[发明专利]直升机光学大气数据系统

说明书

本发明公开的一种直升机光学大气数据系统，旨在提供一种抗干扰能力强，精度和可靠性高、综合探测解算能力较强的大气数据系统，本发明通过下述技术方案实现：基于激光多普勒测风雷达探测原理，传感器组件向受感器组件发射激光，受感器组件利用多镜头将激光发射到大气中，同时接收与大气相互作用后携带光轴空速信息的散射激光信号，并将散射激光信号发送回传感器组件进行处理，传感器组件解算光轴空速并进一步得到直升机的空速信息，包括三维空速、攻角和侧滑角；同时，静压传感器测量得到大气静压信号，静温传感器测量得到大气静温信号；传感器组件对上述得到的空速信息、大气静压信息和大气静温信息进行数据融合，直接解算并输出完整的直升机三轴大气数据信号。

技术领域

本发明涉及一种用于直升机的光学大气数据系统。

背景技术

大气数据系统到目前的整个发展过程，经历了集中式大气数据系统(CADS)、分布式大气数据系统(DADS)、嵌入式大气数据系统(FADS)、光学大气数据系统(OADS)以及虚拟大气数据系统(VADS)五个阶段。集中式大气数据系统的重点标志是外置在飞机外的空速管、攻角/侧滑角传感器，其核心为中央大气数据计算机(简称中央大气机)，而其基本的机载传感器通过与机身周围空气直接接触，为大气数据系统提供外界气流的温度、气压、自由来流的方向(即攻角和侧滑角)等信息，相关数据信息经过大气机解算、补偿和修正后，得到其他飞行控制参数(包括真空速、指示空速、马赫数等)并进一步整合输出相关信号显示，同时系统将此类大气参数通过输出装置提供给其它机载系统。装在机头侧翼的空速管集中式大气数据系统测量大气信息时，外置空速管感知的外界大气压力不能直接导入中央大气机进行解算，需要通过一段较长的压力传输导管，该结构特点导致了两个明显的测量缺陷：第一，较长的压力传输装置占据了一定的空间资源，并且需要另外安装除冰供热装置，防止气候严寒时空速管出现结冰现象导致失效；第二，在高机动飞行时存在严重的气动延迟现象，大气信息的滞后性比较严重；此外，所有的大气参数均传输到中央大气机里解算，对大气机的性能和可靠性提出非常高的要求。现有的机载风速测量方法通常是利用飞行器地速、真空速和风速存在的速度矢量关系进行矢量相减得到的。然而，当大气数据系统信息不准确或大气数据系统不可用时，机载系统往往不能得到准确的风场信息，风场信息反而是重构大气数据系统的重要基础。传统大气数据系统以皮托管测量大气的静压和总压为基本原理，结合温度、攻角等传感器感受飞行器飞行时的大气总温、大气静压、局部攻角等信息，经过源误差修正后按标准大气数据方程解算出气压高度、指示空速、马赫数、大气密度比、大气总温、真实攻角等参数，向飞行器的航空电子系统、飞控系统以及发动机控制系统等输出大气参数。传统大气数据系统存在低速时测量精度低、安装位置要求高、校正维护成本高、大机动测量性能差等缺陷，这些不足点已逐步不能满足现在或下一代飞行器的应用要求。类似于固定翼飞机的大气数据系统，利用空速管感受直升机飞行过程中的总压、静压，并结合攻角传感器、侧滑角传感器及静温传感器实现总压、静压、攻角、侧滑角及静温的直接测量，然后利用大气数据计算机中固定的解算与校正方法，完成大气数据的结算与修正，这种大气数据系统存在以下问题：1)空速管、攻角传感器及侧滑角传感器需要安装在受机身扰动小，气流稳定的位置，存在测量的大气参数与真实值之间的误差大的缺点；2)空速管、攻角传感器及侧滑角传感器存在加工误差和安装误差，压力、角度测量值与理想值之间存在偏差；3)躲避雷达波隐身、红外隐身、激光隐身和影像隐身的特性差，主要依靠其外形达到隐身性能难度大；4)输出的速度参数中只有横向真空速，没有纵向真空速和垂直真空速。传统直升机大气数据系统使用空速管、矢量传感器等沉浸式传感器，测量对象是直升机周围的环境气流，其工作原理是测量相对空速造成的动压改变。然而即便是环境气流，传统直升机大气数据系统也难以做到稳定测量。直升机依靠旋翼转动产生升力，强大的下气流风压会直接推开环境气流，这导致直升机飞行速度稍低，空速测量精度就急剧下降，而空速稍大时，环境气流会与下气流形成角力，造成机身附近压力的剧烈波动，这导致测量结果出现跳变。直升机进行大机动动作时，下气流会形成屏障，使得环境气流不能迅速作用到受感器，这导致测量结果出现滞后。此外，在超低空飞行时，地面效应将与下气流产生协同影响，产生更加显著的干扰效应。传统大气数据系统的工作原理决定了其无法在直升机进行海上、山区、丘陵地带超低空飞行、悬停时提供气象预警，这为直升机带来了安全隐患。而且大气温度的不确定性会对大气压力探测带来随机误差和系统偏差,因此传统的三轴大气数据系统在低速时无法保证大气参数测量精度。这些问题都是由于直升机飞行原理和大气机测量原理相冲突造成的，对现有大气数据系统进行的任何改进都难以从根本上解决。并且随着新机型的快速发展，传统大气数据系统渐渐已无法满足未来飞机对速度、高度、过载、敏捷性和长航时等的新要求。因此，相关各方迫切需要一种能够克服下气流影响，能够帮助直升机准确测量空速，并提供复杂气象预警的新原理大气数据系统。