[发明专利]一种基于飞行参数计算风速及风向的方法

说明书

本发明涉及风力和风向的检测领域，尤其涉及基于飞行参数计算风速及风向的方法，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。采用的方法是矢量三角形法，即根据无人机质心处的风速矢量、无人机对地的固有速度矢量与无人机对空气的相对速度矢量构成矢量三角形关系求解风速。该方法使用方便灵活、可大区域连续测量，估计频率相对较高，能够解算出小尺度变化的三维风场信息，从而为无人机的飞行控制提供高精度的实时风场参数。

技术领域

本发明涉及风力和风向的检测领域，尤其涉及基于飞行参数计算风速及风向的方法。

技术背景

目前无人机无论在军用领域还是民用领域均得到了广泛的应用，而在无人机飞行过程中风场参数(风速大小、风向)会影响到飞机起降性能、巡航性能以及飞行控制等，因此在无人机飞行阶段能够实时测量出风场参数，能够对无人机的飞行性能提高以及飞行航迹控制有利，确保无人机飞行安全。风速是空间矢量，用传统的测量装置(比如气球、风速仪)直接测量风速存在测量结果空间离散、测量精度低等条件限制，机载风速测量技术能够不受一般条件限制，在测风速方面更具优势。

目前机载测量风速的手段主要有水平空速归零法、航位推算法、矢量三角形法等。水平空速归零法利用无人机可以在水平面很小的半径范围内盘旋飞行的特点，盘旋飞行一圈，相对空气而言，飞机回到了同一点，水平空速矢量之和为零，平均水平风速等于飞机平均水平地速。该方法最大的优点是测量设备简单、测风速精度较高，误差小于1m/s，但是测风速方法繁琐，仅适合于常规场合下的定点测风速，不适合长航时、大区域执行侦察任务的无人机测风速。航位推算法其基本思想是根据相对运动、牵连运动及绝对运动三种运动的矢量合成关系，通过测量的无人机绝对运动位置及航位推算得到的无人机相对于大气云团的相对位置，对作为牵连运动的风场进行解算。航位推算法只适用于低成本配置的无人机测风速，仅需较少的传感器测量元件，但其解算频率相对较低，测风速精度较差，获得的风场信息不够全面。

现有技术中也存在相关测量风速风向的发明，如专利申请号为2016108132493，申请日为2016.09.10，名称为一种基于超声共振原理的风速风向测量方法的发明申请，其技术方案是通过超声在共振腔内的发射和接受来准确计算风速风向；如专利申请号为2009102600860，申请日为2009.12.24，名称为一种测风仪和测量风速风向的方法的发明申请，其公开了一种测量风速风向的方法，同样采用超声波对风速风向进行测量。又如专利申请号为201010102257X，申请日为2010.1.27，名称为高空驻空飞行器风速风向实时测量方法与装置的发明申请，该方法由测量装置和风速风向提取算法构成，能可靠地提取风速风向信息。相比以上专利，本专利更着重于风速风向的计算方法，本方法适用于大型无人机科研试飞、定型试飞等阶段，不采用超声波进行风速风向测量，不需要在无人机上加装其他任何测量设备，而是根据无人机自身所携带的各种传感器及组合导航系统提供的飞行参数，在无人机飞行过程中实时快速地计算出当地风速风向，能够为无人机的飞行控制提供较高精度的实时风场参数，进而让地面监控人员能够实时了解无人机各阶段飞行状态，并做出相应的控制，从而保证无人机飞行安全。目前经某型无人机多次试飞试验应用验证，本方法测风性能准确可靠。

发明内容

为了弥补现有技术中无人机机载传感器无法直接测量出无人机在起飞、爬升、巡航、下滑、着陆等飞行阶段中当地实时风速与风向的技术空白，本发明提供一种基于飞行参数计算风速及风向的方法。

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。