基于GPS的運(yùn)輸類飛機(jī)全空速范圍校準(zhǔn)方法研究

宋攀 楊文鳳 秋路

摘 要：準(zhǔn)確的空速是保證飛行安全的基本條件，因此適航標(biāo)準(zhǔn)要求飛機(jī)進(jìn)行全空速范圍校準(zhǔn)。為了解決某些飛機(jī)因安裝問題而不能采用拖錐法進(jìn)行空速校準(zhǔn)的難題，文章研究了基于GPS的運(yùn)輸類飛機(jī)全空速范圍校準(zhǔn)方法，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，分析了可能的誤差來(lái)源，提出了減小誤差的措施，且通過相關(guān)算例驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：空速校準(zhǔn)；GPS；運(yùn)輸類飛機(jī)；全空速范圍

中圖分類號(hào)：V221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）14-0022-03

Abstract： Accurate airspeed is the basic condition to ensure flight safety， so the airworthiness standard requires the aircraft to calibrate the full airspeed range. In order to solve the problem that some aircraft can not use towing cone method to calibrate airspeed due to installation problem， this paper studies the calibration method of full airspeed range of transport aircraft based on GPS， and establishes the corresponding data processing method. The possible error sources are analyzed， the measures to reduce the errors are put forward， and the feasibility of the method is verified by an example.

Keywords： airspeed calibration； GPS； transport aircraft； full airspeed range

引言

目前飛機(jī)上使用的空速是由總壓、靜壓計(jì)算而來(lái)的，故壓力測(cè)量誤差會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響，而準(zhǔn)確的空速是保證飛行安全的基本條件。民機(jī)通常開展全空速范圍校準(zhǔn)，以滿足適航標(biāo)準(zhǔn)要求，而軍機(jī)一般僅獲取使用包線內(nèi)的空速系統(tǒng)位置誤差。隨著軍機(jī)適航、軍民融合理念的提出，一些軍用運(yùn)輸機(jī)也開始按照民機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)開展空速系統(tǒng)校準(zhǔn)。然而，某些軍用運(yùn)輸機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)并未充分考慮空速校準(zhǔn)試飛需求，導(dǎo)致無(wú)法安裝拖錐，因此不能采用適航推薦的拖錐法進(jìn)行空速校準(zhǔn)。軍機(jī)常用GPS方法實(shí)現(xiàn)使用包線內(nèi)的空速校準(zhǔn)，其優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，同時(shí)，GPS的速度測(cè)量及高度測(cè)量功能使其具備全空速范圍校準(zhǔn)的能力，本文將對(duì)此展開研究。

在剖析適航標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，本文深入研究了基于GPS的運(yùn)輸類飛機(jī)全空速范圍校準(zhǔn)試飛方法及數(shù)據(jù)處理方法，并通過具體算例驗(yàn)證了該方法的優(yōu)勢(shì)及可行性。

1 適航標(biāo)準(zhǔn)要求[1]

運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25 R4第1323條（空速指示系統(tǒng)）表明，空速指示系統(tǒng)必須加以校準(zhǔn)，以確定飛行時(shí)和地面起飛加速滑跑過程中的系統(tǒng)誤差（即指示空速和校準(zhǔn)空速的關(guān)系），具體要求如下所述。

1.1 地面段

進(jìn)行地面滑跑校準(zhǔn)時(shí)，必須按照下列條件：

（1）對(duì)于批準(zhǔn)的高度和重量范圍，速度從0.8V1的最小值至V2的最大值。

（2）襟翼位置和發(fā)動(dòng)機(jī)功率（推力）的調(diào)定按第25.111條制定起飛航跡時(shí)所確定的值，但假設(shè)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)在V1最小值時(shí)失效。

1.2 空中小速度段

從1.23VSR到失速警告開始的速度，指示空速隨校準(zhǔn)空速必須明顯地變化并且趨勢(shì)相同，并且在低于失速警告速度的速度下指示空速不得以不正確的趨勢(shì)發(fā)生變化。

1.3 空中正常速度段

在下列狀態(tài)的整個(gè)速度范圍內(nèi)，空速的安裝誤差（不包括空速指示儀表校準(zhǔn)誤差）不得超過3%或5節(jié)，兩者中取大值：

（1）從VMO至1.23VSR1，襟翼在收上位置。

（2）從1.23VSRO至VFE，襟翼在著陸位置。

1.4 空中大速度段

從VMO到VMO+2/3（VDF-VMO），指示空速隨校準(zhǔn)空速必須明顯地變化并且趨勢(shì)相同，并且在直到VDF的較高速度下指示空速不得以不正確的趨勢(shì)發(fā)生變化。

2 基于GPS的全空速范圍校準(zhǔn)方法

目前飛機(jī)上都裝有GPS設(shè)備，其測(cè)速精度高且不受飛機(jī)姿態(tài)及高度的限制，是實(shí)現(xiàn)全空速范圍校準(zhǔn)的理想設(shè)備，基本原理見圖1。

基于GPS速度測(cè)量實(shí)現(xiàn)空速校準(zhǔn)的基本原理是通過GPS測(cè)得的地速解算飛機(jī)的真空速，從而獲取真實(shí)的動(dòng)壓與靜壓，稱為GPS速度法，適用于穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)。

基于GPS高度測(cè)量實(shí)現(xiàn)空速校準(zhǔn)的基本原理是通過GPS測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的幾何高度差，進(jìn)而得到氣壓高度差，從而獲取試驗(yàn)點(diǎn)的真實(shí)氣壓高度與真實(shí)靜壓，稱為GPS高度差法，適用于非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)。

在全空速范圍校準(zhǔn)中，各速度段的特點(diǎn)決定了試飛方法的不同。空中正常速度段校準(zhǔn)可通過穩(wěn)態(tài)飛行實(shí)現(xiàn)，采用GPS速度法，地面段、空中小速度段及空中大速度段校準(zhǔn)為非穩(wěn)態(tài)飛行，采用GPS高度差法。

本文從基本原理、試飛方法、數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析等方面對(duì)以上兩種方法展開研究。

2.1 GPS速度法

飛機(jī)在穩(wěn)定大氣中飛行時(shí)，假設(shè)動(dòng)作區(qū)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)速為常量，以一定方式、一定空速進(jìn)行一定時(shí)間的穩(wěn)定直線平飛，便可由GPS地速解算出真空速，從而實(shí)現(xiàn)空速校準(zhǔn)，即GPS速度法，包含GPS正反航向法、GPS三邊法、GPS垂直三邊法等，前者利用往返飛行的方法消除風(fēng)速的影響，試飛及數(shù)據(jù)處理均較便捷，后兩者為飛機(jī)以給定的空速沿任意三角形的三邊或三個(gè)垂直邊飛行，能夠同時(shí)解算風(fēng)速及真空速，但試飛動(dòng)作多，數(shù)據(jù)處理的工作量較大。這三種方法均適用于空中正常速度段的空速校準(zhǔn)，第一種更常用。

因篇幅所限，本文僅提供GPS正反航向法的數(shù)據(jù)處理流程，見圖2，其中：

VT=（Vg1+Vg2）/2 （1）

式中，VT為正反航向飛行時(shí)的真空速，Vg1、Vg2分別為正航向、反航向飛行時(shí)GPS測(cè)量的地速。

2.2 GPS高度差法

綜合考慮飛機(jī)能力、飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，地面段校準(zhǔn)采用加速滑跑的方式，通常結(jié)合起飛性能試飛或加速停止距離試飛；空中小速度段校準(zhǔn)一般采取持續(xù)減速至失速的方法，通常結(jié)合失速速度試飛；空中大速度段校準(zhǔn)采用俯沖的方式，通常結(jié)合高速特性試飛或顫振試飛。在這些非穩(wěn)態(tài)過程中，通過GPS高度測(cè)量獲取試驗(yàn)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的幾何高度差，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的氣壓高度差，結(jié)合已有的基準(zhǔn)點(diǎn)真實(shí)氣壓高度，便能得到試驗(yàn)點(diǎn)的真實(shí)氣壓高度，最終實(shí)現(xiàn)空速校準(zhǔn)。其中，小速度段和大速度段的基準(zhǔn)點(diǎn)可在經(jīng)過GPS速度法校準(zhǔn)的正常速度段內(nèi)選取，地面段的基準(zhǔn)點(diǎn)則選擇起飛前的靜止點(diǎn)。

GPS高度差法的數(shù)據(jù)處理流程見圖3，其關(guān)鍵在于幾何高度差△Hgeo向氣壓高度差△HP的轉(zhuǎn)換。當(dāng)高度增量相對(duì)較小時(shí)，假設(shè)大氣壓力隨高度的變化是線性的，可推導(dǎo)出如下轉(zhuǎn)換公式：

（2）

其中，Tstd為試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度，Ts為試驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)際溫度，HGPS、HGPS，R分別為試驗(yàn)點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS高度。

2.3 誤差分析

從基本假設(shè)、試飛動(dòng)作、基準(zhǔn)點(diǎn)真實(shí)值三方面分析，基于GPS的空速校準(zhǔn)誤差來(lái)源為：

（1）GPS速度法的基本假設(shè)為風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定、風(fēng)速為常量，實(shí)際大氣并非如此。

（2）采用GPS正反航向法試飛時(shí)，真空速、風(fēng)速、地速并非嚴(yán)格同線，存在側(cè)風(fēng)的影響。

（3）采用GPS高度差法進(jìn)行空中小速度段、大速度段的空速校準(zhǔn)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)真實(shí)值一般直接由正常空速段校準(zhǔn)結(jié)果的擬合公式計(jì)算而來(lái)，可能存在誤差。

針對(duì)上述誤差來(lái)源，采取以下措施：

（1）通過持續(xù)的氣象監(jiān)測(cè)及機(jī)上觀察，確保動(dòng)作段氣流穩(wěn)定，如采用GPS正反航向法，則在完成每一速度點(diǎn)的正航向試飛后應(yīng)立即進(jìn)入該速度的反航向試飛，如采用GPS三邊法，則連續(xù)完成同一速度的三邊飛行，每一邊保持1～2min，以提升試飛數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（2）GPS正反航向法試飛時(shí)，為消除可能存在的側(cè)風(fēng)影響，在事后數(shù)據(jù)處理中，按照式（3）求解，示意見圖4。

（3）

其中，？鬃TK1、？鬃TK2分別為正航向、反航向飛行時(shí)的航跡角，？鬃K1、？鬃K2分別為正航向、反航向飛行時(shí)的航向角。

風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定的假設(shè)成立時(shí)，進(jìn)行GPS正反航跡試飛亦可獲取真空速，通過計(jì)算亦可消除側(cè)風(fēng)的影響，按照式（4）求解，示意見圖5。

（4）

其中，？鬃TK1、？鬃TK2分別為正航跡、反航跡飛行時(shí)的航跡角，？鬃K1、？鬃K2分別為正航跡、反航跡飛行時(shí)的航向角，分析可知？啄1=？啄2。

（3）小速度段、大速度段空速校準(zhǔn)時(shí)，首先在基準(zhǔn)速度處進(jìn)行GPS正反航向試飛或正反航跡試飛，即可得到該點(diǎn)的真實(shí)值。

3 方法驗(yàn)證

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院曾以某渦槳支線運(yùn)輸機(jī)為平臺(tái)，研究了基于GPS的空速校準(zhǔn)方法，證明了GPS正反航向法、GPS三邊法與GPS垂直三邊法的一致性，見圖6。

（HP=3000m，F(xiàn)lap=0°，Gear UP）

新支線客機(jī)ARJ在空速校準(zhǔn)研發(fā)試飛時(shí)同時(shí)采用了GPS方法與拖錐法，結(jié)論如下：

（1）考慮側(cè)風(fēng)修正的GPS正反航向法與拖錐法基本一致，見圖7，修正側(cè)風(fēng)后，GPS校準(zhǔn)結(jié)果與拖錐法結(jié)果的誤差在速度約為520km/h時(shí)最大，約為3km/h，而按照適航標(biāo)準(zhǔn)要求，該速度點(diǎn)允許的最大空速誤差約為15km/h，故3km/h的方法誤差相對(duì)較小。

（2）GPS高度差法與拖錐法的結(jié)果基本一致，見圖8。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合本文分析與論證，基于GPS的空速校準(zhǔn)方法優(yōu)勢(shì)顯著，不僅設(shè)備簡(jiǎn)單、試驗(yàn)環(huán)節(jié)少、易于操作、省時(shí)省力，且能實(shí)現(xiàn)全空速范圍覆蓋、效率高、誤差可控可接受，適用于多種機(jī)型。

為了進(jìn)一步保證GPS方法的精準(zhǔn)度，除了改進(jìn)試飛方法與數(shù)據(jù)處理方法、采用差分GPS系統(tǒng)以外，還可借助慣導(dǎo)、雷達(dá)等設(shè)備獲取風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，與考慮側(cè)風(fēng)影響的GPS速度法解算的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)多角度驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]CCAR-25-R4.運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)民用航空局，2011.

[2]Edward A. Haering， Jr. Airdata Measurement and Calibration. NASA Technical Memorandum 104316，1995.

[3]拉爾夫·D.金伯林（美）.固定翼飛機(jī)的飛行試驗(yàn)[M].張煒，等譯.航空工業(yè)出版社，2012.

[4]Walt Blake， the Performance Training Group， etc. JET TRANSPORT PERFORMANCE METHODS. 2009.