GPS法空速校準試飛技術(shù)的分析與應用

1、GPS法空速校準試飛技術(shù)的分析與應用摘要：本文是CCAR 23部限定的正常類、實用類、特技類和通勤類飛機的GPS 法空速校準的試飛方法、原理和要求進行討論。著重研究了 GPS“三角形法空速 校準中求解校正空速和位置誤差的整個數(shù)據(jù)處理流程，最后還簡要介紹了在實際 運用過程的中注意事項和“四葉苜蓿形法。關(guān)鍵詞：空速校準、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引言空速校準試飛是飛行試驗的基礎(chǔ)，國內(nèi)外已先后發(fā)展過的空速校準試飛方法 有速度歷程法、拖曳錐或拖曳彈法、標準機法、照相法

4、、塔測法等。隨著科技的 發(fā)展，現(xiàn)今的GPS精度高，實施簡單，同時GPS法進行空速校準同時也是飛行 試驗指南（AC 23-8B）推薦的空速校準試飛方法之一，以此對GPS法進行空速 校準進行了分析與論證。2試驗原理2.1空速校準的概念飛機在飛行中，由空速系統(tǒng)測定前方來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)要求在飛機的整個飛行高度速度范圍內(nèi)指示的 空速及氣壓高度等于真值，而對于實際飛行而言，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，空速校準就是通過試飛找出該誤差。2.2 GPS法空速校準原理概述在開展空速校準試飛時，假設(shè)總壓的測量誤差為0,所以位置誤差

5、認為是全 部由靜壓測量誤差引起的，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)動壓，是指示空速 系統(tǒng)動壓。試驗機安裝GPS或DGPS （差分GPS）系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以得出試驗機的實 時空間位置和實時地速（矢量），當按照特定的飛行方式進行試飛時，通過解算 可以得出試驗機的真實空速和風速。然后根據(jù)真實空速、氣壓高度和大氣靜溫等 參數(shù)便可以解算出試驗機的校正空速。詳細的數(shù)據(jù)處理方法見第3章。3試驗的具體執(zhí)行3.1加裝測試設(shè)備在實際開展的空速校準試飛時，為了滿足任務需要，首先需要對試驗機進行 必要的加改裝，以獲取并采集試驗所需數(shù)據(jù)。應確保加裝的采集、記

6、錄設(shè)備有足 夠的精度。3.2試飛方法根據(jù)飛行試驗指南（AC 23-8B）中“附錄9”推薦方法，選擇“三角形法進 行試飛，即在給定的飛機構(gòu)型下，飛機保持航向、以給定的高度、空速進行平飛， 穩(wěn)定一段時間（在實際的空速校準試飛中，保持穩(wěn)定平飛的時間不少于30s為 宜），此為第一邊”；然后操縱飛機航向偏轉(zhuǎn)120進入第二邊”，保持該航向重 復第一邊”內(nèi)容；以第二邊”相同的方式偏轉(zhuǎn)飛機進入第三邊”，重復第一邊”內(nèi) 容。整個過程按一個連續(xù)順序進行。在空速校準試飛中需要采集和記錄的主要參 數(shù)有兩類：飛機的指示參數(shù)、GPS參數(shù)和飛機構(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”進行空速校準試飛時，不穩(wěn)定的風會對地速的結(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 進行，即要求試驗高度上風向、風速穩(wěn)定，不會引起飛機的顛簸。GPS “三角形法” 空速校準主要要求試驗高度上的風速和風向穩(wěn)定，對風速的大小反而沒有太過嚴 格的要求（如地速基線法要求風速小于3m/s），但風速最好不要過大，因為過大 的風速可能會造成靜壓誤差不正常的偏大。另外，在GPS“三角形法”空速校準試 飛中，要求試飛員控制飛機在每個邊”上的飛行的穩(wěn)定性。3.4數(shù)據(jù)處理方法這里將簡要介紹利用GPS“三角形

8、法”空速校準試飛中的數(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速的矢 量和（3-1）公式中：為真實空速，是地速，為風速，上式是三個參數(shù)的矢量表達方式， 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GPS系統(tǒng)直接獲得，真空速的關(guān)系可 以寫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固定值，同時要求進行空速校準試飛 時試驗空域內(nèi)風速、風向不變，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)測得的地速分量分別代入，很容易求解 得出風速分量x、y （即）的值。將風速分量x、y的值代入后，便可以得到此刻 飛機的真空速的值。b）結(jié)合機載測試數(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行討論，運 12F飛機的最大平飛速度約為207kts，顯然要遠遠小于標準大氣條件海平面的音 速（661.48kts），因此計算校正空速的公式采用的是（3-6）公式中為標準大氣條件海平面的音速，為校正空速的動壓，是標準大氣條 件海平面大氣壓強?？梢钥闯觯肭蟮眯Ｕ账俚闹?，需要確定飛機此刻的動 壓，在空氣動力學中，M1時

10、，動壓和靜壓關(guān)系式為（3-7）公式中為前高度的大氣靜壓，M為飛機此刻的馬赫數(shù)。也就是說，要想確定 飛機此刻動壓的值，還需要知道當前高度大氣靜壓和當?shù)伛R赫數(shù)的大小，其中（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）公式中H是當前氣壓高度，a為此時音速（與大氣靜溫有關(guān)），是溫度比， Th為當前大氣靜溫。此時真空速VT已經(jīng)由GPS結(jié)算得出，那么只需要再知道當 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壓誤差 （第2.2節(jié)），因此可以通過動壓誤差來求解位置誤差，即（3-12）（3-13）（3-14）（3-15）公式中為密度比，為壓力

11、比，為指示空速的動壓，得出關(guān)系式為（3-16）但同時當前動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GPS法空速校準試飛數(shù)據(jù)處理的過程，在所能找到的所有相關(guān) 文獻中，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講解 計算過程，只簡要介紹了推導過程。GPS“三角形法空速校準運用中的注意事項在實際運用GPS“三角形法進行空速校準試飛時，需要相關(guān)試驗人員注意以 下內(nèi)容：a）由于空中不同地點的風速變化較大，三邊試飛中空域不應變化太大；b）三邊高度差民航的要求是50ft，實際試飛中難以達到，數(shù)據(jù)選取時按100ft 掌握；c）航

12、向應使用GPS計算的航向，不應當使用數(shù)據(jù)曲線中顯示的飛機航向；d）試驗時需保證飛機的總壓準確，試驗前需進行總壓校準。數(shù)據(jù)處理時可根 據(jù)總壓及空速誤差計算出靜壓誤差；e）試飛中，高度、速度的保持比預期的更難，試飛時要有足夠的耐心；f）試飛盡量早起進行，早上氣流穩(wěn)定。GPS“四葉苜蓿形法空速校準介紹在介紹該方法之前，先簡單分析GPS“三角形法空速校準試飛的一點不足之 處，首先，該方法需要保持空速時間為至少20s，這就意味這在這20s里飛行員 的注意力要高度集中，操縱飛機的動作高度謹慎，其實這對于飛行員來是比較辛 苦。其次，在三邊的定速平飛中，哪怕只有一邊過長，便很容易導致“三角形”區(qū) 域過大，進而

13、無法保證在整個空速校準區(qū)域內(nèi)風速大小不變、方向穩(wěn)定。下面介紹另外一種GPS空速校準的方法，可以稱之為四葉苜蓿形法”，要求 在風速風向保持常量的情況下，飛機以給定的高度和速度，連續(xù)轉(zhuǎn)彎三次通過共 同的空中交點，航向之間相差120，空速和高度一致，具體飛行動作見圖1。它 與三角形法”有相似的飛行動作和試驗原理，完全相同的數(shù)據(jù)處理過程。但該方 法只要求在通過交點時保持空速即可，建議大約保持時間10s，同時，由于真正 的試驗區(qū)域只有交點周圍很小的范圍，因此可以更好的保證試驗區(qū)域內(nèi)風速和風 向的穩(wěn)定性，從而提高試飛數(shù)據(jù)的準確性，但是該方法也有一個缺點，那就是與 三角形法”相比，該動作稍顯復雜。圖1 “四葉苜蓿形法”飛行動作6小結(jié)使用“GPS ”方法校準空速，有其優(yōu)越的測試精度和便捷性，同時對在很大程度 上放寬了對場地和氣象的要求，且不需要空