基于探空氣球系統的高空高速飛行器空速校準方法研究

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校準，提出了一種基于高空氣象探測氣球系統的空速校準方法。通過探空氣球系統獲取飛行空域的大氣數據，以此為基礎完成對飛行器的空速系統校準。飛行試驗結果表明，采用探空氣球系統對高空高速飛行器進行空速系統校準，方法可行、結果可信。

關鍵字：高空高速；飛行器；空速校準；探空氣球；GPS系統

中圖分類號：V279

文獻標識碼：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.032

近年來，隨著航空技術的迅猛發展，軍用領域對飛行器的飛行高度、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，并已開展了相關的飛行試驗。此類飛行器多為無人駕駛，飛行高度通常在平流層，飛行速度達到馬赫數Ma3以上，具有航速快、航程遠、機動性強、生存力高等特點，在未來軍事領域具有重大戰略意義。

飛行器基本飛行參數（如速度、高度、迎角、姿態角等）的準確性直接影響飛行安全與飛行性能。然而，任何空速系統都會存在誤差，必須通過飛行試驗予以修正。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，對飛行器空速測量影響較大，尤其飛行速度，必須進行修正。

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

1GPS高空探測氣球系統

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動相當平穩，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境。

GPS高空探測氣球系統是測量、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。該系統通常以5～6m/s速度上升，高度可達30km以上。探空儀通過引線搭載于高空氣球，內含先進的GPS模塊及各類大氣傳感器，可探測三維位置坐標以及大氣壓力、溫度、風速、風向、濕度、露點溫度等氣象數據。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報中起到重要作用。

2校準方法

（1）校準原理

在基于探空氣球系統的空速校準中，以GPS高度為關聯量，將探空儀采集的大氣參數轉換到飛行器所在高度的大氣參數，以此完成對飛行器空速系統的校準。空速校準原理如圖2所示，其中Vw為風速，ψw為風向，P為大氣真實靜壓，T為大氣真實靜溫。

（2）數據處理方法

基于探空氣球系統的空速校準數據處理可采用速度法和壓力法進行。速度法是利用探空儀獲得的風速、風向和靜溫，并結合飛行器地速Vg.總壓Pt（認為無失真）測量結果完成空速系統校準，校準方法如圖3所示。壓力法是利用探空儀測得的大氣靜壓值，并結合飛行器測得的總壓完成空速系統校準，校準方法如圖4所示。數據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為當地風速；c為當地聲速；R為氣體常數；k為絕熱指數；Ma為馬赫數；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，速度法原理相對復雜，求解過程環節較多。壓力法求解過程簡單，環節少。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，在風速、風向變化較大時，壓力法具有較好的穩定性。式中：C為大氣采集參數。基于探空氣球系統的空速校準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刻不同，導致大氣參數之間差異對空速系統校準帶來的誤差。通常，高空大氣穩定，局部空域、短期內大氣參數變化量很小，不同位置和時刻測量的大氣參數差異很小，對空速校準結果的影響較小。

3數據分析

（1）大氣測量參數

對于某次空速校準試飛科目，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測量，兩次測量時間間隔為3h。通過數據處理、分析兩次測量結果，得出飛行空域的大氣參數，以進行飛行器空速系統的校準。

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

從圖5～圖8可以看出，相對低空，高空（Hp>llkm）大氣參數整體相對穩定，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測量結果分析可以看出，高空大氣運動相當平緩，短期內大氣壓力值、溫度、風速、風向隨時間的變化量相對較小，在空速校準中可認為大氣參數保持不變。

（2）空速校準結果

通過兩次飛行試驗完成飛行器空速系統校準，式（13）～式（15）定義了校準結果與機載結果的相對量關系，表1為飛行器空速校準結果。式中：下標i為機載值，Ma，Hp，V為馬赫數、氣壓高度、表速的校準值。

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

4結束語

目前，常規空速校準方法難以有效地完成高空高速飛行器空速系統校準。結合高空大氣特點，本文提出了借助于高空探測氣球系統完成飛行器空速系統的校準，并通過飛行試驗證明方法可行、結果可信，能夠用于高空高速飛行器空速系統校準。