張甲奇 劉朝君 多瑞楠

摘要：針對高空高速飛行器的空速系統(tǒng)校準(zhǔn)，提出了一種基于高空氣象探測氣球系統(tǒng)的空速校準(zhǔn)方法。通過探空氣球系統(tǒng)獲取飛行空域的大氣數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)完成對飛行器的空速系統(tǒng)校準(zhǔn)。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，采用探空氣球系統(tǒng)對高空高速飛行器進(jìn)行空速系統(tǒng)校準(zhǔn)，方法可行、結(jié)果可信。

關(guān)鍵字：高空高速；飛行器；空速校準(zhǔn)；探空氣球；GPS系統(tǒng)

中圖分類號：V279

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.032

近年來，隨著航空技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍用領(lǐng)域?qū)︼w行器的飛行高度、速度提出了更高的要求。美國、俄羅斯等航空航天大國對高空高速飛行器開展了大量研究，并已開展了相關(guān)的飛行試驗(yàn)。此類飛行器多為無人駕駛，飛行高度通常在平流層，飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)Ma3以上，具有航速快、航程遠(yuǎn)、機(jī)動性強(qiáng)、生存力高等特點(diǎn)，在未來軍事領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義。

飛行器基本飛行參數(shù)（如速度、高度、迎角、姿態(tài)角等）的準(zhǔn)確性直接影響飛行安全與飛行性能。然而，任何空速系統(tǒng)都會存在誤差，必須通過飛行試驗(yàn)予以修正。高空高速飛行器飛行高度大、飛行速度快，外界大氣壓力低、激波作用強(qiáng)，對飛行器空速測量影響較大，尤其飛行速度，必須進(jìn)行修正。

目前，飛行試驗(yàn)中多采用GPS速度法完成飛行器的空速系統(tǒng)校準(zhǔn)，GPS速度法需要在飛行中采用正反航向、三邊法等消除風(fēng)速影響。高空高速飛行器高空飛行轉(zhuǎn)彎半徑極大，不適合采用GPS速度法校準(zhǔn)空速系統(tǒng)。為此，本文借助氣象領(lǐng)域的高空探測氣球系統(tǒng)，獲得飛行器飛行空域大氣的真實(shí)靜壓、靜溫、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，以此為基礎(chǔ)完成對飛行器空速系統(tǒng)的校準(zhǔn)。此方法只需飛行器在試驗(yàn)高度保持穩(wěn)定平飛、無須進(jìn)行正反航向飛行，能夠降低飛行成本、縮短試飛周期，對無法進(jìn)行正反航向飛行的飛行器也能夠完成空速系統(tǒng)校準(zhǔn)。

1GPS高空探測氣球系統(tǒng)

高空高速飛行器大多在平流層飛行。平流層一般指由對流層以上到50km左右的空間，在此高度范圍氣流運(yùn)動相當(dāng)平穩(wěn)，塵埃很少，大氣的透明度很高，是高空高速飛行器的理想飛行環(huán)境。

GPS高空探測氣球系統(tǒng)是測量、研究高空平流層大氣的重要工具，主要由高空氣球、探空儀和地面接收站組成，如圖1所示。該系統(tǒng)通常以5～6m/s速度上升，高度可達(dá)30km以上。探空儀通過引線搭載于高空氣球，內(nèi)含先進(jìn)的GPS模塊及各類大氣傳感器，可探測三維位置坐標(biāo)以及大氣壓力、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、露點(diǎn)溫度等氣象數(shù)據(jù)。測量精度高、靈活性好、釋放不受氣候因素影響，在大氣研究和天氣預(yù)報(bào)中起到重要作用。

2校準(zhǔn)方法

（1）校準(zhǔn)原理

在基于探空氣球系統(tǒng)的空速校準(zhǔn)中，以GPS高度為關(guān)聯(lián)量，將探空儀采集的大氣參數(shù)轉(zhuǎn)換到飛行器所在高度的大氣參數(shù)，以此完成對飛行器空速系統(tǒng)的校準(zhǔn)。空速校準(zhǔn)原理如圖2所示，其中Vw為風(fēng)速，ψw為風(fēng)向，P為大氣真實(shí)靜壓，T為大氣真實(shí)靜溫。

（2）數(shù)據(jù)處理方法

基于探空氣球系統(tǒng)的空速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理可采用速度法和壓力法進(jìn)行。速度法是利用探空儀獲得的風(fēng)速、風(fēng)向和靜溫，并結(jié)合飛行器地速Vg.總壓Pt（認(rèn)為無失真）測量結(jié)果完成空速系統(tǒng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法如圖3所示。壓力法是利用探空儀測得的大氣靜壓值，并結(jié)合飛行器測得的總壓完成空速系統(tǒng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法如圖4所示。數(shù)據(jù)處理的兩種方法使用的主要公式為式（1）～式（7）。式中：Vt為飛行器真空速；Vg飛行器地速；Vw為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速；c為當(dāng)?shù)芈曀伲籖為氣體常數(shù)；k為絕熱指數(shù)；Ma為馬赫數(shù)；q為來流動壓；Vc為飛行器空速；Hp為氣壓高度。

從圖3和圖4可以看出，速度法原理相對復(fù)雜，求解過程環(huán)節(jié)較多。壓力法求解過程簡單，環(huán)節(jié)少。速度法求解不需要探空儀測量的壓力值，在外界大氣壓力較小（Hp>30km）、靜壓測量精度不夠的情況下，宜采用速度法。壓力法求解只需要探空儀測量的大氣壓力值，在風(fēng)速、風(fēng)向變化較大時(shí)，壓力法具有較好的穩(wěn)定性。式中：C為大氣采集參數(shù)?；谔娇諝馇蛳到y(tǒng)的空速校準(zhǔn)方法主要誤差來源是由于探空儀與飛行器所在位置和測量時(shí)刻不同，導(dǎo)致大氣參數(shù)之間差異對空速系統(tǒng)校準(zhǔn)帶來的誤差。通常，高空大氣穩(wěn)定，局部空域、短期內(nèi)大氣參數(shù)變化量很小，不同位置和時(shí)刻測量的大氣參數(shù)差異很小，對空速校準(zhǔn)結(jié)果的影響較小。

3數(shù)據(jù)分析

（1）大氣測量參數(shù)

對于某次空速校準(zhǔn)試飛科目，分別于飛行前和飛行后兩次釋放探空氣球，完成飛行空域的大氣參數(shù)測量，兩次測量時(shí)間間隔為3h。通過數(shù)據(jù)處理、分析兩次測量結(jié)果，得出飛行空域的大氣參數(shù)，以進(jìn)行飛行器空速系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

式（9）～式（12）定義了兩次測量結(jié)果的相對變化量關(guān)系。其中，0代表第一次釋放探空氣球采集得到的大氣參數(shù)值，3代表間隔3h后第二次得到的大氣參數(shù)值。圖5～圖8為間隔3h試驗(yàn)空域大氣靜壓、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向相對變化量。

從圖5～圖8可以看出，相對低空，高空（Hp>llkm）大氣參數(shù)整體相對穩(wěn)定，變化量較小。其中，大氣壓力的相對變化量最小，不大于0.3%；風(fēng)速的相對變化量最大，也不大于8%。

通過對飛行空域的大氣參數(shù)測量結(jié)果分析可以看出，高空大氣運(yùn)動相當(dāng)平緩，短期內(nèi)大氣壓力值、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間的變化量相對較小，在空速校準(zhǔn)中可認(rèn)為大氣參數(shù)保持不變。

（2）空速校準(zhǔn)結(jié)果

通過兩次飛行試驗(yàn)完成飛行器空速系統(tǒng)校準(zhǔn)，式（13）～式（15）定義了校準(zhǔn)結(jié)果與機(jī)載結(jié)果的相對量關(guān)系，表1為飛行器空速校準(zhǔn)結(jié)果。式中：下標(biāo)i為機(jī)載值，Ma，Hp，V為馬赫數(shù)、氣壓高度、表速的校準(zhǔn)值。

由表1可以看出，對飛行器巡航狀態(tài)的空速校準(zhǔn)，兩次試驗(yàn)（不同日期）得到的校準(zhǔn)結(jié)果相當(dāng)，滿足試驗(yàn)精度要求，這說明采用探空氣球系統(tǒng)開展高空高度飛行器空速校準(zhǔn)方法可行。此外，對于同一飛行架次，壓力法和速度法得到的校準(zhǔn)結(jié)果差異很小，這也表明兩種數(shù)據(jù)處理方法均可得到有效結(jié)果。

4結(jié)束語

目前，常規(guī)空速校準(zhǔn)方法難以有效地完成高空高速飛行器空速系統(tǒng)校準(zhǔn)。結(jié)合高空大氣特點(diǎn)，本文提出了借助于高空探測氣球系統(tǒng)完成飛行器空速系統(tǒng)的校準(zhǔn)，并通過飛行試驗(yàn)證明方法可行、結(jié)果可信，能夠用于高空高速飛行器空速系統(tǒng)校準(zhǔn)。