ADS-9结合ELLIPSE-D在三维矢量风速测量的应用

ADS-9五孔压差空速管结合ELLIPSE-D惯性卫星组合导航仪在三维矢量风速测量的应用

-航空风速和风向仪应用

这些高空气象数据在气象预报方面发挥着至关重要的作用。准确的风速风向信息有助于气象学家更深入地理解大气环流的运动规律，显著提高天气预报的准确性和时效性。尤其是在对强对流天气、台风等灾害性天气系统的监测和预报中，无人机风速风向仪所提供的关键风场信息，能为提前预警和制定防范措施提供有力支持，为保障人民生命财产**争取宝贵时间。对于航空领域而言，航空尤其无人机风速风向仪同样意义重大。飞行员借助对高空气流状况的了解，能够制定更**的飞行计划，有效避免遭遇危险的风切变等气象现象，保障飞行**。同时，这些数据也为机场的运行管理和航班调度提供了重要参考依据，有助于提升机场运营效率，确保航空运输的顺畅。在环境监测和气候研究方面，无人机风速风向仪也展现出强大的功能。它能够监测大气污染物在高空中的扩散情况，为环境保护工作提供关键数据支持，助力相关部门制定更有效的污染防控策略。此外，通过高空气象观测，科研人员可以深入研究气候变化对大气环流的影响，为应对全球气候变化提供科学依据，推动可持续发展目标的实现。

当前比较流行的三维风速测试系统是采用多孔压差空速管结合惯性卫星组合导航来准确可靠、测量风矢量。准确测量三维风矢量（包括风速和风向）方法在一系列科学、工业和航空航天应用中至关重要。这些包括气象学、空气动力学测试、风能评估和环境监测。为了实现高精度、实时和空间综合的风测量，多种传感器技术的集成变得越来越普遍。值得注意的是，将多孔探头（MHP）与惯性导航系统（INS）和全球导航卫星系统（GNSS）相结合，为捕获具有位置和方向精度的详细风矢量数据提供了一个强大的框架。我们将介绍ADS-9五孔压差空速管、ELLIPSE-D惯性导航系统和全球导航卫星系统协同用于测量风矢量。

ADS-9五孔压差空速管是一种小型流线型设备，其表面地布置有多个压力端口。当在流场时，每个端口都会测量局部静态或滞止压力，经过适当处理后，这些压力会显示出流动的方向和速度分量。ADS-9通过压力传感器获取每个端口的压力数据，并对其进行处理，以得出流动角度和速度幅度。校准至关重要——它涉及通过风洞测试或计算模型将压差映射到流动角度。一旦校准，该系统可以推断探头位置的瞬时风矢量分量。与传统的单点风速计相比，它的关键优势包括能够同时测量三维速度矢量。

ADS-9五孔压差空速管包括：

• 细长的空气动力学**，可*大限度地减少流动干扰。
• 几个压力孔对称布置在探头表面周围。
• 将每个端口连接到压力传感器的小直径气动管路。

     

   惯性导航系统由加速计和陀螺仪组成，在没有外部参考的情况下跟踪移动平台的方向、位置和速度。通过整合测量的加速度和角速度随时间的变化，惯性导航系统提供了传感器位置和姿态的连续实时数据。在航空三维风矢量测量设置中，惯性导航系统有几个用途：

• 姿态校正：它确定ADS-9五孔空速管的**方向，确保压力数据相对于流场正确定向。  
• 平台稳定性：当安装在飞机、无人机或地面车辆上时，惯性导航系统可确保正确对齐，并有助于补偿运动引起的误差。
• 轨迹跟踪：**的定位允许将风测量值与其特定的空间位置相关联，这对于绘制风场和天气建模至关重要。
• 由于传感器偏差、噪声和积分误差，惯性导航系统会随着时间的推移而漂移。因此，它们通常需要外部援助，这就把我们需要全球导航卫星GNSS集成上。

   全球导航卫星系统GNSS：包括GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、伽利略（欧盟）和北斗（Beidou, 中国）等系统。它们通过测量来自多颗卫星的信号，在全球范围内提供**的定位信息。ELLIPSE-D全球导航卫星GNS与惯性导航系统集成；当以紧密或松散耦合的方式与INS结合时，GNSS数据有助于：

• 通过提供**位置固定来纠正惯性导航系统漂移。
• 提供风测量的**空间参考。
• 启用运动检测和校正，特别是在平台运动复杂的情况下。

• 提供刚性和隔振安装。
• 确保ADS-9探头与平台的坐标轴正确对齐。
• 集成电源、数据采集和环保。
• 数据采集和处理关键步骤包括：
• 数据采集：同时采集来自ADS-9输出气压高度、空速、攻角和侧滑角数值和来自ELLIPSE-D输出的方向和加速度数据以及位置数据（来自GNSS）。
• 数据同步：确保传感器之间的一致测量，通常需要使用高分辨率时钟进行时间戳。
• 校准：ADS-9五孔压差空速管和ELLIPSE-D惯性导航系统和全球导航卫星系统的飞行前校准。
• 数据融合：应用卡尔曼滤波器或互补滤波器等先进算法，融合惯性导航系统和全球导航卫星系统数据，产生位置、速度和方向的**估计。这些参数用于：正确的压力测量方向；将风矢量映射到全局或局部坐标系上；补偿平台运动和方向误差。

ADS-9五孔压差空速管和ELLIPSE-D惯性导航系统和全球导航卫星系统测量程序和校准
初始校准：ADS-9在风洞和静态现场测试中进行，将压差与流动角度联系起来，并确定初始方向。
 现场校准：可能涉及根据已知风况或标准参考传感器进行校准。
飞行/操作阶段：ADS-9五孔压差空速管和ELLIPSE-D惯性导航系统和全球导航卫星系统系统持续收集压力、方向和位置数据。正确的数据记录和备份至关重要。
后处理：使用传感器融合算法处理数据，校正平台运动，并在所需的坐标系中导出风矢量分量。

三维流动特性：ADS-9可捕获详细的流动角度和速度，并通过平台方向数据进行细化。
在复杂和动态环境中的适用性：适用于航空测量、移动车辆或静态测量不足的湍流风场。
ADS-9五孔压差空速管和ELLIPSE-D惯性导航系统和全球导航卫星系统挑战
复杂系统集成：需要复杂的传感器融合算法和校准程序。
传感器漂移和误差：惯性导航系统随时间漂移，全球导航卫星系统多径或卫星信号阻塞会损害精度。
-环境因素：高振动、温度变化和电磁干扰会影响传感器性能。
成本和维护：此类三维风速测量系统需要大量投资和技术专长。

• 气象研究：用于风暴跟踪的高空气球或无人机风力测量。
• 风能评估：用于风力涡轮机选址和运行的**风力分析。
• 航空航天测试：飞行测试期间飞机或航天器周围的风矢量测量。
• 环境监测：绘制城市或复杂地形的风流图。

   垂直风是理解气溶胶-云相互作用（ACIS）的关键参数。在追踪大气中基于飞机的风测量的发展过程中，自20世纪60年代以来一直在追求三个发展方向：改进机载平台、惯性导航系统（INSS）和传感器。机载平台已经从大型飞机发展到超轻型无人机系统。综合惯性导航传感器系统(INSS)测量飞机（或无人驾驶飞机系统）的线性和旋转运动，并用于在地球坐标系中反演风矢量。综合导航传感器系统的一个重大改进是GPS（全球定位系统）数据与融合传感器的集成。大气中风矢量的总体精度已经大幅度提高，从1 m/s带风向标传感器到0.03 m/s带多孔压差测风空速管和先进的惯性导航系统。在过去的十年里，GPS、惯性导航系统INSS和传感器已经足够小型化(例如：ELLIPSE-D体积小、重量轻），可以安装在超轻型遥控飞机系统（RPAS）和无人机上，该三维矢量风速测量系统已经扩展了以前限于传统载人飞机的观测能力。 

  特别是多孔探针测风皮托管和惯性导航系统是固定翼和旋翼机获得垂直风的主要机制。多孔压差测风空速管、压力传感器和惯性导航系统的结合决定了大气风测量的精度。文献中报告了不同无人机平台垂直风测量w的以下精度；这些精度是通过不同的方法获得的，这些方法提供了1σ不确定度或与特定一对多孔探针皮托管-惯性导航系统INS相关的系统误差分析。

   五孔压差空速管（压差比）攻角传感器和侧滑角传感器的架构比较简单，主要包括用来测量各种压力的半球形或圆锥多孔探头、若干气动管路贯穿探头、连接部分和支撑部分传导压力，差压传感器将压力信号转换为电信号，通过公式，计算出风的矢量（方向和大小），即空中三维风速的测量。

五孔压差空速管压力矢量测风仪解决现有风杯风标传感器在雨雪冰冻天气条件下无法正常工作的难题，克服了机械旋转式风杯风标测风设备存在的问题；ADP-55加热型五孔压差空速管压力矢量测风仪|五孔皮托管测风仪解决了雨雪冰冻、沙尘等恶劣气候环境下准确测量环境风的难题；有效提高了环境自然风的观测质量；丰富了环境风观测方法，五孔空速管压力矢量测风仪提高了气象行业观测智能化水平。

高精度测量风矢量需要集成多种传感方式。使用多孔探头直接从局部气流中提供详细的气流角度和速度数据。当与惯性导航系统结合时，该系统可以获得**的方向和运动补偿，确保压力读数转化为相对于地球或特定坐标系的正确风矢量。GNSS通过提供**位置定位、减少导航漂移和实现风场的**空间测绘来补充INS。
ADS-9结合ELLIPSE-D在三维矢量风速测量的应用这些技术共同构成了一个强大的测量系统，能够在实时和可变环境中捕捉复杂的三维风模式。尽管存在测风系统复杂性、环境影响和成本方面的挑战，但多孔探头与惯性导航系统和全球导航卫星系统的联合应用仍然处于当代大气和气动测量技术的前沿，为天气预报、可再生能源、航空航天和环境科学的进步提供了动力。