示边线1、边线2、边线3、边线4的编号，j代表时刻t_j，b为航迹带宽度，h为航迹带厚度。

为了更好地实现本发明，进一步地，在赋初值以后，进一步地，根据第t_j时刻的侧滑角β_j、迎角α_j、飞机滚转角φ_j、飞机俯仰角θ_j、飞机航向角ψ_j，对坐标初值(A_X_1j，A_Y_1j，A_Z_1j)、坐标初值(A_X_2j，A_Y_2j，A_Z_2j)、坐标初值(A_X_3j，A_Y_3j，A_Z_3j)、坐标初值(A_X_4j，A_Y_4j，A_Z_4j)进行旋转变换，并将变换结果记为坐标旋转值(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、坐标旋转值(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、坐标旋转值(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、坐标旋转值(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)，具体的旋转变换公式如下：

公式(2)中，，r1、r2、r3、r4、r5为旋转矩阵，具体定义如下：

为了更好地实现本发明，进一步地，在计算得到边线1-边线4的坐标旋转值(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、坐标旋转值(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、坐标旋转值(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、坐标旋转值(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)后，根据坐标(x_j，y_j，z_j)，对坐标旋转值(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、坐标旋转值(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、坐标旋转值(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、坐标旋转值(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)进行平移变换得到在第t_j时刻时，边线1的坐标(X_1j，Y_1j，Z_1j)、边线2的坐标(X_2j，Y_2j，Z_2j)、边线3的坐标(X_3j，Y_3j，Z_3j)、边线4的坐标(X_4j，Y_4j，Z_4j)，具体的平移变换的公式为：

其中，i表示边线1、边线2、边线3、边线4的编号，j代表时刻t_j。

为了更好地实现本发明，进一步地，根据边线3的坐标(X_3j，Y_3j，Z_3j)、边线4的坐标(X_4j，Y_4j，Z_4j)计算航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)，根据(X_1j，Y_1j，Z_1j)、(X_2j，Y_2j，Z_2j)计算航迹带背面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)；

最后根据边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线1的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线1的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线1的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)、航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)和航迹带背面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)在大地坐标系中绘图，完成基于飞行数据的三维飞行剖面设计。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

对飞机的三维飞行剖面的设计更加精准。

附图说明

图1为本发明最后实现的三维飞行剖面设计的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例提出了一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，以一段盘旋上升飞行数据为例，该段飞行数据共持续约52.68s，采样率为100次/秒，共有5268个时刻的数据，部分数据见表1，现在介绍运用本发明所提供的设计方法进行三维飞行剖面设计的过程：

表1实施例1飞行数据(部分)

S1)设定航迹带宽度b＝100米和航迹带厚度h＝1米；

S2)以(B₀,L₀,H₀)为坐标原点，建立大地坐标系，其x轴指向东方，y轴指向南方，z轴指向地心。因此，(B₀,L₀,H₀)在大地坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)＝(0，0，0)。

根据(B_j,L_j,H_j)计算第t_j时刻飞机所在位置在大地坐标系中的坐标(x_j，y_j，z_j),步骤如下：

S21)计算(B_j,L_j,H_j)在球心坐标系下的坐标(a，b，c)；

S22)根据B_j、L_j对(a，b，c)进行旋转变换，得到(x_j，y_j，z_j)

式(1)中，R1、R2为旋转矩阵，具体定义如下

S3)为(X_1j，Y_1j，Z_1j)、(X_2j，Y_2j，Z_2j)、(X_3j，Y_3j，Z_3j)、(X_4j，Y_4j，Z_4j)赋初值，并记为(A_X_1j，A_Y_1j，A_Z_1j)、(A_X_2j，A_Y_2j，A_Z_2j)、(A_X_3j，A_Y_3j，A_Z_3j)、(A_X_4j，A_Y_4j，A_Z_4j)，公式如下：

S4)根据β_j、α_j、φ_j、θ_j、ψ_j，对(A_X_1j，A_Y_1j，A_Z_1j)、(A_X_2j，A_Y_2j，A_Z_2j)、(A_X_3j，A_Y_3j，A_Z_3j)、(A_X_4j，A_Y_4j，A_Z_4j)进行旋转变换，并将变换结果记为(B_X_ij，B_Y_1j，B_Z_1j)、(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)，公式如下：

式(5)中，r1、r2、r3、r4、r5为旋转矩阵，具体定义如下

S5)根据(x_j，y_j，z_j)，对(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)进行平移变换，公式如下：

根据上述步骤得到的计算结果(部分)见表2

表2实施例1三维试飞剖面数据(部分)

S6)根据(X_3j，Y_3j，Z_3j)、(X_4j，Y_4j，Z_4j)计算(X_f，Y_f，Z_f)，根据(X_1j，Y_1j，Z_1j)、(X_2j，Y_2j，Z_2j)计算(X_b，Y_b，Z_b)，公式如下：

根据(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)、(X₃，Y₃，Z₃)、(X₄，Y₄，Z₄)、(X_f，Y_f，Z_f)和(X_b，Y_b，Z_b)在大地坐标系中绘图，如附图1所示，即完成基于飞行数据的三维飞行剖面设计。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，其特征在于，根据历史飞行数据中的纬度序列B，单位：度、经度序列L，单位：度、高度序列H，单位：米、侧滑角β序列，单位：度、迎角序列α，单位：度、飞机滚转角序列φ，单位：度、飞机俯仰角序列θ，单位：度和飞机航向角序列ψ，单位：度计算在地面坐标系下航迹带的边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)；然后根据边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)计算航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)和航迹带反面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)，最后完成三维飞行剖面设计。

2.如权利要求1所述的一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，其特征在于，在具体的操作过程中，首先设定航迹带宽度b单位：米、航迹带厚度h单位：米；

然后以(B₀，L₀，H₀)为坐标原点，建立大地坐标系，所述大地坐标系的x轴指向东方，y轴指向南方，z轴指向地心；

最后根据(B_j，L_j，H_j)计算第t_j时刻飞机所在位置在大地坐标系中的坐标(x_j，y_j，z_j)；

需要注意的是纬度序列B、经度序列L、高度序列H、侧滑角β序列、迎角序列α、飞机滚转角序列φ、飞机俯仰角序列θ和飞机航向角序列ψ计、边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线2的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线3的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线4的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)均按时间正序排列，为便于叙述，以下标j(j＝0，1，2，3，...)表示各参数在第t_j时刻的值，即B_j、L_j、H_j、β_j、α_j、φ_j、θ_j、ψ_j、(X_1j，Y_1j，Z_1j)、(X_2j，Y_2j，Z_2j)、(X_3j，Y_3j，Z_3j)和(X_4j，Y_4j，Z_4j)分别表示在t_j时刻的纬度、经度、高度、侧滑角、迎角、飞机滚转角、飞机俯仰角、飞机航向角、边线1的三维坐标、边线2的三维坐标、边线3的三维坐标、边线4的三维坐标。

3.如权利要求2所述的一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，其特征在于，在计算了第t_j时刻飞机所在位置在大地坐标系中的坐标(x_j，y_j，z_j)后，为第t_j时刻的边线1的坐标(X_1j，Y_1j，Z_1j)、边线2的坐标(X_2j，Y_2j，Z_2j)、边线3的坐标(X_3j，Y_3j，Z_3j)、边线4的坐标(X_4j，Y_4j，Z_4j)赋初值，并分别记为坐标初值(A_X_1j，A_Y_1j，A_Z_1j)、坐标初值(A_X_2j，A_Y_2j，A_Z_2j)、坐标初值(A_X_3j，A_Y_3j，A_Z_3j)、坐标初值(A_X_4j，A_Y_4j，A_Z_4j)，具体赋初值的公式如下：

其中i表示边线1、边线2、边线3、边线4的编号，j代表时刻t_j，b为航迹带宽度，h为航迹带厚度。

4.如权利要求3所述的一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，其特征在于，在赋初值以后，进一步地，根据第t_j时刻的侧滑角β_j、迎角α_j、飞机滚转角φ_j、飞机俯仰角θ_j、飞机航向角ψ_j，对坐标初值(A_X_1j，A_Y_1j，A_Z_1j)、坐标初值(A_X_2j，A_Y_2j，A_Z_2j)、坐标初值(A_X_3j，A_Y_3j，A_Z_3j)、坐标初值(A_X_4j，A_Y_4j，A_Z_4j)进行旋转变换，并将变换结果记为坐标旋转值(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、坐标旋转值(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、坐标旋转值(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、坐标旋转值(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)，具体的旋转变换公式如下：

公式(2)中，，r1、r2、r3、r4、r5为旋转矩阵，具体定义如下：

5.如权利要求4所述的一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，其特征在于，在计算得到边线1-边线4的坐标旋转值(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、坐标旋转值(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、坐标旋转值(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、坐标旋转值(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)后，根据坐标(x_j，y_j，z_j)，对坐标旋转值(B_X_1j，B_Y_1j，B_Z_1j)、坐标旋转值(B_X_2j，B_Y_2j，B_Z_2j)、坐标旋转值(B_X_3j，B_Y_3j，B_Z_3j)、坐标旋转值(B_X_4j，B_Y_4j，B_Z_4j)进行平移变换得到在第t_j时刻时，边线1的坐标(X_1j，Y_1j，Z_1j)、边线2的坐标(X_2j，Y_2j，Z_2j)、边线3的坐标(X_3j，Y_3j，Z_3j)、边线4的坐标(X_4j，Y_4j，Z_4j)，具体的平移变换的公式为：

其中，i表示边线1、边线2、边线3、边线4的编号，j代表时刻t_j。

6.如权利要求5所述的一种基于飞行数据的三维飞行剖面设计方法，其特征在于，根据边线3的坐标(X_3j，Y_3j，Z_3j)、边线4的坐标(X_4j，Y_4j，Z_4j)计算航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)，根据(X_1j，Y_1j，Z_1j)、(X_2j，Y_2j，Z_2j)计算航迹带背面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)；

最后根据边线1的三维坐标(X₁，Y₁，Z₁)、边线1的三维坐标(X₂，Y₂，Z₂)、边线1的三维坐标(X₃，Y₃，Z₃)、边线1的三维坐标(X₄，Y₄，Z₄)、航迹带正面的三维坐标(X_f，Y_f，Z_f)和航迹带背面的三维坐标(X_b，Y_b，Z_b)在大地坐标系中绘图，完成基于飞行数据的三维飞行剖面设计。

Images