GPS法空速校準(zhǔn)試飛技術(shù)的分析與應(yīng)用

1、GPS法空速校準(zhǔn)試飛技術(shù)的分析與應(yīng)用摘要：本文是CCAR 23部限定的正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)的GPS 法空速校準(zhǔn)的試飛方法、原理和要求進(jìn)行討論。著重研究了 GPS“三角形法空速 校準(zhǔn)中求解校正空速和位置誤差的整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程，最后還簡(jiǎn)要介紹了在實(shí)際 運(yùn)用過(guò)程的中注意事項(xiàng)和“四葉苜蓿形法。關(guān)鍵詞：空速校準(zhǔn)、三角形法”、位置誤差。Analysis and Application of Air Speed Calibration Test by GPS MethodLIU Wenchuan（Avic Harbin Aircraft Industry Group Co.，Ltd. Harb

2、in）Abstract： This paper is discuss the flight test method、principle and requirement for air speed calibration test by GPS method of the CCAR 23 limited aircraft. The whole data processing process for solving the correction of airspeed and position error in the air speed calibration test by GPS “tria

3、ngle method” is emphatically studied. at the end of paper， also briefly introduced the matters of attention in the process of practical application and “clover leaf method”.Key words： air speed calibration， “triangle method”，position error1引言空速校準(zhǔn)試飛是飛行試驗(yàn)的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外已先后發(fā)展過(guò)的空速校準(zhǔn)試飛方法 有速度歷程法、拖曳錐或拖曳彈法、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)法、照相法

4、、塔測(cè)法等。隨著科技的 發(fā)展，現(xiàn)今的GPS精度高，實(shí)施簡(jiǎn)單，同時(shí)GPS法進(jìn)行空速校準(zhǔn)同時(shí)也是飛行 試驗(yàn)指南（AC 23-8B）推薦的空速校準(zhǔn)試飛方法之一，以此對(duì)GPS法進(jìn)行空速 校準(zhǔn)進(jìn)行了分析與論證。2試驗(yàn)原理2.1空速校準(zhǔn)的概念飛機(jī)在飛行中，由空速系統(tǒng)測(cè)定前方來(lái)流的總壓和外界大氣的靜壓，然后由 此解算得到空速，理想的空速系統(tǒng)要求在飛機(jī)的整個(gè)飛行高度速度范圍內(nèi)指示的 空速及氣壓高度等于真值，而對(duì)于實(shí)際飛行而言，空速系統(tǒng)的指示均不可避免地 存在一定的誤差，其中主要是位置誤差，空速校準(zhǔn)就是通過(guò)試飛找出該誤差。2.2 GPS法空速校準(zhǔn)原理概述在開(kāi)展空速校準(zhǔn)試飛時(shí)，假設(shè)總壓的測(cè)量誤差為0,所以位置誤差

5、認(rèn)為是全 部由靜壓測(cè)量誤差引起的，即總位置誤差就是靜壓誤差?？梢缘贸觯?-1）公式中：為總位置誤差，為靜壓誤差，為校正空速系統(tǒng)動(dòng)壓，是指示空速 系統(tǒng)動(dòng)壓。試驗(yàn)機(jī)安裝GPS或DGPS （差分GPS）系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以得出試驗(yàn)機(jī)的實(shí) 時(shí)空間位置和實(shí)時(shí)地速（矢量），當(dāng)按照特定的飛行方式進(jìn)行試飛時(shí)，通過(guò)解算 可以得出試驗(yàn)機(jī)的真實(shí)空速和風(fēng)速。然后根據(jù)真實(shí)空速、氣壓高度和大氣靜溫等 參數(shù)便可以解算出試驗(yàn)機(jī)的校正空速。詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理方法見(jiàn)第3章。3試驗(yàn)的具體執(zhí)行3.1加裝測(cè)試設(shè)備在實(shí)際開(kāi)展的空速校準(zhǔn)試飛時(shí)，為了滿足任務(wù)需要，首先需要對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 必要的加改裝，以獲取并采集試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。應(yīng)確保加裝的采集、記

6、錄設(shè)備有足 夠的精度。3.2試飛方法根據(jù)飛行試驗(yàn)指南（AC 23-8B）中“附錄9”推薦方法，選擇“三角形法進(jìn) 行試飛，即在給定的飛機(jī)構(gòu)型下，飛機(jī)保持航向、以給定的高度、空速進(jìn)行平飛， 穩(wěn)定一段時(shí)間（在實(shí)際的空速校準(zhǔn)試飛中，保持穩(wěn)定平飛的時(shí)間不少于30s為 宜），此為第一邊”；然后操縱飛機(jī)航向偏轉(zhuǎn)120進(jìn)入第二邊”，保持該航向重 復(fù)第一邊”內(nèi)容；以第二邊”相同的方式偏轉(zhuǎn)飛機(jī)進(jìn)入第三邊”，重復(fù)第一邊”內(nèi) 容。整個(gè)過(guò)程按一個(gè)連續(xù)順序進(jìn)行。在空速校準(zhǔn)試飛中需要采集和記錄的主要參 數(shù)有兩類：飛機(jī)的指示參數(shù)、GPS參數(shù)和飛機(jī)構(gòu)型參數(shù)，包括重量、磁航向、指 示空速、氣壓高度、大氣靜溫、GPS時(shí)間、GPS三

7、向速度、襟翼位置和起落架狀 態(tài)。3.3試飛技術(shù)要求利用GPS“三角形法”進(jìn)行空速校準(zhǔn)試飛時(shí)，不穩(wěn)定的風(fēng)會(huì)對(duì)地速的結(jié)果產(chǎn)生 不好的影響，從而最終影響校正空速的結(jié)果。因此要求試飛在穩(wěn)定的大氣環(huán)境下 進(jìn)行，即要求試驗(yàn)高度上風(fēng)向、風(fēng)速穩(wěn)定，不會(huì)引起飛機(jī)的顛簸。GPS “三角形法” 空速校準(zhǔn)主要要求試驗(yàn)高度上的風(fēng)速和風(fēng)向穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)速的大小反而沒(méi)有太過(guò)嚴(yán) 格的要求（如地速基線法要求風(fēng)速小于3m/s），但風(fēng)速最好不要過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)大 的風(fēng)速可能會(huì)造成靜壓誤差不正常的偏大。另外，在GPS“三角形法”空速校準(zhǔn)試 飛中，要求試飛員控制飛機(jī)在每個(gè)邊”上的飛行的穩(wěn)定性。3.4數(shù)據(jù)處理方法這里將簡(jiǎn)要介紹利用GPS“三角形

8、法”空速校準(zhǔn)試飛中的數(shù)據(jù)處理方法。a）利用GPS數(shù)據(jù)求解真空速GPS法空速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理的基本公式本質(zhì)上就是真空速等于地速和風(fēng)速的矢 量和（3-1）公式中：為真實(shí)空速，是地速，為風(fēng)速，上式是三個(gè)參數(shù)的矢量表達(dá)方式， 分解為北向和東向分量后（3-2）（3-3）其中地速的北向和東向的分量可以通過(guò)GPS系統(tǒng)直接獲得，真空速的關(guān)系可 以寫(xiě)為真空速的平方等于它的分量的平方和（3-4）將公式3-2和3-3帶入公式3-4，并利用GPS法空速校準(zhǔn)要求三邊”之間指示 空速、高度一致，那么三邊的真空速為一個(gè)固定值，同時(shí)要求進(jìn)行空速校準(zhǔn)試飛 時(shí)試驗(yàn)空域內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向不變，即也是固定值，結(jié)合GPS三邊試飛的輸出數(shù)據(jù)可 以

9、得出（3-5）公式中、為GPS輸出量，將GPS系統(tǒng)測(cè)得的地速分量分別代入，很容易求解 得出風(fēng)速分量x、y （即）的值。將風(fēng)速分量x、y的值代入后，便可以得到此刻 飛機(jī)的真空速的值。b）結(jié)合機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)確定校正空速和位置誤差由于求解校正空速涉及的公式較多，所以在這里用倒推的方式進(jìn)行討論，運(yùn) 12F飛機(jī)的最大平飛速度約為207kts，顯然要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件海平面的音 速（661.48kts），因此計(jì)算校正空速的公式采用的是（3-6）公式中為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件海平面的音速，為校正空速的動(dòng)壓，是標(biāo)準(zhǔn)大氣條 件海平面大氣壓強(qiáng)。可以看出，要想求得校正空速的值，需要確定飛機(jī)此刻的動(dòng) 壓，在空氣動(dòng)力學(xué)中，M1時(shí)

10、，動(dòng)壓和靜壓關(guān)系式為（3-7）公式中為前高度的大氣靜壓，M為飛機(jī)此刻的馬赫數(shù)。也就是說(shuō)，要想確定 飛機(jī)此刻動(dòng)壓的值，還需要知道當(dāng)前高度大氣靜壓和當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)的大小，其中（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）公式中H是當(dāng)前氣壓高度，a為此時(shí)音速（與大氣靜溫有關(guān)），是溫度比， Th為當(dāng)前大氣靜溫。此時(shí)真空速VT已經(jīng)由GPS結(jié)算得出，那么只需要再知道當(dāng) 前的氣壓高度H、大氣靜溫Th，便可以解算出校正空速的值。當(dāng)前氣壓高度H需要用迭代的方式確定，前面提到靜壓誤差等于動(dòng)壓誤差 （第2.2節(jié)），因此可以通過(guò)動(dòng)壓誤差來(lái)求解位置誤差，即（3-12）（3-13）（3-14）（3-15）公式中為密度比，為壓力

11、比，為指示空速的動(dòng)壓，得出關(guān)系式為（3-16）但同時(shí)當(dāng)前動(dòng)壓的值又取決于氣壓高度H的大小。（3-17）所以首先需要用迭代的方式確定，最終解算出校正空速。以上便是整個(gè)GPS法空速校準(zhǔn)試飛數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，在所能找到的所有相關(guān) 文獻(xiàn)中，都只是概略的講述了該數(shù)據(jù)處理的原理，受篇幅限制這里不再詳細(xì)講解 計(jì)算過(guò)程，只簡(jiǎn)要介紹了推導(dǎo)過(guò)程。GPS“三角形法空速校準(zhǔn)運(yùn)用中的注意事項(xiàng)在實(shí)際運(yùn)用GPS“三角形法進(jìn)行空速校準(zhǔn)試飛時(shí)，需要相關(guān)試驗(yàn)人員注意以 下內(nèi)容：a）由于空中不同地點(diǎn)的風(fēng)速變化較大，三邊試飛中空域不應(yīng)變化太大；b）三邊高度差民航的要求是50ft，實(shí)際試飛中難以達(dá)到，數(shù)據(jù)選取時(shí)按100ft 掌握；c）航

12、向應(yīng)使用GPS計(jì)算的航向，不應(yīng)當(dāng)使用數(shù)據(jù)曲線中顯示的飛機(jī)航向；d）試驗(yàn)時(shí)需保證飛機(jī)的總壓準(zhǔn)確，試驗(yàn)前需進(jìn)行總壓校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理時(shí)可根 據(jù)總壓及空速誤差計(jì)算出靜壓誤差；e）試飛中，高度、速度的保持比預(yù)期的更難，試飛時(shí)要有足夠的耐心；f）試飛盡量早起進(jìn)行，早上氣流穩(wěn)定。GPS“四葉苜蓿形法空速校準(zhǔn)介紹在介紹該方法之前，先簡(jiǎn)單分析GPS“三角形法空速校準(zhǔn)試飛的一點(diǎn)不足之 處，首先，該方法需要保持空速時(shí)間為至少20s，這就意味這在這20s里飛行員 的注意力要高度集中，操縱飛機(jī)的動(dòng)作高度謹(jǐn)慎，其實(shí)這對(duì)于飛行員來(lái)是比較辛 苦。其次，在三邊的定速平飛中，哪怕只有一邊過(guò)長(zhǎng)，便很容易導(dǎo)致“三角形”區(qū) 域過(guò)大，進(jìn)而

13、無(wú)法保證在整個(gè)空速校準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速大小不變、方向穩(wěn)定。下面介紹另外一種GPS空速校準(zhǔn)的方法，可以稱之為四葉苜蓿形法”，要求 在風(fēng)速風(fēng)向保持常量的情況下，飛機(jī)以給定的高度和速度，連續(xù)轉(zhuǎn)彎三次通過(guò)共 同的空中交點(diǎn)，航向之間相差120，空速和高度一致，具體飛行動(dòng)作見(jiàn)圖1。它 與三角形法”有相似的飛行動(dòng)作和試驗(yàn)原理，完全相同的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。但該方 法只要求在通過(guò)交點(diǎn)時(shí)保持空速即可，建議大約保持時(shí)間10s，同時(shí)，由于真正 的試驗(yàn)區(qū)域只有交點(diǎn)周?chē)苄〉姆秶虼丝梢愿玫谋ＷC試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速和風(fēng) 向的穩(wěn)定性，從而提高試飛數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是該方法也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是與 三角形法”相比，該動(dòng)作稍顯復(fù)雜。圖1 “四葉苜蓿形法”飛行動(dòng)作6小結(jié)使用“GPS ”方法校準(zhǔn)空速，有其優(yōu)越的測(cè)試精度和便捷性，同時(shí)對(duì)在很大程度 上放寬了對(duì)場(chǎng)地和氣象的要求，且不需要空