基于探空气球系统的高空高速飞行器空速校准方法研究

张甲奇 刘朝君 多瑞楠

摘要：针对高空高速飞行器的空速系统校准，提出了一种基于高空气象探测气球系统的空速校准方法。通过探空气球系统获取飞行空域的大气数据，以此为基础完成对飞行器的空速系统校准。飞行试验结果表明，采用探空气球系统对高空高速飞行器进行空速系统校准，方法可行、结果可信。

关键字：高空高速；飞行器；空速校准；探空气球；GPS系统

中图分类号：V279

文献标识码：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.032

近年來，随着航空技术的迅猛发展，军用领域对飞行器的飞行高度、速度提出了更高的要求。美国、俄罗斯等航空航天大国对高空高速飞行器开展了大量研究，并已开展了相关的飞行试验。此类飞行器多为无人驾驶，飞行高度通常在平流层，飞行速度达到马赫数Ma3以上，具有航速快、航程远、机动性强、生存力高等特点，在未来军事领域具有重大战略意义。

飞行器基本飞行参数（如速度、高度、迎角、姿态角等）的准确性直接影响飞行安全与飞行性能。然而，任何空速系统都会存在误差，必须通过飞行试验予以修正。高空高速飞行器飞行高度大、飞行速度快，外界大气压力低、激波作用强，对飞行器空速测量影响较大，尤其飞行速度，必须进行修正。

目前，飞行试验中多采用GPS速度法完成飞行器的空速系统校准，GPS速度法需要在飞行中采用正反航向、三边法等消除风速影响。高空高速飞行器高空飞行转弯半径极大，不适合采用GPS速度法校准空速系统。为此，本文借助气象领域的高空探测气球系统，获得飞行器飞行空域大气的真实静压、静温、风速、风向等参数，以此为基础完成对飞行器空速系统的校准。此方法只需飞行器在试验高度保持稳定平飞、无须进行正反航向飞行，能够降低飞行成本、缩短试飞周期，对无法进行正反航向飞行的飞行器也能够完成空速系统校准。

1GPS高空探测气球系统

高空高速飞行器大多在平流层飞行。平流层一般指由对流层以上到50km左右的空间，在此高度范围气流运动相当平稳，尘埃很少，大气的透明度很高，是高空高速飞行器的理想飞行环境。

GPS高空探测气球系统是测量、研究高空平流层大气的重要工具，主要由高空气球、探空仪和地面接收站组成，如图1所示。该系统通常以5～6m/s速度上升，高度可达30km以上。探空仪通过引线搭载于高空气球，内含先进的GPS模块及各类大气传感器，可探测三维位置坐标以及大气压力、温度、风速、风向、湿度、露点温度等气象数据。测量精度高、灵活性好、释放不受气候因素影响，在大气研究和天气预报中起到重要作用。

2校准方法

（1）校准原理

在基于探空气球系统的空速校准中，以GPS高度为关联量，将探空仪采集的大气参数转换到飞行器所在高度的大气参数，以此完成对飞行器空速系统的校准。空速校准原理如图2所示，其中Vw为风速，ψw为风向，P为大气真实静压，T为大气真实静温。

（2）数据处理方法

基于探空气球系统的空速校准数据处理可采用速度法和压力法进行。速度法是利用探空仪获得的风速、风向和静温，并结合飞行器地速Vg.总压Pt（认为无失真）测量结果完成空速系统校准，校准方法如图3所示。压力法是利用探空仪测得的大气静压值，并结合飞行器测得的总压完成空速系统校准，校准方法如图4所示。数据处理的两种方法使用的主要公式为式（1）～式（7）。式中：Vt为飞行器真空速；Vg飞行器地速；Vw为当地风速；c为当地声速；R为气体常数；k为绝热指数；Ma为马赫数；q为来流动压；Vc为飞行器空速；Hp为气压高度。

从图3和图4可以看出，速度法原理相对复杂，求解过程环节较多。压力法求解过程简单，环节少。速度法求解不需要探空仪测量的压力值，在外界大气压力较小（Hp>30km）、静压测量精度不够的情况下，宜采用速度法。压力法求解只需要探空仪测量的大气压力值，在风速、风向变化较大时，压力法具有较好的稳定性。式中：C为大气采集参数。基于探空气球系统的空速校准方法主要误差来源是由于探空仪与飞行器所在位置和测量时刻不同，导致大气参数之间差异对空速系统校准带来的误差。通常，高空大气稳定，局部空域、短期内大气参数变化量很小，不同位置和时刻测量的大气参数差异很小，对空速校准结果的影响较小。

3数据分析

（1）大气测量参数

对于某次空速校准试飞科目，分别于飞行前和飞行后两次释放探空气球，完成飞行空域的大气参数测量，两次测量时间间隔为3h。通过数据处理、分析两次测量结果，得出飞行空域的大气参数，以进行飞行器空速系统的校准。

式（9）～式（12）定义了两次测量结果的相对变化量关系。其中，0代表第一次释放探空气球采集得到的大气参数值，3代表间隔3h后第二次得到的大气参数值。图5～图8为间隔3h试验空域大气静压、温度、风速和风向相对变化量。

从图5～图8可以看出，相对低空，高空（Hp>llkm）大气参数整体相对稳定，变化量较小。其中，大气压力的相对变化量最小，不大于0.3%；风速的相对变化量最大，也不大于8%。

通过对飞行空域的大气参数测量结果分析可以看出，高空大气运动相当平缓，短期内大气压力值、温度、风速、风向随时间的变化量相对较小，在空速校准中可认为大气参数保持不变。

（2）空速校准结果

通过两次飞行试验完成飞行器空速系统校准，式（13）～式（15）定义了校准结果与机载结果的相对量关系，表1为飞行器空速校准结果。式中：下标i为机载值，Ma，Hp，V为马赫数、气压高度、表速的校准值。

由表1可以看出，对飞行器巡航状态的空速校准，两次试验（不同日期）得到的校准结果相当，满足试验精度要求，这说明采用探空气球系统开展高空高度飞行器空速校准方法可行。此外，对于同一飞行架次，压力法和速度法得到的校准结果差异很小，这也表明两种数据处理方法均可得到有效结果。

4结束语

目前，常规空速校准方法难以有效地完成高空高速飞行器空速系统校准。结合高空大气特点，本文提出了借助于高空探测气球系统完成飞行器空速系统的校准，并通过飞行试验证明方法可行、结果可信，能够用于高空高速飞行器空速系统校准。