一种飞行器所处风场的在线计算方法

技术领域

本发明属于飞行控制与飞行导航技术领域，涉及一种可对飞行器所处风场进行在线、高精度计算的方法。

背景技术

风场会直接改变飞行器受到的气动力和力矩，进而影响飞行器的飞行姿态和飞行轨迹。在飞行试验中，大气中的自然风始终存在，并对飞行器产生持续干扰，使飞行试验的测试结果产生偏差。对飞行器所处风场的精准测量是从测试结果中消除偏差的技术基础。

此外，风场的存在使飞行器地速与空速产生差异，进而影响航程等飞行性能。例如，当飞行器以同样的空速飞行时，若为顺风，则地速大于空速，使飞行器的航程加长；若为逆风，则地速小于空速，使飞行器的航程缩短。因而对飞行器所处风场的精确测量也是飞行导航中精确计算飞行性能的技术基础。

为了对飞行器所处风场进行测量，通常的做法是从地面释放探空气球，在气球上升过程中使用气球搭载的仪器对各个高度的风速、风向进行测量，作为这一时段内飞行器在该区域飞行的大气风场数据。这一方法能获得测量点当地的瞬时风场数据，但当飞行器距离测量点较远时，使用测量点处的风场数据作为飞行器当地的风场数据将会带来大的偏差。

为提升对飞行器所处风场的测量精度和实时性，需要通过机载传感器信号对飞行器当地的风场数据进行实时、高精度的在线构造。

发明内容

本发明的目的是：提供一种飞行器所处风场的在线计算方法，提高对飞行器所处风场测量的准确性。

本发明的技术方案是：

一种飞行器所处风场的在线计算方法，通过飞行器地速向量与空速向量的向量合成和投影分解构造飞行器所处风场的信息。

包括飞行器地速的体轴分量解算、飞行器空速的体轴分量解算、风场向量的体轴分量解算、风场向量的地面坐标系投影、风场向量的航迹坐标系投影。

飞行器地速的体轴分量解算，使用飞行器北向地速、东向地速和地向地速，通过飞行器俯仰角、滚转角、偏航角的坐标变换，获得飞行器地速向量在机体坐标系的三轴分量，包括地速纵轴分量、地速侧轴分量和地速竖轴分量。

飞行器空速的体轴分量解算，使用飞行器真空速，通过迎角和侧滑角的坐标变换，获得飞行器空速向量在机体坐标系的三轴分量，包括空速纵轴分量、空速侧轴分量和空速竖轴分量。

风场向量的体轴分量解算，使用权利要求3中求得的地速体轴分量和权利要求4中求得的空速体轴分量，通过向量合成获得飞行器所处风场向量在机体坐标系中的三轴分量，包括风场纵轴分量、风场侧轴分量和风场竖轴分量。

风场向量的地面坐标系投影，使用权利要求5中求得的风场向量的体轴分量，通过飞行器俯仰角、滚转角、偏航角的坐标变换获得风场向量在地面坐标系中的三轴分量，包括北向风速、东向风速、地向风速；

风场向量的航迹坐标系投影，使用权利要求6中求得的风场向量的地面坐标系投影，通过航迹偏角、航迹倾角的坐标变换获得风场向量在航迹坐标系中的三轴分量，包括前向风速、侧向风速和垂向风速。

飞行器北向地速、东向地速、地向地速、飞行器真空速、迎角、侧滑角、飞行器俯仰角、滚转角、偏航角、航迹偏角、航迹倾角都是通过机载系统数据测量获得。

本发明所产生的有益效果：本发明一种飞行器所处风场的在线计算方法，使用飞行器地速、空速、迎角、侧滑角等机载传感器信号构造风场向量，能够获得飞行器当地的实时风场信息，避免传统探空气球方法使用测量点风场代替飞机当地风场带来的测量偏差。同时，本发明中，飞行器地速的体轴分量解算、飞行器空速的体轴分量解算、风场向量的体轴分量解算等算法均基于严格的数学推导建立，无估计、模拟等近似的计算方法，构造出的风场向量与飞行器当地的真实风场信息相比具有较高的精度。此外，本发明中，所有算法均为代数方程，无微分方程，无需考虑方程的收敛性问题，同时能避免微分方程动力学解算带来的信号延迟问题。最后，构造飞行器当地风场使用的飞行器地速、姿态角信号通常由惯性导航设备产生，空速、迎角、侧滑角通常由大气数据系统产生，惯性导航设备和大气数据系统均为现代飞行控制系统的常用设备，对风场向量的构造通过软件和算法即可实现，无需增加额外的硬件设备，具有良好的经济性。综合以上特点，本发明能够为飞行器当地风场提供高精度、快动态、低成本的实时计算，有助于提升飞行测试的分析精度和飞行性能的计算精度，在航空、航天行业中有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对一种飞行器所处风场的在线计算方法做具体说明。

通过飞行器地速向量与空速向量的向量合成和投影分解构造飞行器所处风场的信息，如图1所示。具体包括：飞行器地速的体轴分量解算、飞行器空速的体轴分量解算、风场向量的体轴分量解算、风场向量的地面坐标系投影、风场向量的航迹坐标系投影。

(1)飞行器地速的体轴分量解算。使用飞行器北向地速、东向地速和地向地速构成飞行器相对于地面运动的速度(地速)向量，使用俯仰角、滚转角、偏航角表征飞行器相对于地面的姿态，通过俯仰角、滚转角、偏航角构造地面坐标系到飞行器机体坐标系的转换矩阵，通过转换矩阵与飞行器地速向量的矩阵乘法运算，获得飞行器地速在机体坐标系的三轴分量，包括地速纵轴分量、地速侧轴分量和地速竖轴分量。

(2)飞行器空速的体轴分量解算。使用飞行器真空速表征飞行器相对于大气运动的速度(空速)向量，使用迎角、侧滑角表征飞行器相对于大气来流的姿态，通过迎角、侧滑角构造空速坐标系到飞行器机体坐标系的转换矩阵，通过转化矩阵与飞行器空速向量的矩阵乘法运算，获得飞行器空速在机体坐标系的三轴分量，包括空速纵轴分量、空速侧轴分量和空速竖轴分量。

(3)风场向量的体轴分量解算。使用步骤(1)中求得的地速体轴分量和步骤(2)中求得的空速体轴分量，在机体坐标系内通过向量合成获得飞行器所处风场向量在机体坐标系中的三轴分量，包括风场纵轴分量、风场侧轴分量和风场竖轴分量。

(4)风场向量的地面坐标系投影。使用步骤(3)中求得的风场向量的体轴分量，通过俯仰角、滚转角、偏航角构造飞行器机体坐标系到地面坐标系的转换矩阵，通过转换矩阵与风场向量体轴分量的矩阵乘法运算，获得风场向量在地面坐标系的三轴分量，包括：北向风速、东向风速、地向风速。

(5)风场向量的航迹坐标系投影。使用步骤(4)中求得的风场向量的地面坐标系投影，通过航迹偏角、航迹倾角构造地面坐标系到航迹坐标系的转换矩阵，通过转换矩阵与风场向量地面坐标系分量的矩阵乘法运算，获得风场向量在航迹坐标系中的三轴分量，包括前向风速、侧向风速和垂向风速。

具体实现方式如下：

(1)飞行器地速的体轴分量解算

设飞行器相对于地面运动的北向速度为V

设飞行器相对于地面坐标系的俯仰角为θ、滚转角为φ、偏航角为ψ，则地面坐标系i到飞行器机体坐标系b的坐标变换矩阵为：

设飞行器地速在机体坐标系的纵轴分量为u，侧轴分量为v，竖轴分量为w，则地速在机体坐标系的三轴分量计算方法为：

(2)飞行器空速的体轴分量解算

设大气数据系统测得的飞行器真空速为V

设飞行器相对于大气来流的迎角为α、侧滑角为β，则空速坐标系a到飞行器机体坐标系b的坐标变换矩阵为：

设飞行器空速在机体坐标系的纵轴分量为u

(3)风场向量的体轴分量解算

设风场向量在机体坐标系的纵轴分量为u

(4)风场向量的地面坐标系投影

设飞行器相对于地面坐标系的俯仰角为θ、滚转角为φ、偏航角为ψ，则飞行器机体坐标系b到地面坐标系i的坐标变换矩阵为：

设风场向量在地面坐标系的三轴分量为：北向风速V

(5)风场向量的航迹坐标系投影

设飞行器地速向量相对于地面坐标系的航迹倾角为γ，航迹偏角为χ，则从地面坐标系i到飞行器航迹坐标系k的坐标变换矩阵为：

设风场向量在航迹坐标系的前向分量为V