● 摘要
无人机具有重量轻、尺寸小、机动性高和适应性强等优点，在民用和军用领域受到广泛关注。编队飞行是指多个无人机基于相对位置、相对速度等相对状态信息进行队形排列、任务分配的组织模式。编队飞行可以协调多架作战飞机之间的攻击行为，使得作战资源得以合理运用，获得较高的作战效能，是未来无人机技术发展的一个重要趋势。本文为了满足高空长航时无人机编队飞行的精度和可靠性等性能指标要求, 设计INS/GPS/RF组合相对导航系统，既具有很好的实时性，又具有一定的容错能力，在此基础上，再设计控制器保持编队飞行稳定有效。研究内容包括： 首先，研究了捷联惯导的误差补偿技术。说明了误差补偿的实施方案，通过系统可观性分析，推导得出适用的在线标定轨迹，之后通过误差补偿算法提高捷联惯导的精度。其次，研究了INS/GPS/RF相对导航系统的构建及性能评估。包括：1）相对导航系统模型建立，分别建立全维和降维状态模型及相对运动模型；2）滤波器设计，包括时间延迟补偿方法、滤波器结构设计和滤波算法实现；3）相对导航系统效果评价，分别对比不同建模方法和滤波算法的误差情况和滤波时间，最后利用统计分析的方法，来评价滤波器的稳定性和适应性。然后，设计了编队飞行的PID控制器。通过考虑紧密编队飞行下无人机间的涡流效应影响，并分析引导机控制系统及跟随机控制系统各自的特点，建立了无人机紧密编队飞行时的数学模型，之后设计三通道的PID控制器，采用分布式控制的方法实现多机保持编队飞行。最后，完成了无人机编队飞行系统仿真。基于三机编队飞行的情况，针对无人机的捷联惯导系统一般采用低成本/低精度的陀螺、加速度计的特点，先通过误差补偿技术提高捷联惯导的绝对导航精度，再通过相对导航系统得到编队中两机的实时相对状态信息，最后根据所设计的编队飞行控制器实现编队飞行的任务。