本发明涉及一种用于大气数据地面测试的大气数据地面测试系统，尤其是对光学大气速度传感器在地表环境下进行动态特性试验的光学大气数据地面测试系统。
背景技术：
飞机的空速、迎角、侧滑角等大气数据无论对于飞行员还是飞控系统、航电系统等都是非常重要的参数。空速测量的工作原理是基于伯努利定律，即流体的静压和动压之和，即总压，是一个恒定的值。在飞行器飞行过程中，大气相对于飞行器高速运动，高速气流作用于空速管，在滞止作用下使其测得驻点压力，即总压。空速管在测量总压的同时还测量静压。大气数据计算机将总压减去静压，即得到动压，从而大气数据计算机可由动压计算得到空速。由于空速管是一种浸入式、被动式传感器，通过其结构设计，在空速的测量过程中，将速度转换成为了压力，因此在地面测试环节，可以通过给空速管施加等效压力的方式来进行空速测量的模拟测试。这种测试方法广泛用于现代飞机大气数据系统的地面测试和维护中。传统的空速传感器常见的有组合式空速传感器，它利用皮托管测量大气的总压和静压，并引入大气温度，按已知方程解算出空速。常用的迎角/侧滑角传感器为零压式迎角传感器。通常传统的空速传感器是由空速管(皮托管)、压力传感器和大气数据计算机组成的。由于皮托管的防冰加热功率不够，随着飞机高度的增加，外界温度降低，在皮托管内产生了结冰现象，堵塞了管路，影响了全压，使空速和高度产生相差。飞机滑跑过程中左右空速不一致故障反映在滑跑过程中在80节左右时出现空速不一致信息，相关管路或外部不稳定气流，其中，导致故障的，adm与皮托管占主要因素，故障是adm以及管路共同导致的。皮托管主要故障模式有：不加温、跳保险、加温不足、外形损伤、大气数据异常。其中加温不足故障较隐蔽。由于此类故障没有固定模式，具有随机性；相关部件的性能变化都会对大气数据产生影响，性能衰退的累加效应导致故障现象出现。目前还没有针对adm的应对措施。虽然按时间寿命提前更换皮托管可以在一定程度上减少因加温故障导致的航班延误，但不能杜绝此现象；提前更换皮托管的效果需要长期跟踪观察和评估，而成本和工作量却是即将面临的问题。
与传统的空速传感器不同，由于光学大气速度传感器是一种主动式传感器，其探测的多普勒信号必须藉由运动物体生成，因此现有大气数据系统的测试方法无法沿用到光学大气速度传感器中，目前用于光学大气速度传感器的测试方法包括转台试验，地面试验，风洞试验和试飞试验。其中，转台试验是对单个光束进行试验的手段。转台试验使用固体靶标模拟速度信号，由于固体靶标和空气的物理特性不同，因此转台试验无法真实模拟光学大气速度传感器对空气探测的实验环境；由于在空间距离几十米远的地方同时布置多个转台非常困难，使用转台进行攻角和侧滑角的测试也很难实现。地面试验使用自然风场进行测量，是气象领域的地基激光测风雷达的主要测试手段，但是由于气象和飞行器空速测量的速度范围、精度要求等指标有非常大的差距，使用自然风场进行光学大气速度传感器测试技术指标覆盖范围有限，严重依赖自然环境，不能形成规范化的测试流程。风洞试验是传统空速传感器设计和测试的一种重要手段，也可以为光学大气速度传感器的单个光束试验提供支撑，但是风洞试验段空间有限，无法提供直径几十米的光学大气速度传感器探测区域，也就无法实现真空速、攻角和侧滑角的测试。试飞试验可以在真实使用环境下进行光学大气速度传感器全部技术指标的测试，然而试飞试验相对于地面试验所消耗的资源过高，无法作为批量生产环境下的通用检测试验手段。
在贴近地表的大气环境中，由于地形起伏和温度影响原因，导致小尺度的气压不均匀现象。可移动载具4在运动时，会导致周围环境流场变化。以上原因使得可移动载具4附近存在不稳定气流，组合式风速测量设备13属于浸入式传感器，需要直接接触气流测量，不稳定气流会导致组合式风速测量设备13测得的测量点处的矢量风速6与宏观大气相对运动速度vc7具有较大的偏差。且在可移动载具4运动速度恒定的情况下，组合式风速测量设备13测得的测量点处的矢量风速6可能不稳定。但是光学大气速度传感器5属于遥感测量，测量点52远离不稳定气流环境，这就导致光学大气速度传感器5和组合式风速测量设备13两者测量的对象可能不一致。为了控制不稳定气流对大气数据地面测试系统的影响，使用升降平台12将组合式风速测量设备13提升到远离可移动载具4周围环境流场的位置，以此来尽可能地降低组合式风速测量设备13受到的不稳定气流干扰，提高大气数据地面测试系统对光学大气速度传感器5的测试结果准确性。
技术实现要素：
本发明的目的任务是针对现有技术的不足之处，提供一种可在地面环境下测试光学大气速度传感器动态特性，准确度高、重复性好、性能稳定、可靠，具备可接受的搭建和运行成本，可以实现真空速、攻角和侧滑角测试，对环境要求较低的大气数据地面测试系统，以及具体测试方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种大气数据地面测试系统，包括：垂直固定在测试平台1上的升降平台12，安装在测试平台1中部的gps/北斗导航天线14，集成在测试平台1前部的二维转台11，以及通过电缆3连接升降平台12的机箱2，其特征在于：机箱2内部集成了大气数据计算机21、gps/北斗解算器22和惯性导航设备23；惯性导航设备(23)测量基于惯导的速度信息，向二维转台11传输转动规定的角度，制造相对气流，调整光学大气速度传感器朝向，改变二维转台11上安装的光学大气速度传感器5与相对气流的夹角变化；升降平台12通过顶部安装的组合式风速测量设备13测量相对气流在测量点处水平方向和垂直方向上的风速风向，模拟出攻角和侧滑角信号，向光学大气速度传感器5提供真空速、攻角和侧滑角的基准数据；光学大气速度传感器5根据宏观大气相对运动，将发射的激光束分别汇聚在焦点处，利用激光散射原理探测该焦点处宏观大气相对运动速度vc在激光束51轴线方向上的投影速度，对三个以上不同方向的投影速度进行合成，通过电缆3将获取的真空速tas、攻角aoa和侧滑角aos的测试数据传输到gps/北斗导航天线(14)，gps/北斗导航天线(14)将接收到的卫星导航信号发送给gps/北斗解算器(22)，解算出卫星导航信号，得到基于卫星的速度信息。
本发明相比于现有的光学大气速度传感器测试方法具有如下有益效果。
本发明在地面环境下实现光学大气速度传感器的动态特性测试。本发明在进行光学大气速度传感器的地面测试时，行驶的可移动载具与宏观大气形成相互运动，为大气数据地面测试系统提供相对气流，使光学大气速度传感器能够探测到空速信号。转动平台通过转动规定的角度使得光学大气速度传感器与相对气流的夹角发生变化，从而模拟出攻角和侧滑角信号。组合式风速测量设备测量相对气流在水平方向和垂直方向上的风速风向，为光学大气速度传感器提供真空速、攻角和侧滑角的基准数据。通过以上手段，通过制造相对气流，调整光学大气速度传感器朝向，在地面环境下实现了光学大气速度传感器的真空速、攻角和侧滑角测试，实现了光学大气速度传感器的动态特性测试，具有准确度高、重复性好、性能稳定可靠的特点。
本发明具备可接受的搭建和运行成本。本发明机箱安装在可移动载具的内部，与测试平台通过电缆连接，采用安装在一台可移动载具顶部的测试平台。测试平台前部集成一个转动平台，测试平台后部集成了一个升降平台，升降平台顶部安装有一台组合式风速测量设备。测试平台中部安装有gps/北斗导航天线。一台或多台光学大气速度传感器安装在转动平台上。通过搭建基于地基可移动载具的大气数据地面测试系统，相较于风洞试验和载机试飞试验等，有效降低了设备成本和运行成本，为光学大气速度传感器的批量生产和商业化运营提供了可承受的测试条件。。
光学大气数据系统较传统大气数据系统在飞行器上应用具有许多显著优势，它利用激光与大气分子和气溶胶粒子分别发生瑞利散射和米氏散射效应，根据后向散射信号的强度和多普勒频移，能够实现所有大气参数的测量。光学大气速度传感器是光学大气数据系统的重要组成部分，是一种应用激光多普勒原理测量空速的新型空速传感器，可以测量飞行器的真空速、攻角和侧滑角。光学大气速度传感器是一种主动探测式传感器，其工作原理为向前方空气中发射多束激光光束，每一束激光光束聚焦在一个特定的焦点，在该焦点上激光与空气发生散射作用，产生多普勒效应。光学大气速度传感器收集发生带有多普勒效应的散射光，通过频谱分析计算得到光学大气速度传感器与宏观空气的相对速度矢量在该光束轴向上的投影，即相对速度分量。光学大气速度传感器在每一束激光光轴上均得到一个速度分量，最终得到一组速度分量。光学大气速度传感器对这一组速度分量进行计算，得到光学大气速度传感器与宏观大气的相对速度矢量，再进一步计算得到真空速、攻角和侧滑角。光学大气速度传感器每一束激光的焦点距离光学大气速度传感器的距离，即焦距，通常情况下有几十米远。各个激光束的焦点彼此之间的距离也有几十米远。这使得光学大气速度传感器具备提前测量空速的功能，还具备湍流测量的功能。
本发明通过更换不同种类的可移动载具，可以在不同速度范围内对光学大气速度传感器进行测试，可以尽可能地在地面环境模拟光学大气速度传感器的实际工作速度环境。
本发明可以同时对一台或多台光学大气速度传感器进行地面测试。对一台或多台光学大气速度传感器的测试均适用。
附图说明
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
图1是本发明大气数据地面测试系统的构成示意图。
图2是图1大气数据地面测试系统各部分的交联关系图。
图3是光学大气速度传感器测量示意图。
图4是大气数据地面测试系统在可移动载具上的实施例示意图。
图5是图4的坐标系示意图。
图6是转动平台示意图。
图7是组合式风速测量设备在升降平台上的安装示意图。
图8是组合式风速测量设备测量水平风速风向示意图。
图9是组合式风速测量设备测量垂直风速风向示意图。
图10是升降平台升起和收回状态示意图。
图11是测试中大气数据地面测试系统周围气流示意图。
图12是测试数据处理过程框图。
图中：1测试平台，2机箱，4可移动载具，5光学大气速度传感器，6测量点处的矢量风速，7宏观大气相对大气数据地面测试系统运动速度vc，8修正系数矩阵k，11转动平台，12升降平台，13组合式风速测量设备，14gps/北斗导航天线，15安装板，21大气数据计算机，22gps/北斗解算器，221vg，23惯性导航设备，131第一超声波风速计，132第二超声波风速计，133矢量大气速度vu，141卫星导航信号，231vi3电缆，41可移动载具速度vt，51出射激光束，52焦点，53光学大气速度传感器的测试数据，61水平风速vxy，62水平风向角b，63竖直风速vxz，64竖直风向角a，65vx，66vy，67vz，71投影速度，72模拟真空速tass，73模拟攻角aoas和模拟侧滑角aoss，81修正系数k。
具体实施方式
参阅图1-图3。在以下描述的一种的大气数据地面测试系统的一个最佳实施例中，大气数据地面测试系统由测试平台和机箱两部分构成，大气数据地面测试系统由测试平台1。测试平台1前部集成了一个二维转台11。测试平台1后部集成了一个升降平台12，升降平台12顶部安装有一台组合式风速测量设备13。测试平台1中部安装有gps/北斗导航天线14。机箱2内部集成了gps/北斗解算器22，惯性导航设备23、大气数据计算机21。测试平台1上集成的设备通过电缆3连接机箱内集成的设备。机箱2内部集成了大气数据计算机21、gps/北斗解算器22和惯性导航设备23；惯性导航设备(23)测量基于惯导的速度信息，向二维转台11传输转动规定的角度，制造相对气流，调整光学大气速度传感器朝向，改变二维转台11上安装的光学大气速度传感器5与相对气流的夹角变化；升降平台12通过顶部安装的组合式风速测量设备13测量相对气流在测量点处水平方向和垂直方向上的风速风向，模拟出攻角和侧滑角信号，向光学大气速度传感器5提供真空速、攻角和侧滑角的基准数据；光学大气速度传感器5根据宏观大气相对运动，将发射的激光束分别汇聚在焦点处，利用激光散射原理探测该焦点处宏观大气相对运动速度vc在激光束51轴线方向上的投影速度，对三个以上不同方向的投影速度进行合成，通过电缆3将获取的真空速tas、攻角aoa和侧滑角aos的测试数据传输到gps/北斗导航天线(14)，gps/北斗导航天线(14)将接收到的卫星导航信号发送给gps/北斗解算器(22)，解算出卫星导航信号，得到基于卫星的速度信息。
机箱2内部集成大气数据计算机21，控机21接收和存储大气数据地面测试系统在试验中产生的试验数据，控制图2所示二维转台11的转动角度111和升降平台12的升起和收回，接收和存储记录光学大气速度传感器5的测试数据53。
gps/北斗导航天线14将接收到的卫星导航信号141发送给gps/北斗解算器22，解算卫星导航信号141得到基于卫星的速度信息221；惯性导航设备23测量基于惯导的速度信息231；组合式风速测量设备13测量组合式风速测量设备13的测量点处的矢量风速6。
参阅图4。在进行地面测试时，大气数据地面测试系统需与一台可移动载具4配合使用。测试平台1安装在一台可移动载具4的顶部，机箱2安装在可移动载具4的内部。电缆3连接测试平台1上集成的设备与机箱2内集成的设备。被测试的一台光学大气速度传感器5安装在二维转台11上。为尽可能的模拟光学大气速度传感器5的实际工作环境，可移动载具4的运行速度应该能覆盖尽量大的速度范围。在本实施例中，大气数据地面测试系统可以安装在不同的可移动载具4上，从而实现不同的运行速度。当使用汽车作为可移动载具4时，最高运行速度可以达到160km/h，当使用火车作为可移动载具4时，最高运行速度可以达到350km/h，当使用火箭橇平台作为可移动载具4时，最高运行速度可以达到1ma。
应用本发明进行测试的光学大气速度传感器5是一种能够向大气中发射三束或更多激光束51的设备。在光学大气速度传感器5工作时，光学大气速度传感器5与宏观大气存在相对运动。光学大气速度传感器5发射的每一束激光束51在焦点52处汇聚，利用激光散射原理探测该焦点52处宏观大气相对运动速度vc7，探测宏观大气相对运动速度vc7在三个以上不同方向的投影速度71，对投影速度71进行合成，得到包含真空速tas、攻角aoa和侧滑角aos的测试数据53。
参阅图5。图中定义了大气数据地面测试系统的坐标系，大气数据地面测试系统使用飞行器机体坐标系定义。由于宏观大气相对运动速度vc7是宏观量，因此不需要严格定义机体坐标系原点。在大气数据地面测试系统坐标系中，可移动载具4正向驾驶方向为正x轴，右方向为正y轴，竖直下方为正z轴。
参阅图6。二维转台11的顶部是一个安装板15，安装板上15可以安装一台或多台光学大气速度传感器5。二维转台11是一个具有两个自由度的二维转台，第一个自由度为绕z轴旋转，在每一个时刻的转动角度为ψ；第二个自由度为绕y轴旋转，在每一个时刻的转动角度为θ。
参阅图7。组合式风速测量设备13安装在升降平台12顶部。组合式风速测量设备13由第一超声波风速计131和第二超声波风速计132构成。第一超声波风速计131水平安装，可测量水平风速61、风向62，第二超声波风速计132竖直安装，可测量垂直风速63、风向64。超声波风速计1131和第二超声波风速计132在安装前经过标定，使其在风速测量的一致性上优于0.1m/s，在风向测量一致性上优于0.1°。
参阅图8。水平安装的第一超声波风速计131测量的是水平方向的风速vxy61和水平方向的风向角b62，即测量点处的矢量风速6在xy平面上的投影，由风速和风向信息可以按以下公式求得测量点处的矢量风速6在x轴和y轴上的投影风速vx65和vy66：自动测试系统测试软件根据水平安装的第一超声波风速计131测量点处的矢量风速6在xy平面上的投影和测量的水平方向的风速vx和水平方向的风向角b，求得测量点处的矢量风速6在x轴轴的投影风速vx和y轴上的投影风速vy：
vx＝vxy*cosb
vy＝vxy*sinb。
参阅图9。竖直安装的第二超声波风速计132测量的是竖直方向的风速vxz63和竖直方向的风向角a64，即测量点处的矢量风速6在xz平面上的投影，由风速和风向信息可以按以下公式求得测量点处的矢量风速6在x轴和z轴上的投影风速vx65和vz66。自动测试系统测试软件根据水平安装的第二声波风速计132测量点处的矢量风速6在xz平面上的投影和测量的水平方向的风速vx和水平方向的风向角a，求得测量点处的矢量风速6在x轴轴的投影风速vx和z轴上的投影风速vz：
vx＝vxz*cosa
vz＝vxz*sina
第一超声波风速计131和第二超声波风速计132二者安装距离非常接近，在安装前经过一致性标定，可以认为两具风速计测量的是同一个测量点处的矢量风速6，因此两者测量得到的vx65值是一致的。组合式风速测量13设备向大气数据计算机21发送的是由vx65、vy66、vz67组成的矢量大气速度vu133。
组合式风速测量设备13对矢量大气速度vu133的测量之所以是通过两个二维测量的超声波风速计实现，是由于现有二维测量的超声波风速计价格便宜，成熟可靠，在车载试验环境下能够稳定工作。在本专利实施时，可以将两个二维测量的超声波风速计改为单个三维测量的超声波风速计，同样可测得由vx65、vy66、vz67组成的矢量大气速度vu133。
参阅图10。升降平台12安装在测试平台1后部。升降平台12可以在升起和收回两个状态切换，收回状态时升降平台12的总高度较低，便于地基可移动载具4的转场。升起时升降平台12顶端距平台底部高度不低于3米。
参阅图11。使用升降平台12安装组合式风速测量设备13以提升组合式风速测量设备13的测量高度的原因，是为了减少地表不稳定气流对风速、风向测量带来的影响。通过升降平台12将组合式风速测量设备13提升到距离地表较远的位置，可以最大程度减少地表不稳定气流造成的影响。
在此基础上，应用预试车来进一步标定和补偿地表流场对大气数据地面测试系统的影响。具体方法为在无风条件下对大气数据地面测试系统进行试车运行，可移动载具4以规定速度行驶。在运行过程中，gps/北斗导航天线14接收到卫星导航信号141并发送给gps/北斗解算器22，gps/北斗解算器22解算卫星导航信号141得到基于卫星的速度信息vg221。惯性导航设备23测量基于惯导的速度信息vi231。大气数据计算机21接收和记录基于卫星的速度信息vg221和基于惯导的速度信息vi231并将两者综合，综合后得到可移动载具4的实际速度vt41。
大气数据计算机21接收组合式风速测量设备13的两组速度数据，自动测试系统测试软件将测量得到的两组速度数据133进行比较，进行不同速度vt41下的标定，得到测量结果的修正系数k81和修正系数矩阵k8，以修正系数矩阵k8为基础，将组合式风速测量设备13与可移动载具速度vt41下的两组速度数据的差值作为当前规定速度。当试验场地的自然风速不为零时，组合式风速测量设备13通过修正系数矩阵k8测量得到的结果去除地表流场干扰，获得可移动载具4运动速度和自然风速的合成值，从而获得宏观大气与大气数据地面测试系统的宏观大气相对运动速度vc7。在确保可移动载具4安全行驶的前提下，测试地点的自然风速不是地面测试的限制条件。
参阅图12，在利用大气数据地面测试系统进行光学大气速度传感器5的地面测试时，可移动载具4以规定速度行驶。大气数据计算机21自动测试系统测试软件接收和记录基于卫星的速度信息vg221和基于惯导的速度信息vi231并将两者综合，综合后得到可移动载具4的实际速度信息vt41。大气数据计算机21根据不同速度vt41在修正系数矩阵k8中查找得到对应的修正系数k81，使用该修正系数k81将组合式风速测量设备13向大气数据计算机21自动测试系统测试软件发送的矢量大气速度vu133进行修正，得到观大气相对运动速度vc7。宏观大气相对运动速度vc7由机体坐标系x、y、z三轴方向的轴向速度vxc、vyc和vzc组成。
当宏观大气与大气数据地面测试系统及安装在大气数据地面测试系统上的光学大气速度传感器5之间形成宏观大气相对运动速度vc7时，大气数据地面测试系统得到了模拟真空速tass71。在可移动载具4以规定速度行驶的同时，大气数据地面测试系统对攻角和侧滑角参数进行模拟。具体方法为大气数据计算机21控制二维转台11在两个自由度上转动规定的角度ψ和θ16，使得宏观大气与光学大气速度传感器5之间相对速度7的方向发生变化，得到模拟攻角aoas和模拟侧滑角aoss72。模拟真空速tass72、模拟攻角aoas和模拟侧滑角aoss73的具体数值为：tass＝√((vxc)2+(vyc)2+(vzc)2)，aoas＝arctan((vxc*sinθ*cosψ+vyc*sinθ*sinψ+vzc*cosθ)/(vxc*cosθ*cosψ+vyc*cosθ*sinψ-vzc*sinθ))；aoss＝arctan((-vxc*sinψ+vyc*cosψ)/(vxc*cosθ*cosψ+vyc*cosθ*sinψ-vzc*sinθ))。大气数据计算机21自动测试系统测试软件进行模拟真空速tass72、模拟攻角aoas和模拟侧滑角aoss73的计算。同时，被测试的光学大气速度传感器5探测到大气数据地面测试系统模拟的宏观大气与光学大气速度传感器5的宏观大气相对运动速度vc7，即真空速tas、攻角aoa和侧滑角aos。大气数据计算机21接收到光学大气速度传感器5测量的真空速tas、攻角aoa和侧滑角aos，自动测试系统测试软件将其与模拟真空速tass72、模拟攻角aoas和模拟侧滑角aoss73进行比较，从而达到对光学大气速度传感器5测试的目的。