[發明專利]基于BP神經網絡的大攻角飛行狀態下大氣數據測量方法

無效

• 申請號: 201210042772.2
• 申請日: 2012-02-24
• 公開（公告）號: CN102607639A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 李榮冰;馬航帥;劉建業;雷廷萬;郭毅;曾慶化;陸辰;李素娟
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01D21/00
• 分類號: G01D21/00;G06N3/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明涉及一種大氣數據測量方法，尤其涉及一種基于BP神經網絡的大攻角飛行狀態下大氣數據測量方法，用于飛行器在大攻角飛行狀態下的大氣數據測量。

背景技術

大氣數據是飛行器的重要飛行參數，大氣數據的精度和測量范圍直接關系到飛行器的自動控制系統、導航系統、火控系統、飛行管理系統以及座艙儀表顯示/警告系統的正常工作及性能發揮。隨著新一代飛機的發展，大氣數據的測量面臨著新的問題與挑戰。世界各國都把飛機的機動性、敏捷性列為設計中的重要戰術技術指標。戰斗機的瞬時高機動、高敏捷主要是通過大攻角飛行來實現的，大攻角飛行特性已成為現代戰斗機發揮戰斗使用潛能的主要技術基礎保證。然而在大攻角飛行時，飛機機體表面氣流容易發生分離，飛機處于復雜的非線性不對稱漩渦氣流中，利用傳統的空速管式大氣數據系統難以實現大氣數據的有效測量，嚴重制約了新一代飛機性能發揮。另外，突出的傳感器測量裝置勢必會降低飛機的隱身性，因此解決新一代飛機大氣數據測量問題顯得尤為重要。

針對這一問題，目前國內外通過研究嵌入式大氣數據系統和光學式大氣數據系統的方法實現大攻角下大氣數據的測量，但是這種研究新型大氣數據系統的方法技術難度大、校準和維護費用代價較高；另外，國外也提出了一種基于飛行動力學模型，利用慣性導航系統、飛行控制系統、大氣數據系統輸出數據進行攻角和側滑角的估計方法，由于該方法需要精確的飛行動力學模型，然而準確的飛行動力學模型在實際應用中難以建立，并且該方法只能對攻角和側滑角進行估計，不能實現其他大氣數據的估計。

大氣數據與大氣特性、飛行狀態、飛行控制量以及機體物理結構之間存在復雜的非線性的函數關系。人工神經網絡具有良好的非線性映射能力，不需要建立復雜的函數模型，只要有足夠的樣本數據和網絡神經元，通過構建合適的網絡結構，就可以建立起輸入與輸出之間的對應關系，從而實現對復雜非線性函數的逼近。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種基于BP神經網絡的大攻角飛行狀態下大氣數據測量方法，利用機載慣性導航系統、衛星定位系統、飛行控制系統，通過BP神經網絡實現大攻角飛行狀態下大氣數據的精確估計。

本發明的基于BP神經網絡的大攻角飛行狀態下大氣數據測量方法，包括以下步驟：

步驟1、在大攻角飛行狀態下采集一段時間內慣性導航系統、衛星定位系統、飛行控制系統以及大氣數據系統的輸出數據，并對其進行歸一化；

步驟2、建立BP神經網絡，并以歸一化后的慣性導航系統、衛星定位系統、飛行控制系統的輸出數據作為BP神經網絡的訓練和測試輸入樣本，以歸一化后的大氣數據系統的輸出數據作為BP神經網絡的訓練和測試輸出樣本，對BP神經網絡進行訓練、測試；

步驟3、在大攻角飛行狀態下采集當前時刻慣性導航系統、衛星定位系統、飛行控制系統的輸出數據，對其進行歸一化后輸入訓練好的BP神經網絡，將BP神經網絡的輸出數據進行反歸一化處理，即得到當前時刻的大氣數據。

?????優選地，所述慣性導航系統的輸出數據包括三個姿態角、三個姿態角速度和三個線加速度信息，三個姿態角信息分別為俯仰角???????????????????????????????????????????????、橫滾角、偏航角；三個姿態角速度信息分別為機體坐標系下軸、軸和軸方向的橫滾角速度、俯仰角速度、偏航角速度；三個線加速度信息分別為機體坐標系下軸方向的線加速度、軸方向的線加速度、軸方向的線加速度，其中機體坐標系的軸、軸和軸的指向分別為向右、向前、向上；所述衛星定位系統的輸出數據包括地理坐標系下的三維速度和飛行高度，地理坐標系方向定義為東、北、天，此三個方向的地速分別為，飛行高度為；所述飛行控制系統的輸出數據包括升降舵偏轉角、方向舵偏轉角、副翼偏轉角以及油門大小；所述大氣數據系統的輸出數據包括攻角、側滑角、真空速、馬赫數、指示空速、氣壓高度、升降速度。

?????優選地，所述BP神經網絡為一個輸入層、一個隱含層和一個輸出層的三層網絡；所述輸入層有17個神經元，分別對應俯仰角、橫滾角、偏航角、橫滾角速度、俯仰角速度、偏航角速度、機體坐標系的軸方向的線加速度、機體坐標系的軸方向的線加速度、機體坐標系的軸方向的線加速度、東向速度、北向速度、天向速度、飛行高度為、升降舵偏轉角、方向舵偏轉角、副翼偏轉角以及油門大小；隱含層有20個神經元；輸出層有7個神經元，分別為攻角、側滑角、真空速、馬赫數、指示空速、氣壓高度、升降速度。

優選地，所述BP神經網絡隱含層神經元和輸出層神經元的傳遞函數都采用雙曲正切S型函數。