[发明专利]高空驻空飞行器风速风向实时测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明主要用于高空驻空飞行器的飞行控制。其作用是提供飞行控 制所需的实时相对风速/风向信息(空速/侧滑角)和真风速/风向信息。 本发明的领域属于航空测控技术。

背景技术

高空驻空飞行器包括平流层飞艇、临近空间浮升一体飞行器、高空 气球等飞行器。近年来在区域大气环境监测、防灾减灾、高分辨率实时 监视、预警和导弹防御、反恐、区域通信等需求的驱动下，以平流层飞 艇为代表的高空驻空型飞行器引起了各国的普遍重视，美国、日本、俄 罗斯、韩国、欧盟、中国等主要国家陆续启动了相关的研究计划，开始 了较深入的研究开发工作。

高空驻空飞行器体积庞大，运动速度低，其动力学特性受风的影响 很大。此外，驻空要求，使得这类飞行器经常要迎风飞行或悬停。因此 对风速、风向进行实时、准确的测量是实施长期驻空以及提高飞行控制 品质的前提。

当风速传感器安装在飞行器上时，所测量的风速为相对风速，即大 气相对于飞行器的速度。通常更习惯用飞行器相对于大气的速度来描述 相对风速，称之为空速。空速(或相对风速)与真风速之间有以下关系：

真风速矢量＝地速矢量-空速矢量

用数学公式表述为

V→w=V→G-V→a---(1)]]>

其中，分别为真风速、地速和空速矢量。

地速可通过飞行器配备的GPS/INS组合导航系统精确测量，所以 获取了相对风速(空速)也就意味着获取了真风速对大气飞行 器来说，准确测量空速的意义不仅限于获取真风速，空速/侧滑角本身 就是飞行控制中一个重要的参考量。

在航空领域空速测量的标准方法是采用压差空速计，通过测量动压 得到空速。低速时动压与空速之间满足伯努利方程

Δp=12ρVa2---(2)]]>

可见，动压与大气密度ρ成正比，与空速的平方成正比。

在高空，由于大气非常稀薄，加上高空驻空飞行器航速较低，导致 动压非常小，精确测量空速非常困难。另一方面，由于动压与空速的平 方成正比，为了应付极端大风情况，压差传感器的量程还不能太小，这 进一步加剧了常规飞行时空速提取的难度。

表1给出了20km高度不同空速所对应的动压值。当速度小于4m/s 时，动压＜1Pa，速度为8m/s时，动压也仅有2.8Pa。从如此微弱的信号 中，准确提取空速非常困难，要求压差传感器有极高的精度和分辨率。

表1  20km高度不同空速所对应的动压