[发明专利]一种固定翼太阳能无人机航时估计方法

权利要求书

1.一种固定翼太阳能无人机航时估计方法，包括以下步骤：

步骤一：统计太阳能无人机能量生产状况，即太阳能无人机每个飞行日的能量生产总量；

具体为：

获取太阳能无人机每个飞行日的能量生产总量E_uav：

其中，n_day为指定太阳日天；t₀取0，t_f取86400，t表示时间；P_in表示当前太阳能无人机能量生产功率，具体为：

P_in＝η_solSP_s(λ)

其中，P_s(λ)表示飞机姿态角为(ψ,θ,φ)时翼面单位面积太阳辐射强度；η_sol为太阳能电池效率；S为机翼面积，P_s(λ)具体为：

其中，I_b表示单位水平面上受到的太阳直接辐射强度，I表示太阳辐射常数，I₀表示太阳常数；τ_b表示直射光学深度；m_r表示空气质量比，b表示直射空气质量指数，b＝1.219-0.043τ_b-0.151τ_d-0.204τ_bτ_d；I_d表示单位水平面上受到的太阳直接散射强度，τ_d表示散射光学深度；d表示散射空气质量指数，d＝0.202+0.852τ_b-0.007τ_d-0.357τ_bτ_d；I_h表示单位水平面上受到的太阳总辐射强度，I_h＝I_bsinα_e+I_d；α_e表示太阳高度角；λ为太阳光进入太阳能飞行器翼面的入射角；φ为太阳能无人机滚转角；ρ_r表示地面反射率；

步骤二：计算能量消耗状况，即飞机每个飞行日能量消耗量；

具体为：

获取飞机每个飞行日[t₀,t_f]时间段内，无人机能量消耗总量E_out(t₀,t_f)：

其中，P_propul为电动推进系统所需功率；P_av为无人机机载电子设备消耗功率；P_pld为任务载荷所需功率消耗；

其中，η_prop为螺旋桨效率；η_mot电机及减速箱动力传输效率；η_ctrl驱动器效率；V为飞行速度；D为飞行阻力：

其中，ρ、α分别为空气密度、零升力系数、攻角引起的升力系数以及攻角；m为飞机质量；g为重力加速度；C_D为阻力系数；为零升阻力系数；K为空气动力系数；R_a为展弦比；ε为Oswald效率因子；C_L为升力系数；

步骤三：基于能量平衡准则，估计理想条件下的飞行时间窗；

具体为：

理想状态下，太阳能无人机能量满足：

E_uav≥E_propul+E_av+E_pld (27)

其中，E_uav为无人机生产能量；

太阳能无人机航时定义为1年中完成昼夜穿越飞行的飞行日集合，假设飞行地点选择在北半球某地，飞行日n_day取值为时，从1月1日开始，1月1日为1，太阳能无人机进行昼夜飞行，即满足式(27)，且为连续飞行日，则即为粗略估计的飞行时间窗，即太阳能无人机航时，当飞行地点选择在南半球时，其进行昼夜飞行日取值形式为和

步骤四：考虑实际电池容量，对飞行时间窗精确估计；

具体为：

除满足能量关系式(27)，无人机能量存储能力判断准则如式(28)：

其中，为太阳能无人机上午生产功率与消耗功率平衡时刻，为太阳能无人机下午生产功率与消耗功率平衡时刻，E_bat为电池所含能量总额，单位瓦时，按式(29)计算：

E_bat＝C_batU_bat (29)

其中，C_bat为储能电池容量，单位安时，U_bat为储能电池标称电压，将式(29)代入，式(28)整理成如下

然后，利用式(30)，对由步骤三求出的理想状态下的飞行时间窗中的所有日期进行筛选，得到新的跨昼夜连续飞行日组成的集合即为实际可行的飞行时间窗。