一种gps往返非等速平飞空速校准方法
阅读说明：本技术 一种gps往返非等速平飞空速校准方法 (GPS (global positioning system) round-trip non-constant-speed flat flight airspeed calibration method ) 是由 冯宇鹏 张斌 夏斌 李涛 陈斌 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及了一种GPS往返非等速平飞空速校准方法,确定飞机待测全包线范围,所述待测全包线范围内的气压高度高度范围为H-(1)～H-(N),N为大于1的自然数,包括以下步骤：步骤1、在待测全包线范围内,选取一个高度为H-(m)空域,依次测试若干组非等速往返对飞飞行的空速校准结果,得到高度为H-(m)空域的空速校准结果；步骤2、按所述步骤1相同的方法,分别测试高度为H-(1)、H-(N)及高度在H-(1)～H-(N)之内的若干个高度空域的空速校准结果,得到全包线范围内的空速校准结果。该方法基于不同飞行速度进行空速校准,避免了同一速度的多次重复飞行,提高了空速校准的效率,减少了空速校准的试飞架次,推进了试飞任务的进度且精确度高。(The invention relates to a GPS (global positioning system) round-trip non-constant-speed flat flight airspeed calibration method, which is used for determining the range of a full envelope of an airplane to be tested, wherein the range of the air pressure altitude within the range of the full envelope of the airplane to be tested is H 1 ～ H N ， N Is a natural number more than 1, and comprises the following steps: step 1, selecting a height of H m In airspace, a plurality of groups of airspeed calibration results of non-constant speed back-and-forth fly-to-fly flight are tested in sequence to obtain the altitude of H m Airspeed calibration results of airspace; step 2, according to the same method of the step 1, respectively testing the height of H 1 、 H N And is high at H 1 ～ H N And obtaining airspeed calibration results within the full envelope range according to airspeed calibration results of a plurality of airspaces within the full envelope range. The method carries out airspeed calibration based on different flight speedsRepeated flight of the same speed is avoided, the efficiency of airspeed calibration is improved, the trial flight number of airspeed calibration is reduced, and the progress of a trial flight task is promoted and the accuracy is high.)
技术领域
本发明涉及了飞机大气系统的空速校准方法技术领域，具体涉及了一种GPS往返非等速平飞空速校准方法。
背景技术
飞机大气系统的空速校准试飞是科研飞机投入试飞的基础性科目，也是关键科目，往往关系到飞行控制律的设计以及飞行操纵的安全性。然而，在试飞阶段，由于飞机投产时间的约束、试飞成本的制约、飞行架次数量的限制，往往对于个别样本点只做空速校准试飞，试飞样本点不足以覆盖飞机的全包线，无法获取全包线范围内准确的大气系统空速校准修正量，影响了后续试飞的安全。因此，在试飞过程中，如何利用较少的样本量或者不规则的试飞数据，得到较为准确的大气系统空速校准的修正量是研究人员长期关注的焦点问题。解决上述因数据样本量少或者数据不规则而影响空速校准准确性的问题，需要采用不同的试飞方法和修正算法，以提高试飞的效率。
目前，许多专家学者提出了许多关于大气校准的试验修正算法，例如，GPS往返等速平飞法、GPS往返平飞增速法、GPS双高度校准法、GPS单高度校准法等方法进行空速校准，降低了空域限制要求条件、减少了试飞起落数和数据处理的工作量，经试飞验证，均具有较高的试验结果准确度。还有人提出了针对空速系统位置误差的GPS速度法，进行空速校准；以及采用GPS三边法进行空速校准的理论基础和试验方法。上述方法均选取同一速度进行不同航迹角的飞行，完成大气系统的空速校准。然而，这些方法存在以下不足：同一速度的重复飞行耗费了大量的飞行时间和飞行架次，特别地，对于航时较短的飞机来说，在单一架次不足以完成多个空速校准样本点的试飞，从而只能通过增加飞行架次、推迟任务结点，来完成高度-速度全包线内所有试飞测试点的空速校准，增加了测试的繁琐性和误差性。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的不足，提供了一种GPS往返非等速平飞空速校准方法。该方法基于不同飞行速度进行空速校准，避免了同一速度的多次重复飞行，提高了空速校准的效率，减少了空速校准的试飞架次，推进了试飞任务的进度，确保了准确度，该方法对飞机后续飞行控制律的设计以及飞行操纵的安全性具有积极的意义和深远的影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种GPS往返非等速平飞空速校准方法，包括以下步骤：
步骤a、在高度为H m 的空域内选取一个起始飞行点，沿某个方向以V it1的指示真空速进行匀速飞行一段行程S 1 ，飞行过程中采集第一数据，所述第一数据包括指示真空速V it1、大气总温T 01、总压P 01和地速V d1；
步骤b、到达往返点后，沿平行且相反于行程S 1 的方向以V it2的指示真空速匀速飞行，其中，V it1不等于V it2，并在飞行过程中采集第二数据，所述第二数据包括指示真空速V it2、大气总温T 02、总压P 02和地速V d2；
步骤c、求解V it1和V it2两个不同指示真空速下的空速校准结果，即得到一组往返对飞飞行的空速校准结果。
本发明提供的GPS往返非等速平飞空速校准方法，包括非等速往返对飞飞行的空速校准结果的测试，该方法基于不同飞行速度进行空速校准，避免了同一速度的多次重复飞行，提高了空速校准的效率，减少了空速校准的试飞架次，推进了试飞任务的进度，确保了准确度，该方法对飞机后续飞行控制律的设计以及飞行操纵的安全性具有积极的意义和深远的影响。在整个测试过程中，在待测全包线范围内，选一个高度空域，在同一个高度空域内依次进行多组非等速往返对飞飞行，并得到同一高度空域的空速校准结果，然后按照相同的方法在待测全包线范围内，进行若干次不同高度空域的空速校准测试，得到待测全包线范围内的空间校准结果，方法更为简单，准确，效果和准确度都有所提升。
进一步的，求解V it1 和V it2 两个不同指示真空速下的空速校准结果的具体过程如下：
步骤A、将测得的总压P 01 、P 02分别代入公式一，得到第一方程式和第二方程式；
其中，公式一为：；P 0为总压，P为静压，M为马赫数，r为比热比；
所述第一方程式为：；
所述第二方程式为：；P 01 、P 02 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的总压，P 1 、P 2 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的静压，M 1 、M 2 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的马赫数；
步骤B、将大气总温T 01、T 02分别代入公式二，得到第三方程式和第四方程式；
其中，公式二为：；T 0 为大气总温，T为静温，T 1 =T 2 =T，M为马赫数；
所述第三方程式为：；
所述第四方程式为：；T 01 、T 02 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的大气总温，T 1 和 T 2 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的静温，M 1 、M 2 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的马赫数；
其中，T1＝T2＝Tx；Tx为静温值；
步骤C、将地速V d1、V d2分别代入公式三，得到第五方程式；
其中，公式三为：；V dn 和V dm 为不同指示真空速度V itn 和V itm 下正向飞和反向飞时的地速；M n 和M m 是不同指示真空速V itn 和V itm 下的马赫数;T为静温；
所述第五方程式为：；V d1 为指示真空速V it1 下正向飞的地速，V d2 为指示真空速V it2 反向飞的地速；Tx为静温值；M 1 、M 2 分别为不同指示真空速V it1 和V it2 下的马赫数；
步骤D、联立第一方程式、第二方程式、第三方程式、第四方程式和第五方程式；可以得到马赫数M 1、M 2；静压P 1、P 2及静温T，即不同指示真空速下试飞样本点（T，P 1，M 1）和（T，P 2，M 2）；
步骤E、将所述步骤D得到的两个样本点代入公式七，得到两个不同实际真空速，即可得到V it1和V it2两个不同指示真空速下的空速校准结果；
其中，公式七为：；其中，V t为真空速，T为静温，M为马赫数。
进一步的，所述步骤b中，沿行程S 1 原路返回进行测试。
进一步的，所述步骤b与所述步骤a之间的时间间隔控制在20min以内。研究发现非等速对飞的间隔时间不能过长，时间太长可能会由于环境出现过大的变化，稳定性较差，导致校准结果误差较大。进一步的，所述步骤b与所述步骤a之间的时间间隔为5min～20min。
进一步的，指示真空速、大气总温、总压是通过大气系统测得的，地速是通过GPS设备测得的。
进一步的，在完成所述步骤a和所述步骤b的一组往返对飞飞行后，改变飞行速度，按照所述步骤a和所述步骤b相同的方法在同一高度H m 进行多组往返对飞飞行，每组往返对飞飞行后均按照所述步骤c相同的方法计算得到该组往返对飞飞行的空速校准结果，从而得到同一高度的空速校准结果。
进一步的，完成一个高度的空速校准后，按相同的方法，分别测试高度为H 1 、H N （N是大于1自然数）及高度在H 1 ～H N 之内的若干个高度空域的空速校准结果，得到距离地面高度范围为H 1 ～H N 全包线范围内的空速校准结果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种GPS往返非等速平飞空速校准方法，该方法首先在待测全包线范围内，选一个高度空域，在同一个高度空域内依次进行多组非等速往返对飞飞行，并得到同一高度空域的空速校准结果，然后按照相同的方法在待测全包线范围内，进行若干次不同高度空域的空速校准测试，该方法基于不同飞行速度进行空速校准，避免了同一速度的多次重复飞行，提高了空速校准的效率，减少了空速校准的试飞架次，推进了试飞任务的进度，确保了准确度，该方法对飞机后续飞行控制律的设计以及飞行操纵的安全性具有积极的意义和深远的影响。
附图说明
图1是实施例1全包线范围的空速校准测试过程图。
图2是实施例1中飞机往返对飞的航线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种GPS往返非等速平飞空速校准方法，过程如下：确定飞机待测全包线范围，所述待测全包线范围内的距离地面垂直高度范围为H 1 ～H N ，N为大于1的自然数。
空速校准方法的一般性假设：
（1）同一空域短时的大气环境相同，即静温和风速/风向等相同；
（2）总压为静压与动压之和。
1 试飞过程
1.1 试飞方法
在同一空域，同一高度Hm，分别选取两个不同速度V it1和V it2，进行往返对飞飞行，航线图见图2。
非等速往返对飞飞行的空速校准结果的测试过程如下：
步骤a、在高度为H m 的空域内选取一个起飞点沿某个方向以V it1的指示真空速进行均速飞行一段行程S 1 ，飞行过程中利用GPS系统读取第一数据：指示真空速V it1、大气总温T 01、总压P 01和地速V d1。
步骤b、然后，飞机飞至在高度为Hm的空域内的另一个起飞点，沿平行于行程S 1 的方向以V it2的指示真空速均速飞行，并在飞行过程中利用GPS系统读取第二数据：指示真空速V it2、大气总温T 02、总压P 02和地速V d2。
所述步骤b与所述步骤a之间的时间间隔控制在20min以内。
1.2 数据采集
在空速校准试飞中，需采集的试飞数据为真空速、大气总温、总压、地速，其中，真空速、大气总温、总压通过大气系统测得，地速通过GPS设备测得。
2 空速校准方法
求解V it1和V it2两个不同指示真空速下的空速校准结果，即得到该组非等速往返对飞飞行的空速校准结果：
2.1 力学模型
2.1.1 压力与马赫数的关系式
（1）
其中，P 0为总压，P为静压，M为马赫数，r为比热比，一般取1.4。
2.1.2 大气总温、静温和马赫数的关系式
（2）
其中，T 0为大气总温，T为静温，M为马赫数。
2.1.3 地速和真空速的关系式
（3）
其中，V d为地速，V t为真空速，V wind为风速。
2.1.4 真空速和马赫数、静温的关系式
（4）
（5）
即得
（6）
其中，V t为真空速，T为静温，M为马赫数。
2.2 空速校准算法
2.2.1 不同指示真空速下的压力与马赫数关系式
根据2.1.1条的公式（1），可得在不同指示真空速（V it1和V it2，下同）下，压力与马赫数公式为：
（7）
（8）
其中，P 01、P 02分别为不同指示真空速V it1和V it2下的总压，P 1、P 2分别为不同指示真空速V it1和V it2下的静压，M 1、M 2分别为不同指示真空速V it1和V it2下的马赫数，r为比热比，一般取1.4。
根据1.2条，可知P 01 、P 02通过大气数据系统测得，为已知数；P 1、P 2、M 1和M 2为未知数。
2.2.2 不同指示真空速下的大气总温和静温关系式
根据2.1.2条的公式（2），可得不同指示真空速下，大气总温和静温的关系式为：
（9）
（10）
根据空速校准的一般性假设，增加公式如下：
（11）
即得不同指示真空速下的大气总温和静温方程组：
（12）
（13）
其中，T 01、T 02分别为不同指示真空速V it1和V it2下的大气总温，T为公式（11）得到的不同指示真空速V it1和V it2下的静温，M 1、M 2分别为不同指示真空速V it1和V it2下的马赫数。
根据1.2条，可知T 01、T 02通过大气数据系统测得，为已知数；T、M 1和M 2为未知数。
2.2.3 不同指示真空速下的地速和实际真空速关系式
选取两个不同指示真空速进行GPS正反航迹法对飞法，见图2。此时，根据2.1.3条的公式（3），两个不同指示真空速下的实际真空速、地速和风速满足以下的关系式：
（14）
（15）
其中，V d1为正向飞的地速，V d2为反向飞的地速，V t1为正向飞的实际真空速，V t2为反向飞的实际真空速，V wind1为正向飞的风速，V wind2为反向飞的风速。
根据空速校准的一般性假设，增加公式如下：
（16）
即得两个不同指示真空速下的实际地速和实际真空速关系式：
（17）
其中，V d1为正向飞的地速，V d2为反向飞的地速，V t1为正向飞的实际真空速，V t2为反向飞的实际真空速。V d1、V d2分别通过GPS测得，为已知数，V t1、V t2为未知数。
2.2.4 不同指示真空速下的实际地速和马赫数、静温的关系式
根据2.1.4条的公式（6），可得不同指示真空速下，实际真空速和马赫数、静温的关系式为：
（18）
（19）
同时，联立式（17）（18）和（19），可得：
（20）
其中，V d1为正向飞的地速，V d2为反向飞的地速，M 1、M 2分别为不同指示真空速下的马赫数。V d1、V d2分别通过GPS测得，为已知数，T、M 1和M 2为未知数。
2.2.5 空速校准算法
联立（7）（8）（12）、（13）和（20）五个方程式，可求解出不同指示真空速下的马赫数M 1、M 2、静压P 1、P 2、静温T，即不同指示真空速下试飞样本点（T，P 1，M 1）和（T，P 2，M 2）。将两个样本点代入2.1.4条公式（6），得到了两个不同指示真空速测试点对应的实际真空速，见表1。
表1 两个不同指示真空速测试点对应的实际真空速
3 全包线的空速校准
3.1 相同高度，不同速度
为了对相同高度，不同指示真空速进行空速校准。可在不同指示真空速的情况下，按照1条和2条的方法进行空速的试飞和校准。可以得到相同高度和不同指示真空速测试点对应的实际真空速，在同一个高度Hm空域内，采用相同的非等速测试方法进行2n（n是大于或等于1的自然数）组的测试，测试的校准结果见表2。
表2 相同高度，不同指示真空速测试点对应的实际真空速
3.2 全包线范围
为了对全包线范围（即不同高度，不同指示真空速）内的实际真空速进行空速校准。在不同高度下，按照3.1节的方法进行空速的试飞和校准，得到高度-速度全包线范围内的空速校准结果，见表3和表4。
表3 高度-速度全包线的空速校准结果
表4 高度-速度全包线的空速校准结果
测试高度为H 1 、H N 及高度在H 1 ～H N 之内的若干个高度空域的空速校准结果，得到全包线范围内的空速校准结果，测试结果如表3和表4所示，本发明提供了一种GPS往返非等速平飞空速校准方法，该方法首先在待测全包线范围内，选一个高度空域，在同一个高度空域内依次进行多组非等速往返对飞飞行，并得到同一高度空域的空速校准结果，然后按照相同的方法在待测全包线范围内，进行若干次不同高度空域的空速校准测试，该方法基于不同飞行速度进行空速校准，避免了同一速度的多次重复飞行，提高了空速校准的效率，减少了空速校准的试飞架次，推进了试飞任务的进度，确保了准确度，该方法对飞机后续飞行控制律的设计以及飞行操纵的安全性具有积极的意义和深远的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。