一种估计平流层飞艇飞行性能参数的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空测控技术领域，特别设及一种估计平流层飞艇飞行性能参数的方 法和系统。
【背景技术】
[0002] 近年来在区域大气环境监测、防灾减灾、高分辨率实时监视、预警和导弹防御、反 恐、区域通信等需求的驱动下，平流层飞艇引起了各国的普遍重视，美国、日本、俄罗斯、韩 国、欧盟、中国等主要国家陆续启动了相关的研究计划，开始了较深入的研究开发工作。一 些国家已经开始着手进行平流层飞艇样机的研制和飞行试验。
[0003] 飞行试验是检验飞行性能指标是否满足要求、飞艇总体设计是否合理的重要依 据。当前平流层飞艇尚处在探索阶段，开展一次试验飞行的周期较长，成本和代价也很大， 因此往往希望能通过一次飞行试验评估出尽可能多的飞行特性参数。然而，现阶段从飞行 试验中，获取平流层飞艇的飞行性能参数或飞行特性参数，存在几个根本性的困难:首先， 相对风速或真风速无法测量。由于平流层环境的特殊性，目前还无法实时获取飞行时的相 对风速信息（空速、攻角、侧滑角)或者真风速信息。运些信息对基础飞行特性参数的辨识至 关重要，因为平流层飞艇的动力学特性与其相对于大气的移动速度相关，而非与相对地面 的移动速度相关。其次，平流层飞艇处于风场环境。平流层风场并不恒定，风速/风向随高度 的变化而变化，仅当高度变化很小时，才能近似看作恒定风场。由于平流层飞艇体积庞大， 运动速度低，其动力学特性受风的影响很大。和低空飞艇可选择无风环境开展飞行试验不 同，平流层飞艇的飞行试验无法隔离风的影响。在风速不可测的情况下，加剧了参数估计的 困难。其=，平流层试验飞艇自身存在的一些不足，加剧了飞行工况保持的难度。例如，由于 俯仰姿态调节困难，平流层飞艇保持定高飞行比较困难，一旦飞艇推力或空速发生变化，高 度就会发生飘移，而高度飘移又往往导致艇体压力变化，产生充放气效应，使得飞艇的质量 参数也发生改变。然而，保持特定的飞行工况，是通过试验方法辨识飞行特性参数的关键。
[0004] W风速估计为例，来说明通过试验方法评估飞行性能参数的困境。曾有人认为，可 用下述方法提取风速:首先让飞艇处于无动力飘飞状态，此时导航系统，如GI^给出的地速 即为风速。由于平流层风场具有较好的时间稳定性，在之后的飞行性能评估试验时，可认为 风速保持不变。但实际上，平流层风场随高度分层变化，一旦动力开启，由于俯仰姿态调节 的困难，几乎不可能使得飞艇保持在零攻角飞行状态，飞行高度会发生飘移，而高度变化一 旦和充放气禪合，高度飘移很容易就会超过200m。此时，新高度上的风场已经不是之前飘飞 时的风场。
[0005] 数学上，平流层飞艇飞行特性参数的试验辨识问题，可归结为:在风场和空速未知 的前提下，如何进行试验设计和辨识算法设计，使得仅利用相对于地面的移动轨迹、速度、 姿态等其他信息，就可评估出所期望的飞行特性参数。目前在平流层及W上高度，还没有已 见文献的方法能直接为平流层飞艇提供评价飞行性能所需要的实时水平风速风向、空速、 稳态盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速率、侧滑角和攻角信息。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是如何准确估计平流层飞艇的飞行性能参数。
[0007] 为此目的，本发明提出了一种估计平流层飞艇飞行性能参数的方法，包括：
[0008] 使所述飞艇进入稳定盘旋飞行状态；
[0009] 获取所述飞艇的地速、姿态信息和位置信息；
[0010] 根据所述飞艇的地速、姿态信息和位置信息，估计所述飞艇的飞行性能参数。
[0011] 优选地，所述使所述飞艇进入稳定盘旋飞行状态包括：
[0012] 固定所述飞艇的主奖转速和偏航控制量，使所述飞艇进入盘旋飞行状态；当所述 飞艇的飞行高度的波动值小于预设值时，即认为所述飞艇进入稳定盘旋飞行状态。
[0013] 优选地，所述飞艇的飞行性能参数包括风速、空速、偏航操纵性能参数和纵、横向 稳定性能参数。
[0014] 优选地，所述风速、空速的计算过程包括：
[0015] 根据所述风速、空速和地速的关系建立第一圆方程：
[0016]
[0017] 其中，（Vx，Vy)为艇载导航系统测出的地速，（Wx，Wy)为待估计的风速，Va为待估计的 空速；
[0018] 利用盘旋飞行时测出的多个地速(Vxi，Vyi)，i = l，2,…，通过圆拟合算法，计算待 估计的风速(Wx，Wy )和待估计的空速Va。
[0019] 优选的，所述通过圆拟合算法，计算待估计的风速(Wx，Wy)和待估计的空速Va的步 骤包括：
[0020] A、通过多个地速(Vxi，Vyi)，i = 1，2，…n，定义中间参数
[0021] a = 2Wx，b = 2Wy，C = Va2- (Wx2+Wy2)
[0022] 构造出最小二乘方程；
[0023]
[0024] B、求解最小二乘方程，计算出a，b，c;
[0025] C、由a.h.c计當风巧（Wy.Wv),巧巧V。。
[0026]
[0027] 优选地，所述偏航操纵性能参数包括:所述飞艇的盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速 度;所述偏航操纵性能参数的计算过程包括：
[0028] 根据所述飞艇的盘旋轨迹，建立第二圆方程
[0029] [ (X-Wxt) -XOO ] 2+ [ (y-Wyt) -y00 ] 2 = r2
[0030] 其中，（Wx，Wy)为风速，（xoo，yoo)为初始时刻圆屯、的位置，（x，y)为艇载导航系统测 出的飞艇位置，R为待估计的飞艇的盘旋半径，t为时间；
[0031 ]从所述飞艇的盘旋轨迹上选取一系列点（Xi，yi，ti)，i = I，2，…，通过圆拟合算法， 计算待估计的飞艇的盘旋半径R。
[0032] 优选地，所述盘旋周期、盘旋角速度通过W下公式进行计算：
[0033]
[0034]
[0035] 其中，CO为盘旋角速率，Tcircle为盘旋周期。
[0036] 优选地，所述纵、横向稳定性能参数包括所述飞艇的平均侧滑角、瞬时侧滑角、平 均攻角和瞬时攻角；
[0037] 所述飞艇的平均侧滑角和瞬时侧滑角通过W下公式进行计算：
[00；3 引
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[00创其中，为空速在导航坐标系下的分量;区^为地速在导 航坐标系下的分量，[WxWy o]T为风速在导航坐标系下的分量JFdXb K,.,，r为空速 在体轴系上的分量，A(Cl) 1，01，如)为从导航坐标系转到体轴系的转换矩阵，m为盘旋轨迹上 点的个数，i = l，2,…，111，及为平均侧滑角，01为ti时刻的侧滑角，[F。娜氏加F。，化了为空 速在体轴系上的分量平均值，为空速在体轴系上的y轴方向分量平均值，（Va,yb)i为ti时 刻空速在体轴系上的y轴方向分量。
[0044]优选地，所述飞艇的平均攻角和瞬时攻角通过W下公式进行计算：
[0045]
[0046]
[0047] 其中，压为平均攻角，.-1-.么6^.为m个俯仰角的平均值，巧^为空速在体轴系上的Z轴 方向分量平均值，^^6为空速在体轴系上的X轴方向分量平均值，a功ti时刻的瞬时攻角，01 为ti时刻的俯仰角，（Va,bz)功ti时刻空速在体轴系上的Z轴方向分量平均值，（Va,bx)功ti时 刻空速在体轴系上的X轴方向分量平均值。
[0048] 另一方面，本发明还提供了一种估计平流层飞艇飞行性能参数的系统，包括:飞行 单元、采集单元、估计单元；
[0049] 所述飞行单元用于使所述飞艇进入稳定盘旋飞行状态；
[0050] 所述采集单元获取所述飞艇的地速、姿态信息和位置信息；
[0051] 所述估计单元用于根据所述飞艇的地速、姿态信息和位置信息，估计所述飞艇的 飞行性能参数。
[0052] 本发明提供的估计平流层飞艇飞行性能参数的方法和系统，可在高空稀薄大气环 境下，利用平流层飞艇内的导航系统给出的地速、位置、姿态角信息，计算出准确的水平风 速、风向、空速、偏航操纵性能(稳态盘旋半径、盘旋周期、盘旋角速率）、纵横向稳定性(侧滑 角和攻角）等飞行性能参数;且本发明过程简单、易于实现，只需固定主奖转速和偏航控制 量，飞艇即可进入盘旋飞行状态，盘旋飞行使飞艇处于固定高度，风速和风向固定，使飞艇 处于恒定风场下，减小了估计平流层飞艇飞行性能参数的误差。
【附图说明】