飞机飞行状态估计与飞行品质评估研究
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摘要
将协方差平方根滤波中的Choleskey分解滤波、U-D分解滤波和奇异值分解(SVD)滤波与非线性滤波之推广卡尔曼滤波及单步迭代滤波相结合，给出了基于上述三种矩阵分解的推广卡尔曼滤波及单步迭代滤波算法共计6种，改善了两种非线性滤波算法的数值稳定性，其中基于SVD分解的单步迭代滤波算法是新颖的；以飞机全量运动方程组为数学模型，将滤波算法应用于飞机的飞行状态估计问题，获得了满意的仿真结果。
研究了求取高增稳飞机的低阶等效系统的几种方法：研究了经典的频域等效系统方法，针对纵向5种、横向14种构型的低阶等效系统进行了拟配实践，并提出一些有益的看法；以频域等效系统方法为基础，提出了时域等效系统新方法；以最小二乘辨识为基础，提出了两种纵向短周期低阶等效系统时域辨识方法(等效延迟时间τ_q参与或不参与)。时域等效系统方法和两种时域辨识方法可以作为频域等效系统方法的补充。
编制了飞行品质评估软件包。该软件包可以用频域等效系统方法、时域等效系统方法、带宽准则、闭环准则、俯仰角速率准则、C准则等进行飞行品质的计算及评估，对飞控系统设计有实用价值。
In this paper, six improved kalman filters are studied and used in flight state estimation. These improved kalman filters are the incorporations of three covariance square root filters and two nonlinear filters. Concretely speaking, we get Extended Kalman Filter (EKF) and the Single Step Iterative Filter (SSIF) based on Choleskey decomposition (CD), U-D decomposition (UDD) or Singular value decomposition (SVD). The SVD-based SSIF is the novel filter among them. All of them have good numerical robustness and can handle correlated measurement noise. The simulation results show that they can finely satisfy the engineering requests.
Three classes of equivalent system methods (ESM) which are used in finding high order flight control system's low order equivalent are studied. The first class methods are the classical frequency domain-based equivalent system methods (F-ESM) which recommended by MIL-F-8785C and MIL-STD-1797A. Five longitudinal low order equivalent systems and fourteen lateral ones are discussed in detail and some pieces of advice are given. Also conduct an investigation in the time domain-based equivalent system methods (T-ESM) .And for longitude short period movement, two least square (LS) identification methods of estimating its parameters are studied.
The software about evaluating flying quality is introduced. It includes ESM and T-ESM and some flying quality evaluating laws such as the bandwidth law (BWL), the Neal-Smith law (NSL), the Chalk law (CL) and the C* law. This software is useful for the design of flight control systems.
研究了求取高增稳飞机的低阶等效系统的几种方法：研究了经典的频域等效系统方法，针对纵向5种、横向14种构型的低阶等效系统进行了拟配实践，并提出一些有益的看法；以频域等效系统方法为基础，提出了时域等效系统新方法；以最小二乘辨识为基础，提出了两种纵向短周期低阶等效系统时域辨识方法(等效延迟时间τ_q参与或不参与)。时域等效系统方法和两种时域辨识方法可以作为频域等效系统方法的补充。
编制了飞行品质评估软件包。该软件包可以用频域等效系统方法、时域等效系统方法、带宽准则、闭环准则、俯仰角速率准则、C准则等进行飞行品质的计算及评估，对飞控系统设计有实用价值。
In this paper, six improved kalman filters are studied and used in flight state estimation. These improved kalman filters are the incorporations of three covariance square root filters and two nonlinear filters. Concretely speaking, we get Extended Kalman Filter (EKF) and the Single Step Iterative Filter (SSIF) based on Choleskey decomposition (CD), U-D decomposition (UDD) or Singular value decomposition (SVD). The SVD-based SSIF is the novel filter among them. All of them have good numerical robustness and can handle correlated measurement noise. The simulation results show that they can finely satisfy the engineering requests.
Three classes of equivalent system methods (ESM) which are used in finding high order flight control system's low order equivalent are studied. The first class methods are the classical frequency domain-based equivalent system methods (F-ESM) which recommended by MIL-F-8785C and MIL-STD-1797A. Five longitudinal low order equivalent systems and fourteen lateral ones are discussed in detail and some pieces of advice are given. Also conduct an investigation in the time domain-based equivalent system methods (T-ESM) .And for longitude short period movement, two least square (LS) identification methods of estimating its parameters are studied.
The software about evaluating flying quality is introduced. It includes ESM and T-ESM and some flying quality evaluating laws such as the bandwidth law (BWL), the Neal-Smith law (NSL), the Chalk law (CL) and the C* law. This software is useful for the design of flight control systems.
引文
[3] 秦永元、张洪钺、汪淑华，《卡尔曼滤波与组合导航原理》，西安：西北工业大学出版社，1998。
[4] 贾沛璋、朱征桃，《最优估计及其应用》，北京：科学出版社，1984。
[5] C.L. Thornton and G.J. Bierman, Filtering and Error Analysis via the UDU~T Covariance Factorization. IEEE Transactions On Automatic Control, 1978, 0018-9826/78/1000-0901～0907,
[6] Liang Wang, Kalman Filtering Algorithm Based On Singular Value Decomposition, IEEE Proceedings of the 31st Conference On Decision and Control, 1992, CH3229-2/92/0000-1224
[7] Yaakov Oshman, Square Root Information Filtering Using the Covariance Spectral Decomposition, IEEE Proceedings of the Conference On Decision and Control, 1988, 88CH2531-2/88/0000-0382
[8] G.J. Bierman, Efficient Time Propagation of U-D Covariance Factors, IEEE Transactions On Automatic Control, August 1981, Vol. AC-26 No. 4。
[9] Atireza, Robust Adaptive Kalman Filtering With Unknown Inputs. IEEE Trasactions On Acoustic, Speech and Signal Processing, August,1989, Vol. 37, No. 8。
[10] Randall E. Bailey and Timothy J. Bidlack, Unified Pilot-Induced Oscillation Theory Volume Ⅳ: Time-Domain Neal-Smith Criterion, Flight Dynamics Directorate Wright Laboratory, 1995, WL-TR-96-3031。
[11] 周荻、胡振坤、胡恒章，自适应推广Kalman滤波应用于导弹的被动制导问题，宇航学报，Oct，1997，Vol．18，No．4。
[12] 高磊、严卫生、任章、徐德民，改进型自适应推广卡尔曼滤波器的应用，火力与指挥控制，2000，Vol．25，No．3，13～16。
[13] 胡峰、孙国基，Kalman滤波的抗野值修正，自动化学报，Sept．1999，Vol．25，No．5，692～696。
[14] 阙向东、张建灵、安锦文，基于奇异值分解单步迭代滤波算法的应用，弹箭与制导学报，2003，Vol．23，No．4，65～68。
[15] 周凤歧、强文鑫、阙志宏，《现代控制理论及其应用》，电子科技大学出版社，1994。
[16] 阙志宏，《线性系统理论》，西北工业大学出版社，1994。
[17] 周雪芹、安锦文，《计算机控制系统》，西北工业大学出版社，1998。
[18] 史忠科，《最优估计的计算方法》，科学出版社，2001。
[19] 李乃宏，飞行实测数据相容性检验的三步法，宇航学报，1993，Vol．4，，49～55。
[20] 蔡宣三，《最优化与最优控制》，清华大学出版社，1982。
[21] 邓乃扬，《无约束最优计算方法》，科学出版社，1991。
[22] 邓建华、尤德春、艾剑良、张骏星，军用飞机状态估计与参数辨识软件包研制，航空学报，Apr．1993，Vol．14．No．4．，B133～B138。
[23] 何值岱、高浩，《高等飞行动力学》，西北工业大学出版社，1990。
[24] 《军用规范—有人驾驶飞机的飞行品质》(MIL-F-8785C)，飞行力学编辑部，1982。
[25] 《军用规范—有人驾驶飞机的飞行品质》(MIL-F一8785B(ASG))的背景资料和使用指南，国外航空编辑部，1982。
[26] 高金源、李陆豫、冯亚昌，《飞机飞行品质》，国防工业出版社，2003。
[27] 文传源，《现代飞行控制系统》，北京航空航天大学出版社，1992。
[28] 张明廉，《飞行控制系统》，航空工业出版社，1994。
[29] 陈桂孙、方振平，俯仰轴飞行品质时域准则计算和模拟，飞行力学，2003，Vol．21，No．3．14～17。
[30] 高浩，应用等效系统方法评价飞行品质，飞行力学，1992，Vol．10，No．2，85-91。
[31] 谭文倩、张曙光，飞机横航向等效拟配模型的对比研究，飞行力学，2003，Vol．21，No．4．14～18。
[32] 董庚寿、韦克家，飞机飞行品质规范的新进展，飞行力学，2000，Vol．18，No．2，10～14。
[33] 李响、李为吉，一种实现品质参数实时辨识的实用方法，飞行力学，2001，Vol．19，No．2，9～11。
[34] 梁峰、张林昌，飞机等效系统的在线辨识及其微机实现，航空学报，1987，Vol．8．No．5，A296～A301。
[35] 梁峰、张林昌、李春锦，评定飞行品质的等效系统法，航空学报，1988，Vol．9 No．11．A581～A585。
[36] 全昌业，时域中低阶等效系统方法及其应用，飞行力学，1995，Vol．13，No．4，47～55。
[37] 张翔伦、许洲、王晓辉，短周期运动飞行品质的几种判据，飞行力学，1998，Vol．16，No．1，7～12。
[38] 杨亚军、张红林、李言俊、邓建华，飞机纵向高阶等效系统品质参数辨识研究，飞行力学，1998，Vol．16，No．3，51～55。
[39] 张曙光、李雪峰、孙金标，横航向飞行品质对参数的灵敏度分析，飞行力学，2000，Vol．18，No．2，19～22。
[4] 贾沛璋、朱征桃，《最优估计及其应用》，北京：科学出版社，1984。
[5] C.L. Thornton and G.J. Bierman, Filtering and Error Analysis via the UDU~T Covariance Factorization. IEEE Transactions On Automatic Control, 1978, 0018-9826/78/1000-0901～0907,
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[10] Randall E. Bailey and Timothy J. Bidlack, Unified Pilot-Induced Oscillation Theory Volume Ⅳ: Time-Domain Neal-Smith Criterion, Flight Dynamics Directorate Wright Laboratory, 1995, WL-TR-96-3031。
[11] 周荻、胡振坤、胡恒章，自适应推广Kalman滤波应用于导弹的被动制导问题，宇航学报，Oct，1997，Vol．18，No．4。
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