基于激光跟踪仪的民用飞机风标式攻角传感器零位误差测量数据分析

马明 李启明 丁玲

【摘 要】攻角传感器的准确性、可靠性直接关系到飞行安全。本文分析比较了两种数据分析方法对风标式攻角传感器零位误差测量的误差敏感性。线与线夹角方法比面与面夹角方法对随机测量误差的敏感性更小。在随机误差区间值相同时，线与线夹角方法能减小测量结果誤差22%。使用线与线夹角方法分析了民用飞机攻角传感器实际测量数据，得到攻角传感器零位误差。方法可行性得到验证。

【关键词】风标；攻角传感器；零位误差；激光跟踪仪

中图分类号： TP274 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）18-0024-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.010

【Abstract】The accuracy and reliability of angle-of-attack sensor are directly related to flight safety. In this paper， the error sensitivity of two data analysis methods measuring the zero error of wind-vane angle-of-attack sensor is compared. The angle-between-two-lines method is less sensitive to random measurement errors than the angle-between-two-faces method.When random error interval values are the same， the angle-between-two-lines method reduces measuring error by 22%.The actual measurement data of the angle-of-attack angle sensor of commercial airplane is analyzed by the superior method. The zero error is obtained. The feasibility of the method is verified.

【Key words】Wind vane；Angle-of-attack sensor；Zero error；Laser tracker

0 引言

攻角传感器是民用飞机大气数据传感器的重要组成部分[1]。攻角数据的准确性、可靠性直接关系到飞行安全[2]。风标式攻角传感器在民用飞机中得到广泛应用[3]。通常，风标式攻角传感器包括风标、转轴、角度变换器等部分。风标上下表面对称。当攻角为零时，风标上下表面受到相同大小空气动力，风标静止。此时风标位于零位。当攻角不为零时，风标上下表面产生压差，风标发生偏转。角度变换器将风标绕转轴转动的角度信号变换成电信号。电信号通过飞机大气数据系统计算分析后得到飞机攻角。

攻角传感器零位误差是指攻角传感器位于零位时，攻角信号指示的攻角。攻角传感器零位误差由攻角传感器安装误差、攻角传感器自身误差、大气数据传感器计算分析误差等叠加而成。

失速较准试飞科目要求对攻角传感器的零位误差进行检测。直接的测量方法是将攻角传感器置于零位后，测量攻角信号。然而，攻角传感器装机后，由于受到工装安装定位精度限制，在特定时间段内，攻角传感器的精确零位不容易确定。如果不将攻角传感器置于零位，难以直接测量其零位误差。一种可行的解决方案是使用激光跟踪仪建立全机坐标系，随后对攻角传感器风标进行测量，从而确定零位。

激光跟踪仪常用于飞机外形上待测点的高精度测量[4]。测量原理为：利用球坐标系下待测点距离原点的距离、水平角度、垂直角度来确定直角坐标系下待测点坐标。其中距离可利用激光干涉仪测得，水平角和垂直角由角度编码器得到[5]。

本文分析比较了两种数据分析方法对随机误差的敏感性。发现线与线夹角方法能减小数据分析过程中对随机误差的传播和放大。运用线与线夹角方法分析了民用飞机攻角传感器零位误差测量数据，证实方法可行。

1 测量原理

由于工程中直接将攻角传感器置于零位存在困难，利用角度变换器线性工作原理，通过测量不同实际偏转角度下攻角传感器的攻角信号角度，拟合攻角信号角度相对于实际偏转角度的变化曲线，得到攻角传感器实际偏转角度为零时，攻角信号角度，如图1所示。攻角传感器实际偏转角度通过激光跟踪仪测量风标下表面得到。

2 测量方法

2.1 激光跟踪仪建立全机坐标系

顶升、调平飞机。对飞机上基准点进行测量。利用基准点的相对位置关系，建立全机坐标系。此时基准点实测高度差与理论值误差在±0.5mm以内。由此确定飞机构造水平面。根据飞机后机身下零纵点及左右机翼基准点中点连线在构造水平面上投影确定X轴方向。高度由左右机翼基准点两点连线中点的理论高度确定。由此得到全机坐标系。

2.2 风标式攻角传感器测量

a）测量风标式攻角传感器底座上的四个定位点A1、A2、A3、A4。

b）利用工装将攻角传感器依次初步偏转-8°、0°、8°附近。测量风标下表面上五点D1、D2、D3、D4、D5如图2所示。

c）记录此时攻角信号角度。记录所使用激光跟踪仪球头半径rLT。

3 数据分析方法

3.1 理论外形特征提取

数据分析过程中需要使用攻角传感器理论外形特征，包括风标上、下表面交线到风标转轴距离lPaPb，以及风标上、下表面夹角αMbMc。风标上下表面是对称的。

3.2 面与面夹角方法

面与面夹角数据分析方法按照下列步骤，如图5所示。

a）连接攻角传感器水平方向上定位孔测量点P1、P2，得到线段L1。

b）连接攻角传感器垂直方向上定位孔测量点P3、P4，得到线段L2。

c）过L1作平行于L1、L2的平面M1，得到与攻角传感器底座平行的平面M1。

d）取L1中点P5，即转轴与平面M1交点。

e）在平面M1上，以P5为圆心，以lPaPb为半径作靠近后机身方向的半圆弧C1。

f）以攻角传感器叶片下表面实际测量的五点作平面M2。

g）平行于平面M2，在M2上方距离M2平面rLT（激光跟踪仪球头半径）作平面M3。

h）沿M1方向拉伸C1得到曲面S1。

i）M3与S1相交于L4。

j）以L3为转轴，向上偏转M3角度α，得到M4。

k）过P5作平面M1的垂线L3。

l）过L1、L3作平面M5。

m）测量M4与M5夹角，得到攻角传感器实际偏转角度。

3.3 线与线夹角方法

按照以下步骤确定实际偏转角度，如图6所示。

a）连接攻角传感器水平方向上定位孔测量点P1、P2，得到线段L1。

b）连接攻角传感器垂直方向上定位孔测量点P3、P4，得到线段L2。

c）过L1作平行于L1、L2的平面M1，得到与攻角传感器底座平行的平面M1。

d）取L1中点P5，即转轴与平面M1交点。

e）在平面M1上，以P5为圆心，以lPaPb为半径作靠近后机身方向的半圆弧C1。

f）以攻角传感器叶片下表面实际测量的五点作平面M2。

g）平行于平面M2，在M2上方距离M2平面rLT作平面M3。

h）平面M3与圆弧C1相交于P6点。

i）连接P5、P6点得到线段L3。

j）测量L1与L3 夹角，得到攻角传感器实际偏转角度。

4 误差敏感性分析

为了选取对随机测量误差敏感性小的数据分析方法，利用风标理论外形，对两种方法进行误差敏感性分析。风标位于理论零位时，在攻角传感器定位孔测量点以及下表面5点的理论值上增加不同区间大小的随机误差，比较两种方法的角度偏差，如表1所示。

两种方法对随机误差敏感性如图7所示。在同样随机误差区间下，线与线夹角方法比面与面夹角方法误差结果小22%。

5 运用实例

使用线与线夹角方法分析民用飞机攻角传感器实测数据。当实际偏转角度为零时，攻角信号角度偏差小于0.01°，满足工程使用要求。

6 结论

a）线与线夹角方法比面与面夹角方法对随机误差的敏感性更小。

b）在随机误差区间值相同时，线与线夹角方法能减小测量结果误差22%。

c）使用线与线夹角方法分析民用飞机攻角传感器实际测量数据，得到攻角传感器零位误差，验证方法可行。

需要指出的是，在数据分析过程中，测量误差会存在传播和放大。为了进一步减小测量误差对测量结果的影响，可拆卸式精确定位工装的设计具有工程实用价值。

【参考文献】

[1]陈功，李秋捷.民用飞机迎角传感器及静压探测器布局验证方法[J].民用飞机设计与研究，2016（2）：75-81.

[2]赵克良，周峰，张淼.民用飞机攻角传感器安装定位研究[J].空气动力学学.2015（33）：421-426.

[3]居后鴻，曾庆化，陆辰，万骏炜.攻角传感器的应用与分析[J].航空计算技术.2013（143）：118-121.

[4]王钲云.基于激光跟踪仪的飞机方向舵零位测量实践，科技视界[J]，2017（4）：311.

[5]喻世臣，康晓峰，翟南，李锋.基于激光跟踪仪、iGPS的飞机水平测量技术研究[J].数字化装配检测技术.2015（21）：119-121.