無人機(jī)氣象探測技術(shù)

前言

無人機(jī)氣象探測技術(shù)是在無人機(jī)技術(shù)和氣象探測技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型大氣探測技術(shù)。無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)主要由氣象無人機(jī)（無人機(jī)平臺和氣象測量有效載荷）與相應(yīng)的地面設(shè)備組成。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、通信、信息、材料等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)氣象測量傳感器、超輕型遠(yuǎn)程無人機(jī)制造、智能飛行控制及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)也得到長足的進(jìn)步，從而有力地促進(jìn)了無人機(jī)氣象探測技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用。氣象無人機(jī)具有使用機(jī)動靈活、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)和大區(qū)域、長時間、連續(xù)氣象探測的能力，既可用于民用領(lǐng)域特殊區(qū)域長期氣象監(jiān)測、龍卷風(fēng)等危險(xiǎn)環(huán)境近距探測，亦能適用于軍事領(lǐng)域氣象偵察，特別是在航天器發(fā)射與返回、重要武器試驗(yàn)、戰(zhàn)場氣象測量等應(yīng)用中具有獨(dú)特的作用和優(yōu)勢。本書旨在針對國內(nèi)外典型的氣象無人機(jī)產(chǎn)品，進(jìn)行深入分析和系統(tǒng)總結(jié)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)突破的角度，將理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，深入淺出地為相關(guān)研究和使用人員提供基本的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)解決途徑。本書是在作者多年無人機(jī)氣象探測技術(shù)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上形成的，其中還包括了一些首次公布的關(guān)鍵技術(shù)研究成果。本書共分6章。第1章概述了無人機(jī)及無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)的概念、技術(shù)性能、分類及組成，介紹了目前國內(nèi)外典型的無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)。第2章給出無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概要，包括系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原則與確定、平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇、導(dǎo)航控制、有效載荷、數(shù)據(jù)鏈路與地面站等總體設(shè)計(jì)方法。第3章研究了氣象無人機(jī)飛行控制關(guān)鍵技術(shù)，介紹了無人機(jī)動力學(xué)建?；痉匠?、先進(jìn)的增益預(yù)置控制和非線性動態(tài)逆控制方法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制與設(shè)計(jì)以及半實(shí)物仿真案例。第4章介紹了氣象無人機(jī)溫濕壓測量關(guān)鍵技術(shù)，討論了無人機(jī)上溫濕壓測量技術(shù)要求、測量方法、組合測量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)誤差及其處理等。第5章介紹了無人機(jī)測風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)，闡述了無人機(jī)測風(fēng)工程方法與解算建模、對測風(fēng)誤差的影響分析與校正、測量數(shù)據(jù)的自適應(yīng)濾波與粒子濾波處理方法等。第6章從工程應(yīng)用角度介紹了無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)的地面測試方案與檢驗(yàn)方法、飛行試驗(yàn)的組織與數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證方法以及當(dāng)前典型的無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

內(nèi)容概要

　　隨著氣象測量傳感器、無人機(jī)制造、飛行控制及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)氣象探測技術(shù)得到長足的發(fā)展，逐漸成熟并走向應(yīng)用。這種大區(qū)域、長時間、連續(xù)氣象探測方法在航天器發(fā)射與返回、重要武器試驗(yàn)、戰(zhàn)場氣象測量、惡劣天氣監(jiān)測、龍卷風(fēng)近距環(huán)境探測監(jiān)視等應(yīng)用中具有獨(dú)特的作用和優(yōu)勢?！稛o人機(jī)氣象探測技術(shù)》是作者在多年無人機(jī)氣象探測技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析總結(jié)，編寫而成的。全書共分6章，深入討論了無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。全書內(nèi)容涵蓋了無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無人機(jī)飛行控制技術(shù)、無人機(jī)溫濕壓測量技術(shù)、無人機(jī)測風(fēng)技術(shù)及無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)試驗(yàn)與應(yīng)用等?！　　稛o人機(jī)氣象探測技術(shù)》適用于從事氣象測量無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的技術(shù)人員、氣象測量工程的管理人員研究和參考，也可作為高等院校氣象測量領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)研究生、高年級學(xué)生或任職教育學(xué)員的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章 概述 11.1 無人機(jī)及無人機(jī)系統(tǒng) 11.1.1 分類 21.1.2 無人機(jī)系統(tǒng)的性能 41.1.3 無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 61.2 無人機(jī)氣象探測系統(tǒng) 81.2.1 組成 81.2.2 世界主要?dú)庀鬅o人機(jī) 9參考文獻(xiàn) 12第2章 無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 142.1 設(shè)計(jì)要求與總體方案 152.1.1 無人機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)原則 152.1.2 無人機(jī)系統(tǒng)總體技術(shù)方案的確定 152.2 無人機(jī)平臺 172.2.1 平臺總體設(shè)計(jì) 182.2.2 結(jié)構(gòu) 182.2.3 動力 202.2.4 導(dǎo)航控制 222.2.5 供電 282.3 有效載荷 292.3.1 溫濕壓測量系統(tǒng) 302.3.2 風(fēng)參數(shù)測量 312.3.3 數(shù)據(jù)采集輸出 342.4 數(shù)據(jù)鏈路 352.4.1 組成與功能要求 352.4.2 數(shù)據(jù)鏈路分類 362.4.3 數(shù)據(jù)鏈路選擇與設(shè)計(jì) 362.5 地面站 372.5.1 結(jié)構(gòu)組成 382.5.2 飛行線路規(guī)劃與無人機(jī)狀態(tài)顯示 392.5.3 有效載荷數(shù)據(jù)解算與處理 40參考文獻(xiàn) 51第3章 飛行控制技術(shù) 523.1 飛行控制基礎(chǔ)建模 523.1.1 坐標(biāo)系及其之間的轉(zhuǎn)換 523.1.2 動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)方程 553.1.3 某小型無人機(jī)的參數(shù)設(shè)定 583.2 增益預(yù)置控制 593.2.1 控制原理與特點(diǎn) 593.2.2 控制器的設(shè)計(jì) 603.2.3 案例仿真與分析 633.3 非線性動態(tài)逆控制 703.3.1 控制原理與特點(diǎn) 703.3.2 控制方法的分類與比較 723.3.3 逆控制器的設(shè)計(jì) 733.3.4 案例仿真與分析 793.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)逆控制 813.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介 823.4.2 控制器的設(shè)計(jì) 843.4.3 在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造 853.4.4 控制器閉環(huán)穩(wěn)定性證明 873.4.5 案例仿真與分析 903.5 半實(shí)物飛行仿真系統(tǒng) 933.5.1 半實(shí)物飛行仿真的概念與特點(diǎn) 933.5.2 無人機(jī)半實(shí)物飛行仿真系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 943.5.3 AP50半實(shí)物飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 953.5.4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 100參考文獻(xiàn) 112第4章 溫濕壓測量技術(shù) 1144.1 溫濕壓測量要求 1144.2 溫濕壓測量方法 1154.2.1 溫度測量 1154.2.2 相對濕度測量 1164.2.3 氣壓測量 1184.3 溫濕壓組合測量技術(shù) 1194.3.1 溫濕壓組合傳感器 1194.3.2 溫濕壓組件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1224.3.3 溫濕壓組件測量數(shù)據(jù)處理與比對 1224.4 溫濕壓測量誤差 1264.4.1 溫度測量誤差 1264.4.2 相對濕度測量誤差 1264.4.3 氣壓測量誤差 127參考文獻(xiàn) 127第5章 測風(fēng)技術(shù) 1285.1 無人機(jī)測風(fēng)方法 1285.1.1 解析測風(fēng)法 1285.1.2 水平空速歸零法 1295.1.3 機(jī)動飛行法 1295.2 水平飛行測風(fēng)法 1295.2.1 解算模型 1295.2.2 誤差源分析 1325.2.3 誤差影響仿真分析 1355.2.4 誤差校正 1455.3 風(fēng)場數(shù)據(jù)處理方法 1555.3.1 自適應(yīng)濾波算法 1565.3.2 粒子濾波算法 160參考文獻(xiàn) 174第6章 系統(tǒng)試驗(yàn)及應(yīng)用 1776.1 系統(tǒng)靜態(tài)測試 1776.1.1 測試內(nèi)容 1776.1.2 氣溫誤差測試 1776.1.3 濕度誤差測試 1786.1.4 氣壓誤差測試 1796.1.5 風(fēng)速誤差測試 1806.2 系統(tǒng)飛行試驗(yàn) 1816.2.1 系統(tǒng)飛行試驗(yàn)內(nèi)容 1816.2.2 氣象探測對比試驗(yàn) 1816.2.3 TF-1飛行試驗(yàn) 1826.3 氣象無人機(jī)應(yīng)用 1876.3.1 氣象無人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用 1876.3.2 氣象無人機(jī)軍事應(yīng)用 188參考文獻(xiàn) 189

章節(jié)摘錄

插圖：2）作戰(zhàn)支持機(jī)載設(shè)備的多用途性和系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使無人機(jī)在作戰(zhàn)支持方面的應(yīng)用前景不斷擴(kuò)大。（1）目標(biāo)指示：有效載荷中的激光發(fā)光器使無人機(jī)具有指定固定或活動目標(biāo)的能力，以便通過作戰(zhàn)飛機(jī)或武裝直升機(jī)給予致命打擊（使用激光制導(dǎo)武器）。（2）通信中繼：無人機(jī)飛行高度的變化可以使它跨越地形對微波的影響，從而使它能有效地克服地球同步通信衛(wèi)星波段流量和頻帶的不足。（3）特種作戰(zhàn)支援：小型或微型的無人機(jī)能隨身攜帶，使用具有隱蔽性，靈活方便，別動隊(duì)在敵占區(qū)高低不平的地形或都市地帶進(jìn)行干預(yù)活動中，它無疑是一種晝夜“千里眼”。（4）干擾：無人機(jī)對各種通信、防空雷達(dá)信號、地空系統(tǒng)和GPS定位可實(shí)施干擾，擾亂敵軍，另外提供磁電保護(hù)免受飛機(jī)或?qū)椀目罩写驌?。?）部署支持：軍事力量部署區(qū)域環(huán)境的評估，尤其對付NRBC（原子、放射線、細(xì)菌和化學(xué)武器）的威脅，無人機(jī)都能起到很大作用。（6）運(yùn)輸：無人機(jī)可以在戰(zhàn)場上運(yùn)送和投放各種物資（給養(yǎng)、器材、輕型車輛），給孤立的部隊(duì)或前線部署提供運(yùn)輸支持。3）參與作戰(zhàn)美國和歐洲各國軍方考慮把高性能無人戰(zhàn)斗機(jī)同飛機(jī)配合成為一個真正的合成系統(tǒng)，對各種使用理念，如對固定或活動目標(biāo)的打擊、摧毀敵人地對空武器等進(jìn)行了研究。今天，使用無人機(jī)進(jìn)行空戰(zhàn)的理念對未來作戰(zhàn)模式的影響更為突出，可將無人機(jī)在作戰(zhàn)飛機(jī)或飛行控制系統(tǒng)控制下作為先進(jìn)的識別手段使用，也可以考慮由無人機(jī)上攜帶機(jī)載空空導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊。

編輯推薦

《無人機(jī)氣象探測技術(shù)》由清華大學(xué)出版社出版。

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