- 瑞士Simtec Buergel AG
- GE DRUCK德魯克公司
- 美國Honeywell公司霍尼韋爾
- 法國SBG SYSTEMS
- Flight Data Systems公司
- Delta Tech公司
- 德國Messkonzept GmbH公司
- 芬蘭VAISALA公司
- 美國ACES SYSTEMS
- Jewell Instruments
- WS Technologies
- VIAVI唯亞威/Aeroflex艾法斯
- Xensor Integration
- Dukane Seacom
- 荷蘭Xsens公司
- PF FISHPOLE HOISTS
- 挪威Sensonor AS公司
- OPTI Manufacturing
- Canon Load Banks
- Aerofab NDT
- 芬蘭DEKATI
- 芬蘭Labkotec Oy
- 德國BD|SENSORS
- 德國Pro-chem Analytik GmbH
- 美國PIXHAWK和TE和MEAS公司
- DESHONS HYDRAULIQUE
- Nissha FIS Inc.公司
- 英國仕富梅SERVOMEX公司
- 愛爾蘭Innalabs
- 美國New Avionics公司
- KNESTEL Technologie
- 美國NTM Sensors公司
ADS-9結(jié)合ELLIPSE-D在三維矢量風(fēng)速測量的應(yīng)用
ADS-9五孔壓差空速管結(jié)合ELLIPSE-D慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航儀在三維矢量風(fēng)速測量的應(yīng)用
-航空風(fēng)速和風(fēng)向儀應(yīng)用
傳統(tǒng)三維矢量風(fēng)速測量方法有機械式和超聲波式。機械式通過風(fēng)杯、風(fēng)標等部件,將風(fēng)速和風(fēng)向轉(zhuǎn)化為機械運動,再經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號;超聲波式則利用超聲波在空氣中的傳播特性,通過測量超聲波在不同方向上的傳播時間差,來計算風(fēng)速和風(fēng)向。傳統(tǒng)的高空氣象探測手段,如探空氣球,雖能獲取一定高度的氣象數(shù)據(jù),但受天氣條件影響較大,且可控性相對較低。雖然氣象衛(wèi)星雖覆蓋范圍廣,卻在空間分辨率上難以滿足精細化探測需求。而航空風(fēng)速風(fēng)向儀,例如無人機,巧妙結(jié)合了無人機的靈活性與專業(yè)氣象探測設(shè)備的技術(shù),成功彌補了這些不足。無人機風(fēng)速風(fēng)向儀可輕松抵達不同高度層,對高空氣流展開準確測量。它能在復(fù)雜地形和惡劣天氣條件下執(zhí)行任務(wù),不受地面障礙物的阻礙。通過搭載高靈敏度的風(fēng)速風(fēng)向測試系統(tǒng),能夠?qū)崟r、精準地獲取風(fēng)場數(shù)據(jù),包括風(fēng)速大小、風(fēng)向角度以及風(fēng)的變化趨勢等關(guān)鍵信息。
這些高空氣象數(shù)據(jù)在氣象預(yù)報方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。準確的風(fēng)速風(fēng)向信息有助于氣象學(xué)家更深入地理解大氣環(huán)流的運動規(guī)律,顯著提高天氣預(yù)報的準確性和時效性。尤其是在對強對流天氣、臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)報中,無人機風(fēng)速風(fēng)向儀所提供的關(guān)鍵風(fēng)場信息,能為提前預(yù)警和制定防范措施提供有力支持,為保障人民生命財產(chǎn)安 全爭取寶貴時間。對于航空領(lǐng)域而言,航空尤其無人機風(fēng)速風(fēng)向儀同樣意義重大。飛行員借助對高空氣流狀況的了解,能夠制定更安 全的飛行計劃,有效避免遭遇危險的風(fēng)切變等氣象現(xiàn)象,保障飛行安 全。同時,這些數(shù)據(jù)也為機場的運行管理和航班調(diào)度提供了重要參考依據(jù),有助于提升機場運營效率,確保航空運輸?shù)捻槙场T诃h(huán)境監(jiān)測和氣候研究方面,無人機風(fēng)速風(fēng)向儀也展現(xiàn)出強大的功能。它能夠監(jiān)測大氣污染物在高空中的擴散情況,為環(huán)境保護工作提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持,助力相關(guān)部門制定更有效的污染防控策略。此外,通過高空氣象觀測,科研人員可以深入研究氣候變化對大氣環(huán)流的影響,為應(yīng)對全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù),推動可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)。黛爾特(北京)科技有限公司提供ADS-9和ELLIPSE-D在三維矢量風(fēng)速測量解決方案
當前比較流行的三維風(fēng)速測試系統(tǒng)是采用多孔壓差空速管結(jié)合慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航來準確可靠、測量風(fēng)矢量。準確測量三維風(fēng)矢量(包括風(fēng)速和風(fēng)向)方法在一系列科學(xué)、工業(yè)和航空航天應(yīng)用中至關(guān)重要。這些包括氣象學(xué)、空氣動力學(xué)測試、風(fēng)能評估和環(huán)境監(jiān)測。為了實現(xiàn)高精度、實時和空間綜合的風(fēng)測量,多種傳感器技術(shù)的集成變得越來越普遍。值得注意的是,將多孔探頭(MHP)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)相結(jié)合,為捕獲具有位置和方向精度的詳細風(fēng)矢量數(shù)據(jù)提供了一個強大的框架。我們將介紹ADS-9五孔壓差空速管、ELLIPSE-D慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同用于測量風(fēng)矢量。
ADS-9五孔壓差空速管是一種小型流線型設(shè)備,其表面地布置有多個壓力端口。當在流場時,每個端口都會測量局部靜態(tài)或滯止壓力,經(jīng)過適當處理后,這些壓力會顯示出流動的方向和速度分量。ADS-9通過壓力傳感器獲取每個端口的壓力數(shù)據(jù),并對其進行處理,以得出流動角度和速度幅度。校準至關(guān)重要——它涉及通過風(fēng)洞測試或計算模型將壓差映射到流動角度。一旦校準,該系統(tǒng)可以推斷探頭位置的瞬時風(fēng)矢量分量。與傳統(tǒng)的單點風(fēng)速計相比,它的關(guān)鍵優(yōu)勢包括能夠同時測量三維速度矢量。
ADS-9五孔壓差空速管包括:
- 細長的空氣動力學(xué)尖 端,可zui大限度地減少流動干擾。
- 幾個壓力孔對稱布置在探頭表面周圍。
- 將每個端口連接到壓力傳感器的小直徑氣動管路。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由加速計和陀螺儀組成,在沒有外部參考的情況下跟蹤移動平臺的方向、位置和速度。通過整合測量的加速度和角速度隨時間的變化,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供了傳感器位置和姿態(tài)的連續(xù)實時數(shù)據(jù)。在航空三維風(fēng)矢量測量設(shè)置中,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有幾個用途:
- 姿態(tài)校正:它確定ADS-9五孔空速管的準確方向,確保壓力數(shù)據(jù)相對于流場正確定向。
- 平臺穩(wěn)定性:當安裝在飛機、無人機或地面車輛上時,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可確保正確對齊,并有助于補償運動引起的誤差。
- 軌跡跟蹤:準確的定位允許將風(fēng)測量值與其特定的空間位置相關(guān)聯(lián),這對于繪制風(fēng)場和天氣建模至關(guān)重要。
- 由于傳感器偏差、噪聲和積分誤差,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)會隨著時間的推移而漂移。因此,它們通常需要外部援助,這就把我們需要全球?qū)Ш叫l(wèi)星GNSS集成上。
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS:包括GPS(美國)、GLONASS(俄羅斯)、伽利略(歐盟)和北斗(Beidou, 中國)等系統(tǒng)。它們通過測量來自多顆衛(wèi)星的信號,在全球范圍內(nèi)提供準確的定位信息。ELLIPSE-D全球?qū)Ш叫l(wèi)星GNS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集成;當以緊密或松散耦合的方式與INS結(jié)合時,GNSS數(shù)據(jù)有助于:
- 通過提供絕 對位置固定來糾正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)漂移。
- 提供風(fēng)測量的準確空間參考。
- 啟用運動檢測和校正,特別是在平臺運動復(fù)雜的情況下。
ADS-9五孔壓差空速管結(jié)合ELLIPSE-D慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航儀在三維矢量風(fēng)速測量的系統(tǒng)集成一個能夠在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)高精度的綜合風(fēng)測量系統(tǒng)。
ADS-9安裝在前支桿或氣動桅桿、無人機或飛機上。平臺必須:
- 提供剛性和隔振安裝。
- 確保ADS-9探頭與平臺的坐標軸正確對齊。
- 集成電源、數(shù)據(jù)采集和環(huán)保。
- 數(shù)據(jù)采集和處理關(guān)鍵步驟包括:
- 數(shù)據(jù)采集:同時采集來自ADS-9輸出氣壓高度、空速、攻角和側(cè)滑角數(shù)值和來自ELLIPSE-D輸出的方向和加速度數(shù)據(jù)以及位置數(shù)據(jù)(來自GNSS)。
- 數(shù)據(jù)同步:確保傳感器之間的一致測量,通常需要使用高分辨率時鐘進行時間戳。
- 校準:ADS-9五孔壓差空速管和ELLIPSE-D慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的飛行前校準。
- 數(shù)據(jù)融合:應(yīng)用卡爾曼濾波器或互補濾波器等先進算法,融合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù),產(chǎn)生位置、速度和方向的準確估計。這些參數(shù)用于:正確的壓力測量方向;將風(fēng)矢量映射到全局或局部坐標系上;補償平臺運動和方向誤差。
ADS-9五孔壓差空速管和ELLIPSE-D慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測量程序和校準
初始校準:ADS-9在風(fēng)洞和靜態(tài)現(xiàn)場測試中進行,將壓差與流動角度聯(lián)系起來,并確定初始方向。
現(xiàn)場校準:可能涉及根據(jù)已知風(fēng)況或標準參考傳感器進行校準。
飛行/操作階段:ADS-9五孔壓差空速管和ELLIPSE-D慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)系統(tǒng)持續(xù)收集壓力、方向和位置數(shù)據(jù)。正確的數(shù)據(jù)記錄和備份至關(guān)重要。
后處理:使用傳感器融合算法處理數(shù)據(jù),校正平臺運動,并在所需的坐標系中導(dǎo)出風(fēng)矢量分量。
高空間和時間分辨率:能夠分辨快速變化的風(fēng)向。
動魯棒性:ELLIPSE-D(INS/GNSS)補償平臺運動,即使在移動的平臺上也能進行準確的風(fēng)矢量測量。
三維流動特性:ADS-9可捕獲詳細的流動角度和速度,并通過平臺方向數(shù)據(jù)進行細化。
在復(fù)雜和動態(tài)環(huán)境中的適用性:適用于航空測量、移動車輛或靜態(tài)測量不足的湍流風(fēng)場。
ADS-9五孔壓差空速管和ELLIPSE-D慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)挑戰(zhàn)
復(fù)雜系統(tǒng)集成:需要復(fù)雜的傳感器融合算法和校準程序。
傳感器漂移和誤差:慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時間漂移,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)多徑或衛(wèi)星信號阻塞會損害精度。
-環(huán)境因素:高振動、溫度變化和電磁干擾會影響傳感器性能。
成本和維護:此類三維風(fēng)速測量系統(tǒng)需要大量投資和技術(shù)專長。
- 氣象研究:用于風(fēng)暴跟蹤的高空氣球或無人機風(fēng)力測量。
- 風(fēng)能評估:用于風(fēng)力渦輪機選址和運行的準確風(fēng)力分析。
- 航空航天測試:飛行測試期間飛機或航天器周圍的風(fēng)矢量測量。
- 環(huán)境監(jiān)測:繪制城市或復(fù)雜地形的風(fēng)流圖。
垂直風(fēng)是理解氣溶膠-云相互作用(ACIS)的關(guān)鍵參數(shù)。在追蹤大氣中基于飛機的風(fēng)測量的發(fā)展過程中,自20世紀60年代以來一直在追求三個發(fā)展方向:改進機載平臺、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INSS)和傳感器。機載平臺已經(jīng)從大型飛機發(fā)展到超輕型無人機系統(tǒng)。綜合慣性導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)(INSS)測量飛機(或無人駕駛飛機系統(tǒng))的線性和旋轉(zhuǎn)運動,并用于在地球坐標系中反演風(fēng)矢量。綜合導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)的一個重大改進是GPS(全球定位系統(tǒng))數(shù)據(jù)與融合傳感器的集成。大氣中風(fēng)矢量的總體精度已經(jīng)大幅度提高,從1 m/s帶風(fēng)向標傳感器到0.03 m/s帶多孔壓差測風(fēng)空速管和先進的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。在過去的十年里,GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INSS和傳感器已經(jīng)足夠小型化(例如:ELLIPSE-D體積小、重量輕),可以安裝在超輕型遙控飛機系統(tǒng)(RPAS)和無人機上,該三維矢量風(fēng)速測量系統(tǒng)已經(jīng)擴展了以前限于傳統(tǒng)載人飛機的觀測能力。
特別是多孔探針測風(fēng)皮托管和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是固定翼和旋翼機獲得垂直風(fēng)的主要機制。多孔壓差測風(fēng)空速管、壓力傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合決定了大氣風(fēng)測量的精度。文獻中報告了不同無人機平臺垂直風(fēng)測量w的以下精度;這些精度是通過不同的方法獲得的,這些方法提供了1σ不確定度或與特定一對多孔探針皮托管-慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS相關(guān)的系統(tǒng)誤差分析。
五孔壓差空速管(壓差比)攻角傳感器和側(cè)滑角傳感器的架構(gòu)比較簡單,主要包括用來測量各種壓力的半球形或圓錐多孔探頭、若干氣動管路貫穿探頭、連接部分和支撐部分傳導(dǎo)壓力,差壓傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號,通過公式,計算出風(fēng)的矢量(方向和大小),即空中三維風(fēng)速的測量。
五孔壓差空速管壓力矢量測風(fēng)儀解決現(xiàn)有風(fēng)杯風(fēng)標傳感器在雨雪冰凍天氣條件下無法正常工作的難題,克服了機械旋轉(zhuǎn)式風(fēng)杯風(fēng)標測風(fēng)設(shè)備存在的問題;ADP-55加熱型五孔壓差空速管壓力矢量測風(fēng)儀|五孔皮托管測風(fēng)儀解決了雨雪冰凍、沙塵等惡劣氣候環(huán)境下準確測量環(huán)境風(fēng)的難題;有效提高了環(huán)境自然風(fēng)的觀測質(zhì)量;豐富了環(huán)境風(fēng)觀測方法,五孔空速管壓力矢量測風(fēng)儀提高了氣象行業(yè)觀測智能化水平。
高精度測量風(fēng)矢量需要集成多種傳感方式。使用多孔探頭直接從局部氣流中提供詳細的氣流角度和速度數(shù)據(jù)。當與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合時,該系統(tǒng)可以獲得準確的方向和運動補償,確保壓力讀數(shù)轉(zhuǎn)化為相對于地球或特定坐標系的正確風(fēng)矢量。GNSS通過提供絕 對位置定位、減少導(dǎo)航漂移和實現(xiàn)風(fēng)場的準確空間測繪來補充INS。
ADS-9結(jié)合ELLIPSE-D在三維矢量風(fēng)速測量的應(yīng)用這些技術(shù)共同構(gòu)成了一個強大的測量系統(tǒng),能夠在實時和可變環(huán)境中捕捉復(fù)雜的三維風(fēng)模式。盡管存在測風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜性、環(huán)境影響和成本方面的挑戰(zhàn),但多孔探頭與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用仍然處于當代大氣和氣動測量技術(shù)的前沿,為天氣預(yù)報、可再生能源、航空航天和環(huán)境科學(xué)的進步提供了動力。



