数据误差对飞机气动参数评估的影响研究

　　摘要：飞机在设计过程中，为了获得飞机真实准确的气动参数，通过对飞机试飞数据进行参数评估获取精确气动参数是一种有效的手段。但由于试验测试仪器的因素，试飞数据的误差影响了参数评估的精度。文章通过对已知气动参数的飞机纵向动力学模型进行模拟飞行，分别记录了三组不同控制输入的参数评估所需的时间历程数据，然后分别在高度、速度、迎角、姿态角、角速度、法向过载、轴向过载和升降舵等测量参数的时间历程数据上人为叠加灵敏度、零偏和延时三种误差，利用最小二乘评估法对气动参数进行评估，研究各参数的三种误差对评估结果的影响。结论显示各参数的误差对结果影响量差异明显，延时误差的影响呈非线性。

　　关键词：气动力；参数辨识；数据测量；误差

　　引言

　　飞机在设计过程中，气动参数的获取手段主要有工程估算，CFD计算和风洞试验，但这些方法实际上均难以获得精确的数据。为了获得真实飞机的气动参数，以供飞机设计及为飞行模拟机的气动模型提供精确的数据，通过对飞机试飞数据进行参数评估获取精确气动参数是一种有效的手段。目前线性参数评估已经比较完善，文献[6]更是介绍了一种非线性参数评估方法。但由于试验测试仪器的因素，试飞数据的误差影响了参数评估的精度。

　　文章通过对某已知气动参数的飞机纵向动力学模型进行模拟飞行，记录参数评估所需的各参数时间历程数据，然后分别在各测量数据上人为叠加灵敏度、零偏和延时三种误差，并利用最小二乘法对气动参数进行评估，研究各参数的误差对评估精度的影响。

　　1 最小二乘估计

　　3 数据采集及计算

　　测量数据：高度H、速度VT，迎角？琢、俯仰角？兹、俯仰角速度q、Z轴过载nz、X轴过载nx、升降舵偏度？啄e。分别在2-3-1-1机动（M1）、倍脉冲机动（M2）和长周期模态激励机动3（M3）这三种机动下测量得到三组数据，采样率100Hz（参考自文献[3]）。飞机初始配平状态为：高度H=0m，速度VT=150节，定常平飞。

　　5.8 升降舵偏度误差影响

　　（1）升降舵偏度测量灵敏度误差影响。对CL0、CL？啄e、Cm0和Cm？啄e有明显影响。CL？啄e和Cm？啄e的绝对值随灵敏度的增大而减小。对其他参数几乎无影响。三种机动的评估结果稳定性无明显的优劣之分。（如图23）。

　　（2）升降舵偏度测量零偏误差影响。对CL0和Cm0有显著影响。CL0随零偏增大而减小，评估误差约为零偏误差与CL？琢乘积的负值。Cm0随零偏的减小而增大，评估误差约为零偏误差与Cm？琢乘积的负值。对其他参数几乎无影响。三种机动的评估结果稳定性无明显的优劣之分。（如图24）。

　　（3）升降舵偏度测量延时误差影响。对除CD0和A以外的所有参数均有明显影响，且呈非线性。三种机动的评估结果稳定性无明显的优劣之分。（如图25）。

　　6 结论

　　迎角？琢和升降舵偏角？啄e的零偏误差会显著影响CL0和Cm0的评估结果，而不会影响CL？琢和Cm？琢的评估结果。这是因为，CL？琢和Cm？琢的评估是基于机动过程中迎角和升降舵变化量？驻？琢和？驻？啄e的，所有不受零偏误差的影响。当迎角？琢和升降舵偏角？啄e存在零偏误差，为了保证CL和Cm不变，只能在CL0和Cm0中包含一个和迎角、升降舵偏度的零偏误差与CL？琢、Cm？琢乘积的负值。

　　各测量参数的延时误差对气动参数评估的影响通常很明显且呈非线性，且不同的机动动作的评估结果差别很大。这种特性表明，相对于灵敏度误差和零偏误差，延时误差对参数评估结果更具有不可预测性，因此气动参数评估所采用的数据应尽可能的减小延时误差。

　　机动M3的评估结果在大部分情况下比M1和M2更加不稳定，更易受数据误差的影响。因此在设计飞行试验机动动作时，无特殊情况时尽量选择类似M1和M2这样的机动动作。

　　7 展望

　　文章研究了飞机纵向各参数测量时的灵敏度、零偏和延时误差对气动参数评估的结果的影响，得出一些结论可为飞行试验测试设备选型和飞行试验机动动作的设计方面提供参考，以通过对测试数据进行参数评估获得较高准确度的气动参数。但由于文章只是研究了单个测量参数的单独影响，并未考虑各类参数测量误差的综合作用，也未考虑对数据进行相容性检查的影响，以及没有考虑飞行试验时非定常、弹性变形、大气扰动等影响。因此可能尚不具备多大的参考意义。将来需要进一步研究多种误差的综合影响，以及数据相容性检查、大气干扰等其他影响因素。另外也需要研究横航向的气动参数评估的数据误差影响。

　　参考文献

　　[1]S.J.W.Waelkens，Q.P.Chu，and J.A.Mulder，Aerodynamic Model Identification from Flight Data for the Eclipse 500 Very Light Jet，AIAA 2005-6261，August 2005.

　　[2]Fabrizio Nicolosi1，Agostino De Marco and Pierluigi Della Vecchia，Stability， Flying Qualities and Parameter Estimation of a Twin-Engine CS-23/FAR 23 Certified Light Aircraft，AIAA 2010-7947，August 2010.

　　[3]Kenneth Hui，Lorenzo Auriti，Joseph Ricciardi，Cessna Citation CJ1 Flight-Test Data Gathering and Level-C Simulator Model Development，ICAS 2008，2008.

　　[4]高浩，朱培申，高正红.高等飞行动力学[M].国防工业出版社，2004，7.

　　[5]蔡金狮.飞行器气动参数辨识进展[J].力学进展，1987，17（4）.

　　[6]A.A. Pashilkar， C. Kamali and J.R Raol，Direct estimation of nonlinear aerodynamic coefficients， AIAA 2007-6720，August 2007.

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