Estimation of orientation of an aircraft using position data only

Abstract

This report introduces a method for estimation of an aircraft’s orientation on the basis of measurements of its position only. Typical sources for the position data is global navigation satellite systems or radar measurements. The orientation estimation is based on certain assumptions regarding the aircraft’s maneuvering, mainly coordinated flight, constant wind and partly constant true airspeed. For heading estimation, the method involves estimation of the winds aloft to compensate for aircraft crab in the horizontal plane. The proposed method is described mathematically, followed by an example of application on GPS data from 30 minutes of flight of a C-130J aircraft. In the example, the difference between the estimations and reference measurements for all axes had a standard deviation of around one degree or less. The method does not account for angle of attack, which reduces accuracy of the pitch estimates in general and the heading estimates during maneuvering. Roll estimates and heading estimates when flying straight are not significantly affected.

Denne rapporten introduserer en metode for å bedømme et flys orientering, med utgangspunkt i posisjonsmålinger alene. Typiske kilder for disse posisjonsmålingene kan være satellittnavigasjon eller radar. Estimeringen baserer seg på definerte forutsetninger, hovedsakelig koordinert flygning, konstant vind og delvis konstant flyhastighet. Den foreslåtte metoden inkluderer estimering av høydevinden rundt flyet, og kompenserer for denne når retningen i horisontalplanet skal bedømmes. Rapporten inneholder først en matematisk beskrivelse av metoden. Deretter følger et eksempel på praktisk bruk. Eksempelet viser orienteringsbedømming for et fly av typen C-130J, basert på posisjonsdata fra satellittnavigasjon. I eksempelet blir orienteringsestimatet sammenlignet med en referansemåling. Forskjellen er liten. Skillet mellom estimatet og referansemålingen for alle tre aksene viser et standardavvik på rundt en grad eller mindre. Metoden tar ikke hensyns til flyets angrepsvinkel. Dette reduserer estimatets nøyaktighet for pitch generelt, og for yaw under manøvrering. Estimatet av roll-vinkelen generelt, og retning når flyet ikke manøvrerer, blir ikke påvirket nevneverdig av dette.