GPS法空速校准试飞技术的分析与应用

1、GPS法空速校准试飞技术的分析与应用摘要：本文是CCAR 23部限定的正常类、实用类、特技类和通勤类飞机的GPS 法空速校准的试飞方法、原理和要求进行讨论。着重研究了 GPS“三角形法空速 校准中求解校正空速和位置误差的整个数据处理流程，最后还简要介绍了在实际 运用过程的中注意事项和“四叶苜蓿形法。关键词：空速校准、三角形法”、位置误差。Analysis and Application of Air Speed Calibration Test by GPS MethodLIU Wenchuan（Avic Harbin Aircraft Industry Group Co.，Ltd. Harb

2、in）Abstract： This paper is discuss the flight test method、principle and requirement for air speed calibration test by GPS method of the CCAR 23 limited aircraft. The whole data processing process for solving the correction of airspeed and position error in the air speed calibration test by GPS “tria

3、ngle method” is emphatically studied. at the end of paper， also briefly introduced the matters of attention in the process of practical application and “clover leaf method”.Key words： air speed calibration， “triangle method”，position error1引言空速校准试飞是飞行试验的基础，国内外已先后发展过的空速校准试飞方法 有速度历程法、拖曳锥或拖曳弹法、标准机法、照相法

4、、塔测法等。随着科技的 发展，现今的GPS精度高，实施简单，同时GPS法进行空速校准同时也是飞行 试验指南（AC 23-8B）推荐的空速校准试飞方法之一，以此对GPS法进行空速 校准进行了分析与论证。2试验原理2.1空速校准的概念飞机在飞行中，由空速系统测定前方来流的总压和外界大气的静压，然后由 此解算得到空速，理想的空速系统要求在飞机的整个飞行高度速度范围内指示的 空速及气压高度等于真值，而对于实际飞行而言，空速系统的指示均不可避免地 存在一定的误差，其中主要是位置误差，空速校准就是通过试飞找出该误差。2.2 GPS法空速校准原理概述在开展空速校准试飞时，假设总压的测量误差为0,所以位置误差

5、认为是全 部由静压测量误差引起的，即总位置误差就是静压误差。可以得出（2-1）公式中：为总位置误差，为静压误差，为校正空速系统动压，是指示空速 系统动压。试验机安装GPS或DGPS （差分GPS）系统，通过该系统可以得出试验机的实 时空间位置和实时地速（矢量），当按照特定的飞行方式进行试飞时，通过解算 可以得出试验机的真实空速和风速。然后根据真实空速、气压高度和大气静温等 参数便可以解算出试验机的校正空速。详细的数据处理方法见第3章。3试验的具体执行3.1加装测试设备在实际开展的空速校准试飞时，为了满足任务需要，首先需要对试验机进行 必要的加改装，以获取并采集试验所需数据。应确保加装的采集、记

6、录设备有足 够的精度。3.2试飞方法根据飞行试验指南（AC 23-8B）中“附录9”推荐方法，选择“三角形法进 行试飞，即在给定的飞机构型下，飞机保持航向、以给定的高度、空速进行平飞， 稳定一段时间（在实际的空速校准试飞中，保持稳定平飞的时间不少于30s为 宜），此为第一边”；然后操纵飞机航向偏转120进入第二边”，保持该航向重 复第一边”内容；以第二边”相同的方式偏转飞机进入第三边”，重复第一边”内 容。整个过程按一个连续顺序进行。在空速校准试飞中需要采集和记录的主要参 数有两类：飞机的指示参数、GPS参数和飞机构型参数，包括重量、磁航向、指 示空速、气压高度、大气静温、GPS时间、GPS三

7、向速度、襟翼位置和起落架状 态。3.3试飞技术要求利用GPS“三角形法”进行空速校准试飞时，不稳定的风会对地速的结果产生 不好的影响，从而最终影响校正空速的结果。因此要求试飞在稳定的大气环境下 进行，即要求试验高度上风向、风速稳定，不会引起飞机的颠簸。GPS “三角形法” 空速校准主要要求试验高度上的风速和风向稳定，对风速的大小反而没有太过严 格的要求（如地速基线法要求风速小于3m/s），但风速最好不要过大，因为过大 的风速可能会造成静压误差不正常的偏大。另外，在GPS“三角形法”空速校准试 飞中，要求试飞员控制飞机在每个边”上的飞行的稳定性。3.4数据处理方法这里将简要介绍利用GPS“三角形

8、法”空速校准试飞中的数据处理方法。a）利用GPS数据求解真空速GPS法空速校准数据处理的基本公式本质上就是真空速等于地速和风速的矢 量和（3-1）公式中：为真实空速，是地速，为风速，上式是三个参数的矢量表达方式， 分解为北向和东向分量后（3-2）（3-3）其中地速的北向和东向的分量可以通过GPS系统直接获得，真空速的关系可 以写为真空速的平方等于它的分量的平方和（3-4）将公式3-2和3-3带入公式3-4，并利用GPS法空速校准要求三边”之间指示 空速、高度一致，那么三边的真空速为一个固定值，同时要求进行空速校准试飞 时试验空域内风速、风向不变，即也是固定值，结合GPS三边试飞的输出数据可 以

9、得出（3-5）公式中、为GPS输出量，将GPS系统测得的地速分量分别代入，很容易求解 得出风速分量x、y （即）的值。将风速分量x、y的值代入后，便可以得到此刻 飞机的真空速的值。b）结合机载测试数据确定校正空速和位置误差由于求解校正空速涉及的公式较多，所以在这里用倒推的方式进行讨论，运 12F飞机的最大平飞速度约为207kts，显然要远远小于标准大气条件海平面的音 速（661.48kts），因此计算校正空速的公式采用的是（3-6）公式中为标准大气条件海平面的音速，为校正空速的动压，是标准大气条 件海平面大气压强。可以看出，要想求得校正空速的值，需要确定飞机此刻的动 压，在空气动力学中，M1时

10、，动压和静压关系式为（3-7）公式中为前高度的大气静压，M为飞机此刻的马赫数。也就是说，要想确定 飞机此刻动压的值，还需要知道当前高度大气静压和当地马赫数的大小，其中（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）公式中H是当前气压高度，a为此时音速（与大气静温有关），是温度比， Th为当前大气静温。此时真空速VT已经由GPS结算得出，那么只需要再知道当 前的气压高度H、大气静温Th，便可以解算出校正空速的值。当前气压高度H需要用迭代的方式确定，前面提到静压误差等于动压误差 （第2.2节），因此可以通过动压误差来求解位置误差，即（3-12）（3-13）（3-14）（3-15）公式中为密度比，为压力

11、比，为指示空速的动压，得出关系式为（3-16）但同时当前动压的值又取决于气压高度H的大小。（3-17）所以首先需要用迭代的方式确定，最终解算出校正空速。以上便是整个GPS法空速校准试飞数据处理的过程，在所能找到的所有相关 文献中，都只是概略的讲述了该数据处理的原理，受篇幅限制这里不再详细讲解 计算过程，只简要介绍了推导过程。GPS“三角形法空速校准运用中的注意事项在实际运用GPS“三角形法进行空速校准试飞时，需要相关试验人员注意以 下内容：a）由于空中不同地点的风速变化较大，三边试飞中空域不应变化太大；b）三边高度差民航的要求是50ft，实际试飞中难以达到，数据选取时按100ft 掌握；c）航

12、向应使用GPS计算的航向，不应当使用数据曲线中显示的飞机航向；d）试验时需保证飞机的总压准确，试验前需进行总压校准。数据处理时可根 据总压及空速误差计算出静压误差；e）试飞中，高度、速度的保持比预期的更难，试飞时要有足够的耐心；f）试飞尽量早起进行，早上气流稳定。GPS“四叶苜蓿形法空速校准介绍在介绍该方法之前，先简单分析GPS“三角形法空速校准试飞的一点不足之 处，首先，该方法需要保持空速时间为至少20s，这就意味这在这20s里飞行员 的注意力要高度集中，操纵飞机的动作高度谨慎，其实这对于飞行员来是比较辛 苦。其次，在三边的定速平飞中，哪怕只有一边过长，便很容易导致“三角形”区 域过大，进而

13、无法保证在整个空速校准区域内风速大小不变、方向稳定。下面介绍另外一种GPS空速校准的方法，可以称之为四叶苜蓿形法”，要求 在风速风向保持常量的情况下，飞机以给定的高度和速度，连续转弯三次通过共 同的空中交点，航向之间相差120，空速和高度一致，具体飞行动作见图1。它 与三角形法”有相似的飞行动作和试验原理，完全相同的数据处理过程。但该方 法只要求在通过交点时保持空速即可，建议大约保持时间10s，同时，由于真正 的试验区域只有交点周围很小的范围，因此可以更好的保证试验区域内风速和风 向的稳定性，从而提高试飞数据的准确性，但是该方法也有一个缺点，那就是与 三角形法”相比，该动作稍显复杂。图1 “四叶苜蓿形法”飞行动作6小结使用“GPS ”方法校准空速，有其优越的测试精度和便捷性，同时对在很大程度 上放宽了对场地和气象的要求，且不需要空