CN112763138A - 一种飞越塔静压校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞越塔静压校准方法，所述的内容包括试验原理、试验程序和试飞数据处理，是一种基准静压测量方法。试验原理与传统飞越塔法的基本原理相同，但高度差测量采用GPS系统代替传统的照相测量技术。同时使用无人机平台构建虚拟的高塔，以扩展该方法的测量高度范围和速度范围，降低飞行试验的风险。该方法具有通用性，可用于飞机空速系统校准和拖锥等静压测量系统的校准，扩展了传统方法的校准范围。

Description

一种飞越塔静压校准方法

技术领域

本发明用于飞机静压系统和拖锥等静压测量系统的飞行试验校准。

背景技术

飞越塔法是测量精度较高的一种用于静压校准的基础方法，传统飞越塔法的校准过程为：飞机在跑道上空15m(50ft)～30m(100ft)高度上以不同的襟缝翼、起落架构型和速度稳定平飞，跑道旁的高塔上布置有高精度静压传感器、通过比较飞机测量静压和高塔上的静压传感器测量值可以获得飞机飞行高度的基准静压，进行飞机的静压校准。该方法也适用于对拖锥等其他静压测量系统进行校准。为提高测量精度，要求飞机飞行高度与高塔上的静压传感器所在高度尽可能一致，但通常飞机飞行高度与高塔上的静压传感器所处高度不可能严格相等，结合图1所示，传统飞越塔法中在高塔上布置照相设备，当飞机飞越高塔时，使用光学测量的原理测量飞机飞行高度与静压传感器之间的高度差，并修正该高度差。

传统飞越塔法有如下缺点：

1)受塔的高度限制，飞机飞行高度低，低空飞行不仅风险大，飞行的速度和马赫数也受限制，无法获得飞机全包线范围内的静压误差。

2)试验飞机必须沿地面的基准线(一般为机场的跑道)飞行，试验区域受限，对飞行员的操作要求高，且飞机连续在跑道上空飞行，影响机场运行。

3)采用照相机进行高度差测量，测量过程繁琐，操作要求高。

因此在飞机的静压校准试飞中，传统飞越塔法基本上已不采用。但由于该方法测量精度高，因此在对拖锥等高精度静压测量系统进行飞行试验校准时还使用飞越塔法，但传统方法的问题依然存在。

随着GPS定位系统和无人机系统的发展，可以对传统飞行塔法进行改进，以解决传统方法的缺点，满足飞机静压系统和拖锥等高精度静压测量系统的飞行试验校准。

发明内容

本发明的目的：提出一种基于GPS定位系统和无人机平台的飞越塔静压校准飞行试验方法，可用于飞机静压系统和拖锥等高精度静压测量系统的飞行试验校准。

本发明的技术方案：

本发明，提供一种飞越塔静压校准方法，所述校准方法包括以下步骤：

将第一静压传感器、第一GPS天线和数据采集记录器布置于无人机平台；其中，第一静压传感器和第一GPS天线采集的数据发送给数据采集记录器；第一GPS天线用于测量第一静压传感器所在位置的几何高度；

第二GPS天线和拖锥布置于飞机上，飞机在无人机高度包线范围内任一高度上进行稳定平飞；拖锥上安装有第二静压传感器；第二GPS天线用于测量第二静压传感器的几何高度；

计算第二静压传感器与第一静压传感器之间的几何高度差；将所述几何高度差换算为气压高度差；

利用第一静压传感器获取第一静压传感器所在位置的气压高度；将所述气压高度差与气压高度作和，作为飞机飞行的基准气压高度；将基准气压高度换算为基准静压；

将基准静压与飞机上拖锥的测量静压进行做差，得到拖锥的静压误差。

进一步地，无人机悬停于指定高度。

进一步地，第一GPS天线测量第一静压传感器的几何高度时，首先第一GPS天线获取第一GPS天线所在位置的几何高度，然后根据第一GPS天线和第一静压传感器的坐标位置，计算第一GPS天线和第一静压传感器的几何高度差；利用第一GPS天线的几何高度计算得到第一静压传感器的几何高度。

进一步地，第一静压传感器位于无人直升机旋翼产生的扰流区域以外。

进一步地，几何高度差换算为气压高度差的计算公式为，

式中，ΔH_p为气压高度，ΔH_GPS为几何高度差，T_std为标准大气温度，T_atm为试验时的大气温度。公式中的温度修正是为了将高于或低于基准点的几何高度转换为气压高度以便与基准点的气压高度(无人机上的高精度静压传感器测量获得)相加或相减。

进一步地，基准气压高度H_cref的计算公式为

式中，H_iUAV为无人机上的第一静压传感器测量计算的气压高度。

进一步地，拖锥从飞机垂尾顶端伸出，飞行时，拖锥的放出长度位于飞机的扰流区外。

进一步地，第二GPS天线测量第二静压传感器的几何高度时，首先第二GPS天线测量第二GPS天线所在位置的高度，然后根据飞机的俯仰角和第二GPS天线与第二静压传感器的坐标值，计算第二静压传感器所在位置与第二GPS天线之间的几何高度差；

利用第二GPS天线的几何高度计算第二静压传感器的几何高度。

本发明的优点：

1、采用GPS系统代替照相机进行高度差测量，测量方法精度高、操作简便；

2、采用无人机平台代替高塔，飞行校准高度不再受塔高限制，飞行高度高，可校准的速度范围和马赫数范围大，同时也避免了低空飞行的风险。

附图说明

图1为传统飞越塔静压校准方法示意图；

图2为本实施例的飞越塔布局示意图；

图3为本实施例飞机的GPS和拖锥安装位置示意图。

具体实施方式

本实施例，提供一种飞越塔静压校准方法，具体包括以下内容：

(1)采用无人机平台代替高塔，进行高精度静压传感器的布置。

传统飞越塔静压校准方法将高精度静压传感器布置在跑道旁的高塔上，如图1所示。受限于塔的高度和位置，在传统飞越塔法中，飞机在以不同的襟缝翼、起落架构型和速度稳定平飞，飞行高度低，飞行速度和马赫数范围小，长时间占据机场跑道上方空域，影响其他飞机起降。

本实施例，采用无人机平台代替高塔，将高精度静压传感器布置在无人机上，由无人机将高精度静压传感器带到高空，并且可远离机场上方空域。这样通过无人机平台，飞行高度不再局限于跑道上空15m(50ft)～30m(100ft)高度，飞机高度可采用无人机包线中的任一高度。同时飞机的飞行速度也可以扩大，以ARJ21－700飞机为例，在低空(1524米以下)，飞机的限制速度为293kn，而在3000米的飞行高度上(无人机可以达到该高度)，飞机稳定平飞可以达到最大使用速度330kn。因此，本实施例，可用于飞机全包线范围内的静压系统校准。对于拖锥等高精度静压测量系统的校准，采用本实施例可以进行更大马赫数条件下的校准。

(2)采用GPS代替照相机，确定飞机飞行的基准静压与拖锥的静压误差。

如图1所示，传统方法在高塔上布置照相机，当飞机飞越高塔时采用照相机进行照相，使用光学测量方法获得飞机飞行高度与高塔上的静压传感器之间的高度差。这种操作方法虽然可以满足精度要求，但对操作者的操作技巧要求高。本实施例，具体包括以下步骤：

①本实施例，将第一静压传感器、第一GPS天线和数据采集记录器布置于无人机平台；其中，第一静压传感器和GPS天线采集的数据发送给数据采集记录器；第一GPS天线用于测量第一静压传感器所在位置的几何高度。本实施例，无人机悬停于指定高度。第一静压传感器位于无人直升机旋翼产生的扰流区域以外。

本实施例，第一GPS天线测量第一静压传感器的几何高度时，首先第一GPS天线获取第一GPS天线所在位置的几何高度，然后根据第一GPS天线和第一静压传感器的坐标位置，计算第一GPS天线和第一静压传感器的几何高度差；利用第一GPS天线的几何高度计算得到第一静压传感器的几何高度。

②第二GPS天线和拖锥布置于飞机上，飞机在无人机高度包线范围内任一高度上进行稳定平飞；拖锥上安装有第二静压传感器；第二GPS天线用于测量第二静压传感器的几何高度。本实施例，拖锥从飞机垂尾顶端伸出，飞行时，拖锥的放出长度位于飞机的扰流区外。

本实施例，第二GPS天线测量第二静压传感器的几何高度时，首先第二GPS天线测量第二GPS天线所在位置的高度，然后根据飞机的俯仰角和第二GPS天线与第二静压传感器的坐标值，计算第二静压传感器所在位置与第二GPS天线之间的几何高度差；利用第二GPS天线的几何高度计算第二静压传感器的几何高度。

③计算第二静压传感器与第一静压传感器之间的几何高度差；将所述几何高度差换算为气压高度差。

④利用第一静压传感器获取第一静压传感器所在位置的气压高度；将所述气压高度差与气压高度作和，作为飞机飞行的基准气压高度；将基准气压高度换算为基准静压。

⑤将基准静压与飞机上拖锥的测量静压进行做差，得到拖锥的静压误差。

以某次飞越塔静压校准方法为例，具体实施方式如下：

试验前在试验飞机和无人机平台上加装GPS，试验飞机加装拖锥系统，无人机上加装高精度静压传感器，如图2所示。

试验条件：

a)大气品质：确定拖锥系统的静压误差需要平稳的大气条件；目视飞行气象条件。

b)速度范围：校准的速度范围从1.23倍失速速度到飞机的最大使用速度或最大使用马赫数。

试验程序：

a)无人机携带高精度静压传感器、GPS和数据采集记录设备升空，飞行至指定高度悬停；

b)试验飞机起飞爬升至指定空域，将拖锥放出至规定的长度，如图3所示；

c)试验飞机沿无人机平台附近的一条基准线飞行，以恒定的速度和与无人机悬停高度大致相同的高度稳定飞行，经过无人机平台。主驾驶的任务是在飞行中保持一个恒定的指示高度。

d)试验飞机在1.23倍失速速度到最大使用速度或最大使用马赫数的速度范围内，以20km/h的速度间隔改变飞行速度，重复上述c)项的动作；

e)试验中要记录的数据有无人机上的静压和GPS高度，以及经过无人机时拖锥的静压和飞机上的GPS高度；

f)完成一个高度的试验后，无人机平台飞行至另一高度，重复完成上述c)项和d)项的内容，完成另一高度的拖锥系统校准。

数据处理：

a)使用无人机平台上记录的静压计算一个气压高度；

b)计算飞机上的GPS高度与拖锥静压传感器所在位置的几何高度差，计算过程中要使用飞机上的GPS天线和拖锥静压传感器的位置坐标，同时要考虑飞机俯仰姿态角的影响。

c)计算无人机平台上的静压传感器与无人机上的GPS之间的几何高度差；

d)通过无人机和飞机上的GPS高度以及上述b)项和c)项的几何高度差，计算无人机平台上静压传感器和飞机上的拖锥静压传感器之间的几何高度差；

e)将d)项的几何高度差换算成气压高度差，a)项的气压高度与该气压高度差求和或做差(当飞机高于无人机平台飞行时，进行求和；当飞机低于无人机平台飞行时，进行做差)，得到基准气压高度，再将基准气压高度换算成压力，即为基准静压；

f)基准静压减去拖锥的静压，即为拖锥的静压误差，绘制拖锥静压误差随飞行速度和高度的变化曲线，即得到飞机全包线范围内的拖锥静压误差。

Claims (8)

1.一种飞越塔静压校准方法，其特征在于，所述校准方法包括以下步骤：

将第一静压传感器、第一GPS天线和数据采集记录器布置于无人机平台；其中，第一静压传感器和第一GPS天线采集的数据发送给数据采集记录器；第一GPS天线用于测量第一静压传感器所在位置的几何高度；

第二GPS天线和拖锥布置于飞机上，飞机在无人机高度包线范围内任一高度上进行稳定平飞；拖锥上安装有第二静压传感器；第二GPS天线用于测量第二静压传感器的几何高度；

计算第二静压传感器与第一静压传感器之间的几何高度差；将所述几何高度差换算为气压高度差；

利用第一静压传感器获取第一静压传感器所在位置的气压高度；将所述气压高度差与气压高度作和，作为飞机飞行的基准气压高度；将基准气压高度换算为基准静压；

将基准静压与飞机上拖锥的测量静压进行做差，得到拖锥的静压误差。

2.根据权利要求1所述的静压校准方法，其特征在于，无人机悬停于指定高度。

3.根据权利要求1所述的静压校准方法，其特征在于，第一GPS天线测量第一静压传感器的几何高度时，首先第一GPS天线获取第一GPS天线所在位置的几何高度，然后根据第一GPS天线和第一静压传感器的坐标位置，计算第一GPS天线和第一静压传感器的几何高度差；利用第一GPS天线的几何高度计算得到第一静压传感器的几何高度。

4.根据权利要求1所述的静压校准方法，其特征在于，第一静压传感器位于无人直升机旋翼产生的扰流区域以外。

5.根据权利要求1所述的静压校准方法，其特征在于，几何高度差换算为气压高度差的计算公式为，

式中，ΔH_p为气压高度，ΔH_GPS为几何高度差，T_std为标准大气温度，T_atm为试验时的大气温度。

6.根据权利要求5所述的静压校准方法，其特征在于，

基准气压高度H_cref的计算公式为

式中，H_iUAV为无人机上的第一静压传感器测量计算的气压高度。

7.根据权利要求1所述的静压校准方法，其特征在于，拖锥从飞机垂尾顶端伸出，飞行时，拖锥的放出长度位于飞机的扰流区外。

8.根据权利要求1所述的静压校准方法，其特征在于，第二GPS天线测量第二静压传感器的几何高度时，首先第二GPS天线测量第二GPS天线所在位置的高度，然后根据飞机的俯仰角和第二GPS天线与第二静压传感器的坐标值，计算第二静压传感器所在位置与第二GPS天线之间的几何高度差；

利用第二GPS天线的几何高度计算第二静压传感器的几何高度。

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