CN105675901B

CN105675901B - 用于估计飞行器空速的方法和设备

Info

Publication number: CN105675901B
Application number: CN201510851867.2A
Authority: CN
Inventors: M·德尔波特
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: FR3029638B1; CN105675901A; US20160161524A1; US10345327B2; FR3029638A1

Abstract

一种用于估计飞行器的空速的方法和设备。该设备(1)包括被配置为根据第一估计方法估计飞行器的空速的第一估计单元(10)、被配置为根据第二估计方法估计飞行器的空速的第二估计单元(20A、20B)、被配置为加权通过第一和第二估计方法估计的两个空速的加权单元(30)，以及被配置为将加权的空速相加以获得飞行器的估计空速(VAE)的计算单元(40)。

Description

用于估计飞行器空速的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于估计飞行器的空速的方法和设备。

术语“空速”等同地表示飞行器的马赫数(被定义为在飞行器的飞行条件下飞行器的速度和声速之间的比)以及所谓的飞行器的常规速度(“校准空速”)。

背景技术

一般地，飞行器上根据两个压力的测量估计空速：

-首先，使用单个空速管获得的总压力；以及

-其次，使用与飞行器的机身蒙皮平齐的静压探针测量的静压。

空速管和静压探针被暴露到外部环境，并且会被能够部分或全部堵塞相应传感器的管道上游的物质或物体干扰，导致错误的压力测量。

因此，开发用于独立于空速管估计飞行器空速的替代方法是有用的。在这种背景下使用举力方程(也称为升力方程)是众所周知的做法，举力方程与4个参数有关，即竖直负载因数、迎角、重量和速度。飞行器的迎角、负载因数和重量的知识使得可以重构实时的等效速度。另外，如果已知静压，这还使得可以重构马赫数。

然而，这种使用举力方程的空速估计只在飞行器的针对相对低的速度的飞行包线的有限部分中才是非常准确的。特别地，在诸如飞机的飞行器的巡航飞行包线中，空速的估计的准确度劣化严重，甚至不能使用。

发明内容

本发明旨在提供独立于根据空速管获得的压力测量且在飞行器的整个飞行包线上都准确的飞行器空速估计。

为此目的，本发明涉及一种用于估计飞行器的空速的方法，包括以下自动并迭代的实现步骤：

A)根据通过使用举力方程的第一估计方法执行飞行器的空速的估计，根据该第一估计方法估计的空速被称为迎角空速。

根据发明，该方法包括下面的自动并迭代的步骤：

B)根据通过使用从布置在飞行器上的至少两个静压传感器获得的至少两个压力值的第二估计方法执行飞行器的空速的估计，使得：

·所述至少两个传感器中的第一个被定位为由该第一传感器测量的压力根据飞行器的马赫数而变化；以及

·所述至少两个传感器的第二个被定位为使得：

-由该第二传感器测量的压力不根据飞行器的马赫数而变化；或者

-由该第二传感器测量的压力以比由第一传感器测量的压力小的方式根据飞行器的马赫数而变化，

根据该第二估计方法估计的空速被称为压力空速，

C)用第一系数加权迎角空速，并用第二系数加权压力空速，第一系数和第二系数取决于飞行器的飞行包线的至少一个参数的值，

D)将在步骤C)中获得的加权的迎角空速与在步骤C)中获得的加权的压力空速相加，以获得估计的飞行器空速。

通过引入根据两种不同的、独立于从空速管获得的测量且根据飞行器的飞行包线的参数进行加权的空速估计方法的估计，通过根据其对相关包线的效力给予每个方法更高或更低的权重，从而，根据本发明的方法提供在飞行器的整个飞行包线上都准确的空速估计。

根据可以共同或分开采用的发明的不同实施例：

-第一和第二系数根据飞行器的飞行包线的参数在0和1之间变化，无论飞行器飞行包线的参数的值如何，第一系数和第二系数的和恒等于1；

-当飞行器的飞行包线的参数的值在第一预定阈值以下时，第一系数等于1，且当飞行器的飞行包线的参数在第二预定阈值以上时，第一系数等于0；

-第一系数在第一和第二阈值之间下降，或者第一和第二预定阈值相同；

-至少一个高度参数被用作飞行器的飞行包线的参数；

-至少一个速度参数被用作飞行器的飞行包线的参数；

-在当前迭代中的步骤C)中使用的飞行包线的参数的值等于在紧挨当前迭代的前一迭代中的步骤D)中估计的空速；

-在飞行器的飞行包线的参数的值在预定阈值以上时，所述方法包括步骤：

·过滤压力空速和迎角空速，以获得压力空速的低频

分量和迎角空速的高频分量；

·在步骤D)中，通过组合压力空速的低频分量和迎

角空速的高频分量来细化估计的空速。

在特定实施例中，所述方法包括下面的步骤：

·依据在步骤D)中获得的估计的空速确定校正因数；

·测量飞行器的引擎单元中的静压，称为引擎机舱静压；以及

·通过用校正因数乘以引擎机舱静压来计算估计的静压。

本发明还涉及一种用于估计飞行器的空速的设备，所述设备包括被配置为根据使用举力方程的第一估计方法估计飞行器的空速的第一估计单元，由第一估计单元估计的空速称为迎角空速。

根据本发明，该设备还包括：

-第二估计单元，被配置为根据使用从至少两个静压传感器获得的至少两个压力值的第二估计方法估计飞行器的空速，使得：

·所述至少两个传感器的第二个被定位为使得：

由该第二估计单元估计的空速被称为压力空速；

-加权单元，被配置为用第一系数加权迎角空速，并用第二系数加权压力空速，第一系数和第二系数取决于飞行器的飞行包线的至少一个参数的值；

计算单元，被配置为将加权的迎角空速和加权的压力空速相加，以获得估计的飞行器空速。

根据本发明的一方面，该设备包括：

-计算单元，被配置为依据所估计的空速确定校正因数；

-测量单元，被配置为测量飞行器的引擎单元中的静压，称为引擎机舱静压；以及

-计算单元，被配置为通过用校正因数乘以引擎机舱静压来计算估计的静压。

本发明还涉及包括如前所述设备的飞行器，尤其是运输飞机。

附图说明

所附附图将给出如何能够产生本发明的良好的理解。在这些附图中，相同的附图标记表示相似的元件。

图1是包括用于估计空速的设备的飞行器的示意图。

图2是包括第一和第二空速估计单元的用于估计飞行器的空速的设备的具体实施例的框图。

图3A是例示第一加权系数根据空速的趋势的曲线图。

图3B是例示第二加权系数根据空速的趋势的曲线图。

图4是数据处理单元的框图。

图5是第二空速估计单元的第一变型的框图。

图6是第二空速估计单元的第二变型的框图。

图7是飞行器的静压估计单元的示意图。

具体实施方式

图1示意性例示可以应用用于估计飞行器AC(例如是运输机)的空速的设备1的飞行器AC。

根据本发明，例如如图2中所示，估计设备1(下文中表示为设备1)包括：

-第一估计单元10，被配置为根据使用举力方程的第一估计方法估计飞行器的空速，由第一估计单元10估计的空速被称为迎角空速VAI；

-第二估计单元20A、20B，被配置为根据使用从布置在飞行器上的至少两个静压传感器获得的至少两个压力值的第二估计方法估计飞行器的空速，使得：

-所述至少两个传感器中的第一个被定位为由该第一传感器测量的压力根据飞行器的马赫数而变化；以及

-所述至少两个传感器的第二个被定位为：

·由该第二传感器测量的压力不根据飞行器的马赫数而变化；或者

·-由该第二传感器测量的压力以比由第一传感器测

量的压力小的方式根据飞行器的马赫数而变化，

由该第二估计单元20A、20B估计的空速被称为压力空速VAP；

-加权单元30，被配置为用从加权单元30的第一加权部件30A获得的第一系数31加权迎角空速VAI，并用从加权单元30的第二加权部件30B获得的第二系数32加权压力空速VAP，第一系数31和第二系数32取决于飞行器的飞行包线的至少一个参数(诸如高度或速度)的值；

-计算单元40，被配置为将加权的迎角空速VAIP和加权的压力空速VAPP相加，以获得估计的飞行器空速VAE。

设备1还包括数据传输单元(未示出)，被配置为将估计的空速VAE发送给用户系统(未示出)，例如发送给显示单元或者嵌入式系统(或计算机)。

在优选实施例中，由加权单元30使用的飞行包线的参数的值等于在设备1的前面的估计(优选是本估计的紧挨前面的迭代)中由计算单元40估计的空速VAE，如图2中的链路15所示。

如图2中所示，加权单元30包括第一加权部件30A和第二加权部件30B。分别地，第一加权部件30A用第一系数31加权迎角空速VAI，第二加权部件30B用第二系数32加权压力空速VAP，以获得加权的迎角空速VAIP和加权的压力空速VAPP。这些系数31和32的值取决于所选择的飞行包线的参数。图3A和图3B给出了这样的示例：加权系数C的值根据先前迭代中估计的空速VAE变化。在发明的这些示例性实施例中，第一和第二系数31和32根据飞行器的空速在0和1之间变化。

针对飞行包线的给定参数，系数31和系数32的和恒等于1。则估计的空速VAE是具有通过加权系数31和32确定的权重的两个加权的空速VAIP和VAPP的质心。

在飞行器的飞行包线的参数值在第一预定阈值S1(例如，0.4马赫)以下时，系数31等于1，且在飞行器的飞行包线的参数值在第二预定阈值S2(例如0.5马赫)以上时，系数31等于0。相反，在飞行器的飞行包线的参数值在第一预定阈值S1(例如，0.4马赫)以下时，第二系数32等于0，且在飞行器的飞行包线的参数值在阈值S2(例如0.5马赫)以上时，第二系数32等于1。

系数31在阈值S1和S2之间线性地(优选但不排除其它情况)减小。相反，系数32在阈值S1和S2之间线性地(优选但不排除其它情况)增加。

根据未示出的变型，第一和第二预定阈值S1和S2相同。然后，在飞行器穿过阈值S1或S2时，第一系数31例如从1切换到0，然后，在飞行器穿过阈值S1或S2时，系数32从0切换到1。

也可以使用至少一个高度参数作为飞行器的飞行包线的参数。然后，阈值S1和阈值S2例如分别等于20000和25000英尺。

在具体实施例中，设备1还包括如图4所呈现的数据处理单元50。该数据处理单元50包括第一滤波器51和第二滤波器52，在飞行器的空速在预定阈值以上时，第一滤波器51被配置为以通常方式过滤压力空速VAP，以获得压力空速VAP的低频分量；且第二滤波器52，被配置为以通常方式过滤迎角空速VAI，以获得迎角空速VAI的高频分量。特别地，在运输飞机的巡航飞行的情况下，取决于空速是否分别对应于马赫数或者校准速度，该预定阈值的值例如可以对应于0.8马赫，或者对应于每小时270海里(大约500km/h)。

该处理单元50还包括用于在这种情况下通过组合压力空速VAP的低频分量和迎角空速VAI的高频分量来改善由计算单元40确定的估计空速VAE的计算单元53。

当空速超过预定阈值时，迎角空速针对其动态范围是正确的，但是可能呈现出显著的偏移，而压力空速几乎不偏移，但是在引擎速度瞬变期间，可能会出现错误。从而，数据处理单元50使得设备能够在巡航速度使用压力空速的低频分量和迎角空速的高频分量，以限制上述的不准确。

如图2所示，估计单元10被配置为通过使用下面的3个参数根据举力方程估计飞行器的迎角空速VAI：由链路11接收的竖直负载因数、由链路12接收的迎角以及由链路13接收的重量。以此，估计单元10使用下面的举力方程：

n_z mg＝q S Cz_α(α-α₀)

其中：

-nz是竖直负载因数；

-m是飞行器的重量；

-g等于9.81m/s²；

-S是参考表面；

-Cz_α是升力的气动力系数的梯度(即相对于α的偏移)。这是飞行器的特性(针对给定气动力配置)；

-α₀是零升力的迎角。这是飞行器的特性(针对给定气动力配置)；

-α是测量的迎角；以及

-q是动态压力，满足下面的方程：

q＝0.7Ps M²(1)or q＝1/2ρ₀VEAS²(2)，

其中：

·Ps是静压；

·M是马赫数；

·VEAS是当量速度，非常接近于校准速度；

·ρ₀是海平面的空气密度(这是等于101325Pa的常数)。

允许计算q的第一方程(1)无论飞行器的高度如何都有效。通过将其插入到举力方程中，可以计算马赫数。然后，如果需要，可以从其推导出校准速度。

允许计算q的第二方程(2)是在较低高度有效地的近似。通过将其插入到举力方程中，可以直接计算校准速度。然后，如果需要，可以从其推导出马赫数。

估计单元10独立于空速管估计迎角空速VAI。

估计单元20A、20B使得能够根据图5和图6分别例示的两个变型估计压力空速VAP。

图5涉及第一变型，其中，估计单元20A使用至少两个静压传感器，它们的其中之一被定位为使得测量的压力根据马赫数而变化。

在该变型中，估计单元20A包括：第一测量单元2，其被配置为在飞行器的第一测量区域测量周围空气的第一静压；以及第二测量单元3，其被配置为在飞行器的第二测量区域中测量环境空气的第二压力。第二压力具有比第一静压低的值。第一测量单元2使用至少一个静压测量探针，以及特别地若干测量探针，来测量第一静压。

相似地，第二测量单元3使用至少一个静压测量探针测量第二压力。

估计单元20A还包括被配置为使用下面的方程估计马赫数的计算单元5：

参数k满足方程

其中Z是依赖于飞行器上的第二测量区域的位置的参数。

由第一和第二测量单元2和3收集的数据被分别经由链路4和6发送到计算单元5。

选择针对第一静压和第二压力的测量区域，使得能够获得第一静压和第二压力之间的差值。实际上，第一静压的值和第二压力的值之间的差越大，飞行器的马赫数的估计越好。为此，特别设置为：将第一测量单元2定位在飞行器的、静压不太依赖于马赫数的点处，而相反将第二测量单元3定位在飞行器的、压力非常依赖于马赫数的点处。换言之，相比于第二区域，选择将飞行器的第一测量区域定位在较少被流过飞行器的气流扰动的位置。估计单元20A独立于空速管估计马赫数。

图6涉及第二变型，其中，估计单元20B使用从引擎获得的至少两个压力。

引擎舱静压和引擎总压力被选择，以分别根据环境空气的静压和总压力来确定飞行器的马赫数。引擎舱静压通过位于飞行器的引擎单元中的探针来确定。除了引擎舱静压测量，引擎总压力的确定还可以涉及以下参数中所选参数的测量：

-至少一个压缩输出压；

-至少一个压缩/扩张牵引装置的转速；以及

-环境空气的温度。

从而，在本实施例中，如图6中所示，估计单元20B包括：用于测量飞行器的静压的单元21，例如位于飞行器的引擎舱内部，用于测量引擎风扇转速的单元24，以及用于测量空气温度的单元25。第二估计单元20B还包括分别通过链路27A、27B和27C链接到测量单元21、24和25的处理单元26。处理单元26被配置为使用上述参数估计马赫数，且处理单元26是用于对引擎的至少一个组件(特别是风扇)的空气动力场和/或热力学循环进行建模的装置。从而，估计单元20B独立于空速管估计马赫数。

如图7中所示，设备1可以包括：

-计算单元60，被配置为取决于空速，尤其在估计的空速对应于估计的马赫数时取决于估计的马赫数M，确定校正因数FC；

-测量单元70，被配置为测量飞行器的引擎单元内部的静压，称为引擎机舱静压PSN；以及

-计算单元80，被配置为通过用校正因数FC乘以引擎机舱静压PSN来计算估计的静压PSE。

根据在飞行测试期间执行的测量(称为实验测量MM)实验地确定校正因数FC的值。这些例如涉及引擎的旋转速度。基于实验值MM，给出随马赫数M而变化的系数因数FC的值的曲线不同。在图7中示出了不同曲线61的一些示例，它们中的每一个对应于特定的实验测量值。

设备1还包括转换单元90，转换单元90被配置为通过使用国际气压测高公式将估计的静压PSE转换为估计的高度AE。从而，设备1使得能够通过使用估计的马赫数ME(即独立于空速管，并在飞行器的所有飞行包线上都准确地)来估计高度。

此外，如先前指出的，空速可以与马赫数或者校准速度相对应。设备1还可以包括未示出的计算单元，用于在估计的空速VAE与估计的马赫数相对应时，将估计的马赫数转换为飞行器的校准速度；或者用于在估计的空速VAE与校准速度相对应时，将估计的校准速度转换为马赫数。以通常的方式进行估计的马赫数到常规速度的转换，或者估计的校准速度到马赫数的转换。

Claims

1.一种用于估计飞行器的空速的方法，包括以下自动并迭代的实现步骤：

A)根据通过使用举力方程的第一估计方法执行所述飞行器的空速的估计，根据该第一估计方法估计的空速被称为迎角空速(VAI)，

其特征在于，所述方法包括下面的自动并迭代实现的步骤：

B)根据通过使用从布置在所述飞行器上的至少两个静压传感器获得的至少两个压力值的第二估计方法执行所述飞行器的空速的估计，使得：

·所述至少两个静压传感器中的第一静压传感器被定位为使得由第一静压传感器测量的压力根据所述飞行器的马赫数而变化；及

·所述至少两个静压传感器的第二静压传感器被定位为使得：

-由第二静压传感器测量的压力不根据所述飞行器的马赫数而变化；或者

-由该第二静压传感器测量的压力以比由第一静压传感器测量的压力更小的方式根据所述飞行器的马赫数而变化，

根据该第二估计方法估计的空速被称为压力空速(VAP)，

C)用第一系数(31)加权所述迎角空速(AVI)，并用第二系数(32)加权所述压力空速(VAP)，所述第一系数(31)和所述第二系数(32)取决于所述飞行器的飞行包线的至少一个参数的值，

D)将在步骤C)中获得的加权的迎角空速(VAIP)与在步骤C)中获得的加权的压力空速(VAPP)相加，以获得飞行器的估计的空速(VAE)，

在所述飞行器的飞行包线的参数的值在预定阈值以上时，所述方法包括步骤：

-过滤所述压力空速(VAP)和所述迎角空速(VAI)，以获得所述压力空速(VAP)的低频分量和所述迎角空速(VAI)的高频分量；

-在步骤D)中，通过组合所述压力空速(VAP)的低频分量和所述迎角空速(VAI)的高频分量来细化估计的空速(VAE)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一系数(31)和所述第二系数(32)根据所述飞行器的飞行包线的参数的值而在0和1之间变化，无论所述飞行器的飞行包线的参数的值如何，所述第一系数(31)和所述第二系数(32)的和恒等于1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当所述飞行器的飞行包线的参数的值在第一预定阈值(S1)以下时，所述第一系数(31)等于1，且当所述飞行器的飞行包线的参数的值在第二预定阈值(S2)以上时，所述第一系数(31)等于0，第二预定阈值(S2)大于第一预定阈值(S1)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一系数(31)在所述第一预定阈值(S1)和所述第二预定阈值(S2)之间降低。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一预定阈值和所述第二预定阈值是相同的。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少一个高度参数被用作所述飞行器的飞行包线的参数。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少一个速度参数被用作所述飞行器的飞行包线的参数。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在当前迭代中的步骤C)中使用的飞行包线的参数的值等于在紧挨当前迭代的前一迭代中的步骤D)中估计的空速(VAE)。

9.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括下面的步骤：

-依据在步骤D)中获得的估计的空速确定校正因数(FC)；

-测量所述飞行器的引擎单元中的静压，称为引擎机舱静压(PSN)；以及

-通过用所述校正因数(FC)乘以所述引擎机舱静压(PSN)来计算估计的静压(PSE)。

10.一种用于估计飞行器的空速的估计设备，所述估计设备包括：

-第一估计单元(10)，被配置为根据使用举力方程的第一估计方法来估计飞行器的空速，由所述第一估计单元(10)估计的空速被称为迎角空速(VAI)，

其特征在于，所述估计设备(1)还包括：

-第二估计单元(20)，被配置为根据使用从至少两个静压传感器获得的至少两个压力值的第二估计方法来估计飞行器的空速，使得：

·所述至少两个静压传感器中的第一静压传感器被定位为使得由第一静压传感器测量的压力根据飞行器的马赫数而变化；以及

-由第二静压传感器测量的压力不根据飞行器的马赫数变化；或者

-由第二静压传感器测量的压力以比由第一静压传感器测量的压力小的方式根据飞行器的马赫数而变化，

由该第二估计单元(20)估计的空速被称为压力空速(VAP)；

-加权单元(30)，被配置为用第一系数(31)加权迎角空速(VAI)，并用第二系数(32)加权压力空速(VAP)，第一系数(31)和第二系数(32)取决于飞行器的飞行包线的至少一个参数的值；以及

-第一计算单元(40)，被配置为将加权的迎角空速(VAIP)和加权的压力空速(VAPP)相加，以获得飞行器的估计的空速(VAE)，

其中，所述估计设备(1)还包括数据处理单元(50)，在所述飞行器的飞行包线的参数的值在预定阈值以上时，所述数据处理单元(50)：

-过滤所述压力空速(VAP)和所述迎角空速(VAI)，以获得所述压力空速(VAP)的低频分量和所述迎角空速(VAI)的高频分量；并且

-通过组合所述压力空速(VAP)的低频分量和所述迎角空速(VAI)的高频分量来细化估计的空速(VAE)。

11.根据权利要求10所述的估计设备，所述估计设备(1)包括：

-第二计算单元(60)，被配置为依据所估计的空速(VAE)来确定校正因数(FC)；

-测量单元(70)，被配置为测量所述飞行器的引擎单元中的静压，称为引擎机舱静压(PSN)；以及

-第三计算单元(80)，被配置为通过用所述校正因数(FC)乘以所述引擎机舱静压(PSN)来计算估计的静压(PSE)。

12.一种飞行器，包括根据权利要求10或11所述的估计设备(1)。