三维超声波测风仪在低空低动态飞艇上的应用

殷玉娟+韩先兵

摘 要： 空速的准确测量对飞艇的安全飞行具有重要意义，在飞艇飞行速度较低时，超声波测风仪比皮托管测量空速的精度更高。通过使用验证，表明了三维超声波测风仪在低空低动态飞艇上测量空速是可行的。

关键词： 超声波测风仪；飞艇；空速

1、引言

飞艇采用比空气轻的氦气，从而产生浮力使飞艇停留在空中。由于不需要空气动力来提供升力，且飞艇囊体不能够承受太大外力，飞艇的飞行速度往往较低。利用皮托管测量空速的方法很难满足飞艇的空速测量精度要求。

飞艇空速是指飞艇相对于空气的运动速度，若以飞艇为参照物，则飞艇空速可认为是空气相对于飞艇的运动速度，即风速。因此，利用测风仪测量飞艇空速从原理上是可行的。

2、三维超声波测风仪的原理、特点及应用领域

2.1 三维超声波测风仪工作原理

三维超声波测风仪是应用超声波探测空气相对飞艇运动速度和方向，通过三组正交安装的超声波发射器和接收器，计算超声波正向传输与反向传输的时间差，进而计算空速的三轴分量；通过坐标变换，转换为相对飞艇机体坐标系的三轴空速，并由导航计算机进一步计算出飞艇的真空速、攻角、侧滑角。

2.2 超声波测风仪特点

相比较机械式测风仪，超声波测风仪的优点有：结构简单，没有旋转机械部件，不存在磨损和因结冰而冻住机械部件的问题；环境适应性强；启动风速低；反应速度快；测量范围广；而且在风速全量程范围内的输出为线性，且精度高。

2.3 超声波测风仪应用领域

因此，超声波测风仪广泛应用于气象站风速风向信息采集、建筑的震颤分析、机场低空风切变的监测、航海中风速风向的监测、海-气界面的通量交换监测、气体湍流测量、密闭环境下的气流追踪等领域[1]，其可靠性和精度也得到了广泛的印证，取得了较好的效果。

3、超声波测风仪在某型飞艇上的应用

3.1 超声波测风仪选型

某型低空低动态飞艇相关使用要求如下：

最大飞行高度：3000 m。

最大飞行速度：35 m/s。

供电体制：28V DC。

信号接口：RS422。

根据飞艇需求，超声波测风仪选用英国GILL公司研制生产的WindMaster Pro型超声波风速风向仪，产品外观图见图1。该产品具有免维护、海洋级316不锈钢结构、三维风向测量、32Hz标准输出，最大风速可测量至65m/s、增强的垂直方向分辨率和声速精度等特性。

Windmaster Pro测量超声波从上面的发射器到达下面的接收器之间的时间，并且与相反方向传输的时间相比较。同样地也比较其它上下两对发射器和接收器之间超声波传输的时间[2]。

功耗：工作直流电源9V～30V，功耗不大于2W。

信号接口：RS422/RS232/RS485。

重量：不大于1.7kg（不包括安装附件）。

3.2 机械设计

超声波测风仪安装于飞艇前腹部，该处前部无遮挡，且用支架（见图2）加大超声波与囊体之间距离，保证所测量的风速受到的扰动最小。安装时，超声波指北标记“N”指向飞艇艇首方向。

超声波测风仪在飞艇上的安装如图3所示，超声波采用倒挂式安装。

3.3 电气设计

超声波测风仪功耗很小，为布线方便及减少艇上电源系统接口，超声波用电由與其有通信关系的大气数据计算机提供。大气数据计算机整合所有大气数据传输至惯导部件，然后经由遥测系统下传至地面显示，如图4所示。

超声波测风仪直接输出的为三轴向风速，经计算得出空速。计算方法见式1。

式中：

V—空速

Vut—超声波U轴风速，单位m/s。

Vvt—超声波V轴风速，单位m/s。

Vwt—超声波W轴风速，单位m/s。

3.4 使用情况

某型飞艇在3年间，经过数十次飞行，飞行结果表明采用超声波测风仪测量的空速结果满足使用要求。

4、总结

本文论述了超声波测风仪原理，在飞艇应用中的选型、机械设计及电气设计等方面，并通过实际应用验证了超声波测风仪在飞艇空速测量方面的可行性。从实际应用结果可见，超声波测风仪可满足低空低动态飞艇的空速测量要求。

参考文献

[1]张捷光，齐文新，齐字.三维超声波测风原理与应用[J].计算机与数字工程，2013，45（1）：124-126.

[2]www.gill.co.uk.英国GILL公司网站.