CN107202664A - 一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，采用任意4个不共面的测压孔压力值，利用嵌入式大气数据系统压力分布数学模型，通过降元降阶等方式将大气参数计算问题转化为一元四次方程的求实根问题。该方法可提供大气参数的解析解，并且只要求4个测压孔不共面，极大降低了现有解算方法对嵌入式大气数据系统测压孔配置的几何约束条件。
Description
技术领域
本发明涉及飞行动力技术领域，尤其涉及一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法。
背景技术
大气数据系统是飞机上重要的机载电子系统，其提供的攻角、侧滑角、总压、静压、总温等大气参数对于飞行器的飞行效率及安全操纵至关重要。随着现代飞行器对于飞行速度、机动性以及隐身性等要求的不断提高，传统大气数据系统所采用的探针式测量方式无法满足新一代飞行器的性能需求，寻求一种新型的大气数据测量方式,成为新一代飞行器发展的重要部分。
嵌入式大气数据系统采用在飞行器前端的不同位置嵌入压力传感器阵列的方式来测量飞行器表面的压力分布，并利用压力分布与大气参数关系的数学模型计算出大气参数。嵌入式大气数据系统采用的压力传感器阵列具有如下优点: 无需机械装置，更易于集成化与小型化；压力传感器与飞行器表面齐平，便于隐身设计；多个压力传感器并行的设计保证了较好的冗余容错能力，可提供较高的测量精度与可靠性；压力传感器阵列的工作范围较大，在大攻角、大马赫数等环境下也可有效工作，能够应用于高超声速飞行、再入大气层、火星着陆等场景。因此,嵌入式大气数据系统能够替代传统大气数据系统,满足新一代飞行器的性能需求。
嵌入式大气数据系统的主要计算方法包括：三点法、非线性优化法和神经网络方法。
三点法选取3个测压孔压力值将攻角和侧滑角从大气参数中分离出来，首先选取3个在垂直线上的测压孔压力值，获得关于攻角的方程，当获得攻角后，再选择其他3个测压孔计算侧滑角。
非线性优化法利用了最小二乘原理，通过对压力分布数学模型线性化后，利用梯度下降等非线性迭代算法求得最小二乘意义下的最优大气参数估计值。由于非线性优化法利用了所有的压力测量值，它能够获得比三点法更高的精度。然而非线性优化法并不稳定，需要提供一个相对准确的初始值，而且部分数据损坏或丢失，均会导致该算法发散。对比而言，三点法计算的是攻角和侧滑角的解析解，其结果具有较高的稳定性，同时多组的三点法求解结果可为算法提供较好的冗余能力和容错能力。然而，三点法的一个不足在于它在计算攻角时要求采用三个分布在垂直线的测压孔压力值，测量值多，数据采集量大。
神经网络方法利用神经网络强大的非线性映射能力，模拟大气参数对于压力分布的函数，具有较好的精度、实时性和容错能力。与上述三点法和非线性迭代法需要利用试验数据对结果进行修正不同，神经网络方法将修正过程包含在训练网络中，无需修正。然而该算法需要大量的数据对网络进行训练，并且对某型飞行器的训练结果不能直接应用到其他飞行器上，移植性较差。
综上，现有技术中嵌入式大气数据系统的主要计算方法不仅需要依附压力传感器阵列，对传感器配置约束条件高，还需要大量的数据做支撑，数据采集量大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，通过建立嵌入式大气数据系统表面压力分布的数学模型，只需要四个不共面的测压点即可有效完成数据采集工作，极大的降低了传感器配置的约束条件的技术手段，能够降低大气参数解算方法对传感器配置的约束条件，避免解算中对大量数据的需求，具有提高嵌入式大气数据系统的精度、实时性和容错能力的优点。
本发明采用如下技术方案：一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，所述方法涉及到嵌入式大气数据系统，包括以下步骤：
步骤1、分别采集四个不共面测压孔的圆周角和圆锥角，得到四组圆周角和圆锥角数据，根据所述四组圆周角和圆锥角数据定义向量ri，rj，rk，rl，v：
步骤2、采集所述四个不共面测压孔的压力测量值，根据所述压力测量值选择解算方法，依据所述解算方法和步骤1中得到的所述向量ri，rj，rk，rl求解所述向量v；
步骤3、根据所述向量v的所有可能解，进行大气参数可能解的解算；
步骤4、根据约束条件和俯仰角，在所述大气参数可能解中，剔除无效解，获得大气参数的正确解，对后续的大气参数解算，重复步骤2-步骤4。
进一步的，所述向量定义方法包括：
步骤101、取任意4个不共面的测压孔，分别是测压孔i、测压孔j、测压孔k和测压孔l，所述测压孔i的圆周角是φi、圆锥角是λi，所述测压孔j的圆周角是φj、圆锥角是λj，所述测压孔k的圆周角是φk、圆锥角是λk，所述测压孔l的圆周角是φl、圆锥角是λl；
步骤102、执行定义向量的过程并得到结果：
式中，α为攻角，β为侧滑角，均为待解算量；
进一步的，根据所述压力测量值选择解算方法，包括：
步骤201、采集所述测压孔i、所述测压孔j、所述测压孔k、所述测压孔l的压力测量值，分别记为pi、pj、pk、pl，单位为帕；
步骤202、对比所述pi、pj、pk、pl，根据所述pi、pj、pk、pl的数值大小关系，选择构建解算大气参数所需变量的解法；
若pi、pj、pk、pl，各不相等，按照解法1构建；
若pi、pj、pk、pl中存在两个值相等，按照解法2构建；
若pi、pj、pk、pl中存在三个或四个值相等，按照解法3构建。
进一步的,所述解法1包括：
步骤2101、从所述(ri,rj,rk,rl)中选取3个线性无关的向量，分别是ri，rj，rk；
步骤2102、将所述测压孔i、所述测压孔j、所述测压孔k的压力值两两作差，差值记为Γjk＝pj-pk，Γki＝pk-pi，Γij＝pi-pj；
步骤2103、定义矩阵
步骤2104、定义矩阵其特征值为λ1、λ2、λ3，其行列式det(S1)＝λ1λ2λ3＝-1＜0，记λ1≥λ2＞0＞λ3；
步骤2105、对矩阵S1正交对角化，即S1＝UΛUT，
式中，U为三阶正交矩阵，其中,UUT＝I，I为单位矩阵；
步骤2106、定义向量w＝UTv＝wz[x,y,1]T (1),
其中，
步骤2107、定义矩阵
步骤2108、定义矩阵
步骤2109、将x、y表示为如下参数化方程：
步骤2110、假设t＝π，y＝0，若y＝0符合公式
则y＝0为x、y的可能解；
步骤2111、假设t≠π，定义根据2109得到
根据所述x、y和费拉里法，得到式(3)中的所有实数根，所述实数根为x、 y的可能解；
q11x2+2q12xy+q22y2+2q13x+2q23y+q33＝0 (3)
步骤2112、根据步骤2110和步骤2111中所述x、y的可能解，求解步骤 2106中的公式(1)，得到所述向量v的所有可能解。
进一步的,所述解法2包括：
步骤2201、记测压孔i、l的压力值相等，定义向量
步骤2202、若定义矩阵
若定义矩阵
步骤2203、定义矩阵向量
步骤2204、令x＝cos t，y＝sin t，根据s22tan2t+2s12tan t+s11＝0 (5),求解t、x、y；
步骤2205、根据公式(5)得到的所述x、y，解算公式(4)，得到所述向量v；
进一步的，所述解法3包括：
步骤2301、设Γij＝Γjk＝0，得到向量
进一步的，所述大气参数可能解的解算包括：
步骤301、根据解算攻角α和侧滑角β：
步骤302、根据b＝pi-vTRiv，
计算在总压pt、静压P∞解算时需要的中间变量a，b，式中，
步骤303、根据pt＝a+b，解算总压、静压，式中，ε为形压系数。
进一步的,所述约束条件是-90°＜α＜90°、-90°＜β＜90°、pt＞P∞＞0。
进一步的，按照约束条件对可能解进行筛选后，选择一组攻角与俯仰角之差小于0.2°的可能解作为正确解。
本发明的有益效果：
本发明采用的用于嵌入式大气参数解算的四点法，对于传感器布置的要求降低到四个测压孔不共面，解决了嵌入式大气数据系统三点法对于传感器配置约束条件高的问题,极大降低了传感器配置的约束条件。
具体实施方式
下面实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
本发明用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其涉及到嵌入式大气数据系统，该方法基于嵌入式大气数据系统表面压力分布数学模型，只需要保证四个测压点不共面即可有效工作，极大的降低了传感器配置的约束条件，具体的用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，包括以下步骤：
步骤1、分别采集四个不共面测压孔的圆周角和圆锥角，得到四组圆周角和圆锥角数据，根据所述四组圆周角和圆锥角数据定义向量ri，rj，rk，rl，v：
步骤2、采集所述四个不共面测压孔的压力测量值，根据所述压力测量值选择解算方法，依据所述解算方法和步骤1中得到的所述向量ri，rj，rk，rl求解所述向量v；
步骤3、根据所述向量v的所有可能解，进行大气参数可能解的解算；
步骤4、根据约束条件和俯仰角，在所述大气参数可能解中，剔除无效解，获得大气参数的正确解，对后续的大气参数解算，重复步骤2-步骤4。
进一步的，所述向量定义方法包括：
步骤101、取任意4个不共面的测压孔，分别是测压孔i、测压孔j、测压孔k和测压孔l，所述测压孔i的圆周角是φi、圆锥角是λi，所述测压孔j的圆周角是φj、圆锥角是λj，所述测压孔k的圆周角是φk、圆锥角是λk，所述测压孔l的圆周角是φl、圆锥角是λl；
步骤102、执行定义向量的过程并得到结果：
式中，α为攻角，β为侧滑角，均为待解算量；
进一步的，根据所述压力测量值选择解算方法，包括：
步骤201、采集所述测压孔i、所述测压孔j、所述测压孔k、所述测压孔l的压力测量值，分别记为pi、pj、pk、pl，单位为帕；
步骤202、对比所述pi、pj、pk、pl，根据所述pi、pj、pk、pl的数值大小关系，选择构建解算大气参数所需变量的解法；
若pi、pj、pk、pl，各不相等，按照解法1构建；
若pi、pj、pk、pl中存在两个值相等，按照解法2构建；
若pi、pj、pk、pl中存在三个或四个值相等，按照解法3构建。
进一步的,所述解法1包括：
步骤2101、从所述(ri,rj,rk,rl)中选取3个线性无关的向量，分别是ri，rj，rk；
步骤2102、将所述测压孔i、所述测压孔j、所述测压孔k的压力值两两作差，差值记为Γjk＝pj-pk，Γki＝pk-pi，Γij＝pi-pj；
步骤2103、定义矩阵
步骤2104、定义矩阵其特征值为λ1、λ2、λ3，其行列式det(S1)＝λ1λ2λ3＝-1＜0，记λ1≥λ2＞0＞λ3；
步骤2105、对矩阵S1正交对角化，即S1＝UΛUT，
式中，U为三阶正交矩阵，其中,UUT＝I，I为单位矩阵；
步骤2106、定义向量w＝UTv＝wz[x,y,1]T (1),
其中，
步骤2107、定义矩阵
步骤2108、定义矩阵
步骤2109、将x、y表示为如下参数化方程：
步骤2110、假设t＝π，y＝0，若y＝0符合公式
则y＝0为x、y的可能解；
步骤2111、假设t≠π，定义根据2109得到
根据所述x、y和费拉里法，得到式(3)中的所有实数根，所述实数根为x、 y的可能解；
q11x2+2q12xy+q22y2+2q13x+2q23y+q33＝0 (3)
步骤2112、根据步骤2110和步骤2111中所述x、y的可能解，求解步骤 2106中的公式(1)，得到所述向量v的所有可能解。
进一步的,所述解法2包括：
步骤2201、记测压孔i、l的压力值相等，定义向量
步骤2202、若定义矩阵
若定义矩阵
步骤2203、定义矩阵向量
步骤2204、令x＝cos t，y＝sin t，根据s22tan2t+2s12tan t+s11＝0 (5),求解t、x、y；
步骤2205、根据公式(5)得到的所述x、y，解算公式(4)，得到所述向量v；
进一步的，所述解法3包括：
步骤2301、设Γij＝Γjk＝0，得到向量
进一步的，所述大气参数可能解的解算包括：
步骤301、根据解算攻角α和侧滑角β：
步骤302、根据b＝pi-vTRiv，
计算在总压pt、静压P∞解算时需要的中间变量a，b，式中，
步骤303、根据pt＝a+b，解算总压、静压，式中，ε为形压系数。
进一步的,所述约束条件是-90°＜α＜90°、-90°＜β＜90°、pt＞P∞＞0。
进一步的，按照约束条件对可能解进行筛选后，选择一组攻角与俯仰角之差小于0.2°的可能解作为正确解。
为了评价本发明提出的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法的性能，本发明还提供了仿真程序，该仿真程序的实现步骤包括：
(1)设置攻角、侧滑角、圆周角以及圆锥角；
(2)进行测压孔入射角的解算，生成各测压孔入射角；
(3)设置动压、静压、形压系数；
(3)进行测压孔压力值的仿真，生成各测压孔的压力测量信息仿真数据；
(3)根据压力测量仿真数据、形压系数、圆周角、圆锥角，进行大气参数解算，并与真实大气参数进行比较。
假设攻角为5度，侧滑角为10度，静压为50kPa，形变系数为-0.5，动压为120kPa，实验用测压孔配置方案如表1所示，通过测压孔压力测量信息的仿真，得到如表2所示的压力测量值，根据本发明提出的大气参数解算方法，得到如表3所示的四组可能解，进一步剔除总压的解，根据实际飞行状态可选择第1组解作为真实解。实验证明了本发明解算大气参数方法的正确性和有效性。
表1实验用测压孔配置方案
表2实验用测压孔压力测量值
表3实验设置下的大气参数可能解
综上，(1)本发明采用的用于嵌入式大气参数解算的四点法，对于传感器布置的要求降低到四个测压孔不共面，解决了嵌入式大气数据系统三点法对于传感器配置约束条件高的问题,极大降低了传感器配置的约束条件；
(2)针对嵌入式大气数据系统大气参数解算过程中的方程组解算问题，通过降元降阶的方法，降低方程组求解问题的难度，简化计算，能够提供大气参数的解析解，实现攻角、侧滑角、总压和静压的计算。
本发明方法的具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，包括：
步骤1、分别采集四个不共面测压孔的圆周角和圆锥角，得到四组圆周角和圆锥角数据，根据所述四组圆周角和圆锥角数据定义向量ri，rj，rk，rl，v：
步骤2、采集所述四个不共面测压孔的压力测量值，根据所述压力测量值选择解算方法，依据所述解算方法和步骤1中得到的所述向量ri，rj，rk，rl求解所述向量v；
步骤3、根据所述向量v的所有可能解，进行大气参数可能解的解算；
步骤4、根据约束条件和俯仰角，在所述大气参数可能解中，剔除无效解，获得大气参数的正确解，对后续的大气参数解算，重复步骤2-步骤4。
2.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，所述向量定义方法包括：
步骤101、取任意4个不共面的测压孔，分别是测压孔i、测压孔j、测压孔k和测压孔l，所述测压孔i的圆周角是φi、圆锥角是λi，所述测压孔j的圆周角是φj、圆锥角是λj，所述测压孔k的圆周角是φk、圆锥角是λk，所述测压孔l的圆周角是φl、圆锥角是λl；
步骤102、执行定义向量的过程并得到结果：
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式中，α为攻角，β为侧滑角。
3.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，根据所述压力测量值选择解算方法，包括：
步骤201、采集所述测压孔i、所述测压孔j、所述测压孔k、所述测压孔l的压力测量值，分别记为pi、pj、pk、pl，单位为帕；
步骤202、对比所述pi、pj、pk、pl，根据所述pi、pj、pk、pl的数值大小关系，选择构建解算大气参数所需变量的解法；
若pi、pj、pk、pl，各不相等，按照解法1构建；
若pi、pj、pk、pl中存在两个值相等，按照解法2构建；
若pi、pj、pk、pl中存在三个或四个值相等，按照解法3构建。
4.根据权利要求3所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，所述解法1包括：
步骤2101、从所述(ri,rj,rk,rl)中选取3个线性无关的向量，分别是ri，rj，rk；
步骤2102、将所述测压孔i、所述测压孔j、所述测压孔k的压力值两两作差，差值记为Γjk＝pj-pk，Γki＝pk-pi，Γij＝pi-pj；
步骤2103、定义矩阵
步骤2104、定义矩阵其特征值为λ1、λ2、λ3，其行列式det(S1)＝λ1λ2λ3＝-1＜0，记λ1≥λ2＞0＞λ3；
步骤2105、对矩阵S1正交对角化，即S1＝UΛUT，
式中，U为三阶正交矩阵，其中,UUT＝I，I为单位矩阵；
步骤2106、定义向量w＝UTv＝wz[x,y,1]T(1),其中，
步骤2107、定义矩阵
步骤2108、定义矩阵
步骤2109、将x、y表示为如下参数化方程：
0≤t＜2π；
步骤2110、假设t＝π，y＝0，若y＝0符合公式
则y＝0为x、y的可能解；
步骤2111、假设t≠π，定义根据2109得到
根据所述x、y和费拉里法，得到式(3)中的所有实数根，所述实数根为x、y的可能解,其中式(3)为:
q11x2+2q12xy+q22y2+2q13x+2q23y+q33＝0 (3)；
步骤2112、根据步骤2110和步骤2111中所述x、y的可能解，求解步骤2106中的公式(1)，得到所述向量v的所有可能解。
5.根据权利要求3所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，所述解法2包括：
步骤2201、记测压孔i、l的压力值相等，定义向量
步骤2202、若定义矩阵
若定义矩阵
步骤2203、定义矩阵向量
步骤2204、令x＝cost，y＝sint，根据s22tan2t+2s12tant+s11＝0(5),求解t、x、y；
步骤2205、根据公式(5)得到的所述x、y，解算公式(4)，得到所述向量v。
6.根据权利要求3所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，所述解法3包括：
步骤2301、设Γij＝Γjk＝0，得到向量
7.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，所述大气参数可能解的解算包括：
步骤301、根据解算攻角α和侧滑角β：
步骤302、根据b＝pi-vTRiv，计算在总压pt、静压P∞解算时需要的中间变量a，b，式中，
步骤303、根据pt＝a+b，解算总压、静压，式中，ε为形压系数。
8.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，所述约束条件是-90°＜α＜90°、-90°＜β＜90°、pt＞P∞＞0。
9.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式大气数据系统的大气参数解算方法，其特征在于，按照约束条件对可能解进行筛选后，选择一组攻角与俯仰角之差小于0.2°的可能解作为正确解。
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