[发明专利]一种基于飞行参数计算风速及风向的方法

权利要求书

1.一种基于飞行参数计算风速及风向的方法，其特征在于：根据风速、空速和地速之间的矢量关系计算出风速，在风速求解过程中需要用到空速、地速、姿态角和气动角等飞行参数。空速通过机载空速管测量得到的静压、动压和静温应用流体力学原理解算得出，地速由无人机的组合导航系统解算得出，气动角可由机载角度传感器直接测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行参数计算风速及风向的方法，其特征在于：根据无人机质心处的风速矢量V_w、无人机对地的固有速度矢量V，即地速，与无人机对空气的相对速度矢量V_k，即空速，构成矢量三角形关系：V＝V_k+V_w求解风速。

3.根据权利要求2所述的一种基于飞行参数计算风速及风向的方法，其特征在于：首先将空速V_k从气流坐标系转换到机体坐标系，再转换到地面坐标系，最后转换到北东天导航坐标系，其转换关系如下：

r_b＝L_bar_a＝(L_ab)^Tr_a

其中，r表示矢量，L_ab、L_ba互为转置矩阵，r_a、r_b分别表示在气流坐标系、机体坐标系下的矢量，L_ab为气流坐标系到机体坐标系的转换矩阵，

机体坐标系与地面坐标系的转换关系如下：

r_g＝L_gbr_b＝(L_bg)^Tr_b

同理，r表示矢量，L_bg、L_gb互为转置矩阵，r_g表示在地面坐标系下的矢量，L_bg为机体坐标系到地面坐标系的转换矩阵，

从转换矩阵可知，风速的求解除已知地速V和空速V_k外，还需要已知飞机飞行的气动角(攻角α、侧滑角β)以及姿态角(俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ)。

4.根据权利要求3所述的一种基于飞行参数计算风速及风向的方法，其特征在于：

下面详细说明本方法的求解步骤：

(1)将空速V_k从气流坐标系转换到机体坐标系，输入飞行参数有攻角α(°)，侧滑角β(°)，根据气流坐标系与机体坐标系间的转换矩阵，可得到

V_kb＝(L_ab)^TV_ka，即

其中，V_kxa、V_kya、V_kza分别表示空速V_k在气流坐标系下的三个分量，V_kxb、V_kyb、V_kzb分别表示空速V_k在机体坐标系下的三个分量。由于在气流坐标系中Ox_a轴始终指向飞行器的空速方向，因此V_kya＝V_kza＝0，由此可知：

在不考虑空速管变形以及测压孔有偏差的情况下，空速管测得空速是沿Ox_b轴方向的速度，即V_kxb为飞行参数中的真空速V_t(m/s)，因此

(2)将空速V_k从机体坐标系转换到地面坐标系，输入飞行参数有俯仰角θ(°)、滚转角φ(°)、偏航角(航向角)ψ(°)，根据气流坐标系与机体坐标系间的转换矩阵，可得到

V_kg＝(L_bg)^TV_kb，即

其中，V_kxg、V_kyg、V_kzg分别表示空速V_k在地面坐标系下的三个分量，因此：

(3)将空速V_k从地面坐标系转换到北东天导航坐标系，由地面坐标系与北东天导航坐标系的定义可知，

其中，V_k北、V_k东、V_k天分别表示空速V_k在北东天导航坐标系下的三个分量。

(4)计算在北东天导航坐标系下的风速，输入飞行参数有北向速度V_北(m/s)、东向速度V_东(m/s)、天向速度V_天(m/s)，即地速V在北东天导航坐标系下三个方向的分量。由V＝V_a+V_w可得

V_w＝V-V_a，即

所以，

此时风速大小风向可通过风速在北东天导航坐标系下的三个分量V_w北、V_w东、V_w天求出。