CN102565451A - 通用飞机航行风向、风速的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对通用飞机，利用通用飞机现有导航设备的资源，提出一种有效的通用飞机航行风向、风速的测算方法。该通用飞机航行风向、风速的测算方法，包括以下步骤：通用飞机上的GPS接收机输出地速GS、航迹角TRK，捷联航姿系统输出磁航向HDG、飞机俯仰角θ，大气数据计算机输出真空速TAS；综合处理机依次进行一下计算DA＝TRK-HDG，

WD＝TRK+WA，

最终测算得到风向WD和风速WS。本发明代替了传统的风向风速计，不必借助惯导等昂贵导航设备进行测算；为通用飞机提供了一种低成本、通用化的导航技术，方便了风速、风向等信息的综合显示。

Description

通用飞机航行风向、风速的测算方法

技术领域

本发明涉及一种飞机航行风向、风速的测算方法，尤其涉及通用飞机的航行风向、风速的测算方法。

背景技术

飞行中随着飞行时间、地区和高度的改变，空中风经常发生变化，将引起偏流、地速的改变。为了准确推算应飞航向、预达时刻和飞机位置，必须求出空中的实际风向风速，以便飞行员及时、准确地修正风的影响。通常大型运输类飞机安装有惯性导航系统，可以自动解算出风向风速信息。而通用飞机考虑到成本的因素，不会设计安装价格昂贵的惯性导航系统，而是采用一些性价比较高的组合导航方式。

发明内容

本发明针对通用飞机，为克服背景技术存在的缺陷，在没有安装惯性导航设备的情况下，利用通用飞机现有导航设备的资源，提出一种有效的通用飞机航行风向、风速的测算方法。

本发明的技术方案如下：

通用飞机航行风向、风速的测算方法，包括以下步骤：

(1)通用飞机上的GPS接收机输出地速GS、航迹角TRK，捷联航姿系统输出磁航向HDG、飞机俯仰角θ，大气数据计算机输出真空速TAS；

(2)将以上五个实时数据进行数据校验和单位转换后上传至综合处理机，其中角度的单位均为度，速度的单位均为千米每小时；

(3)综合处理机根据以上五个实时数据测算得出通用飞机航行的风向WD和风速WS：

根据DA＝TRK-HDG，计算得到偏流角DA；

将DA的值代入

计算得到tanWA的值后利用反三角函数解算出风角WA；

则根据WD＝TRK+WA，计算得到风向WD；

根据 $\mathrm{WS}=\frac{\sin \mathrm{DA}}{\sin \mathrm{WA}}\·\mathrm{TAS}\·\cos \mathrm{\θ},$ 计算得到风速WS。

本发明具有以下优点：

该测算方法代替了传统的风向风速计，不必借助惯导等昂贵导航设备进行测算；为通用飞机提供了一种低成本、通用化的导航技术，方便了风速、风向等信息的综合显示。

附图说明

图1为本发明的测算原理图。

图2为航行速度矢量三角形。

图3为真空速投影示意图。

图4为风速、风向计算的第一个实例示意图。

图5为风速、风向计算的第二个实例示意图。

具体实施方式

通用飞机的导航设备通常包括大气数据计算机(ADC)、捷联航姿系统(AHRS)、GPS接收机、伏尔和测距机等低成本的COTS产品；它们均具有单一功能，充分利用现有导航设备感知并解算出来的各种飞行参数及其之间的物理关系，可以计算出更多的导航信息，如风向、风速信息。本方案将以通用飞机低成本、通用性的设计理念为出发点，提出一种通用飞机航行风向、风速的测算方法。

本发明的测算基本原理如下：

在飞行过程中，飞机除了以空速向量相对于空气团运动外，还相对于地面运动。或者说，飞机在相对空气团运动的同时，被空气团带着相对地面运动。飞机相对地面的运动时飞机相对空气团的运动和空气团相对于地面的运动同时进行的结果。如果把飞机相对于地面的运动作为一个向量，即地速向量GS，那么地速向量是空速向量和风速向量的合成向量，即：风速WS+真空速TAS＝地速GS。

附图2示为航行速度矢量三角形，表示风速、真空速和地速三个矢量之间的关系。其中TAS为真空速，GS为地速，WS为风速，WA为风角，WD为风向，DA为偏流角，TRK为航迹角，HDG为磁航向，θ为飞机俯仰角。

由于：风速WS＝地速GS-真空速TAS(矢量运算)。

在航行速度三角形中，根据正弦定理，有：

$\frac{\mathrm{SinDA}}{\mathrm{WS}}=\frac{\mathrm{SinWA}}{\mathrm{TAS}\cos \mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{Sin}[180-(\mathrm{DA}+\mathrm{WA})}{\mathrm{GS}}$ (式1)

其中WS2＝TAS·cosθ·sinDA，WS1＝GS-TAS·cosθ·cosDA；

所以 $\frac{\sin \mathrm{DA}}{\mathrm{GS}-\mathrm{TAS}\cos \mathrm{\θ}}=\frac{\tan \mathrm{WA}}{\mathrm{TAS}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{DA}}\≈\frac{\tan \mathrm{WA}}{\mathrm{TAS}\cos \mathrm{\θ}}$ (式2)

在偏流角较小时，偏流的余弦值接近于1，真空速略大于真空速与偏流的余弦值的积，所以对风角的计算精度不会产生太大影响。

$\tan \mathrm{WA}\≈\frac{\mathrm{TAS}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{DA}}{\mathrm{GS}-\mathrm{TAS}\cos \mathrm{\θ}},$ 即可解出风角WA。(式3)

于是WD＝TRK+WA            (式4)

$\mathrm{WS}=\frac{\sin \mathrm{DA}}{\sin \mathrm{WA}}\·\mathrm{TAS}\·\cos \mathrm{\θ}$ (式5)

进行以上计算时，首先需要计算得到偏流角DA。在航行速度三角形中，航迹角等于航向加上偏流。TRK＝HDG+DA，即

DA＝TRK-HDG。             (式6)

本发明整个测算方法分为：参数采集、数据计算和显示三个步骤，如图1示。

一、采集

GPS接收机输出GS、TRK；AHRS输出HDG、θ；ADC输出TAS。利用已知数据求解：WD、WS和DA。附图2所示为测算WS、WD的数据流图，由综合处理机IPC采集GPS接收机、AHRS和ADC实时输出的GS、TRK、HDG、θ和TAS数据，进行数据校验和单位转换，上传至飞行显示器。

二、计算

IPC接收到了有效的GS、TRK、HDG、θ和TAS数据，通过公式4和公式5计算出WD和WS数据，并上传至飞行显示器。其中，θ是个不容忽视的因素，航行速度矢量三角形只有在大地投影平面内才能成立，所以需考虑飞机俯仰角，并计算出TAS的地面投影分量TAS·COSθ，从而提高了测算数据的精度，详见附图3示。

三、显示

飞行显示器接收到WD和WS数据后，判断有效性后完成集中显示。

如图4所示，当飞行显示器上显示地速为240km/h、航迹角为334°(来自GPS接收机)、真空速为250km/h(来自大气数据计算机)、俯仰角为0°、磁航向为326°(来自捷联航姿系统)时，显示风向为106°，风速34km/h。经对比与气象信息相符。

如图5所示，当飞行显示器上显示磁航向80°，真空速300km/h，俯仰角为0°，航迹角90°，地速330km/h时，显示风速为60km/h，风向为150°。经对比与气象信息相符。

Claims (1)

1.通用飞机航行风向、风速的测算方法，包括以下步骤：

(1)通用飞机上的GPS接收机输出地速GS、航迹角TRK，捷联航姿系统输出磁航向HDG、飞机俯仰角θ，大气数据计算机输出真空速TAS；

(2)将以上五个实时数据进行数据校验和单位转换后上传至综合处理机，其中角度的单位均为度，速度的单位均为千米每小时；

(3)综合处理机根据以上五个实时数据测算得出通用飞机航行的风向WD和风速WS：

根据DA＝TRK-HDG，计算得到偏流角DA；

将DA的值代入

计算得到tanWA的值后利用反三角函数解算出风角WA；

则根据WD＝TRK+WA，计算得到风向WD；

根据 $\mathrm{WS}=\frac{\sin \mathrm{DA}}{\sin \mathrm{WA}}\·\mathrm{TAS}\·\cos \mathrm{\θ},$ 计算得到风速WS。

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