复杂气象条件下考虑结冰风险的无人机飞行策略

作     者：郭琪磊 桑为民 牛俊杰 袁烨 GUO Qilei;SANG Weimin;NIU Junjie;YUAN Ye

作者机构：西北工业大学航空学院西安710072 中国民用航空飞行学院工程技术训练中心广汉618307 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院上海201210 

基　　金：结冰与防除冰重点实验室开放课题(IADL20200101) 国家重大项目(GJXM92579) 国家科技专项 

出 版 物：《航空学报》 (Acta Aeronautica et Astronautica Sinica)

年 卷 期：2023年第44卷第1期

页      码：114-130页

摘      要：为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题,提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先,构建基于中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型,通过最佳参数化方案组合的结冰气象模拟获得模拟时段内海南乐东地区的温度、压力、液态水含量(LWC)空间分布及时序变化。其次,构建基于代理模型的水滴收集质量快速预测方法。在获取美国联邦航空条例(FAR)25部附录C中连续最大结冰条件下40个采样点处水滴收集质量分布的基础上,利用本征正交分解(POD)降阶模型和Kriging插值算法,建立温度、压力、LWC、平均有效水滴直径(MVD)等结冰气象参数与水滴收集质量之间的代理模型,可快速预测出目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化。最后,根据飞机结冰强度划分等级,以不同结冰强度下水滴收集质量阈值为结冰安全约束,利用基于粒子群优化(PSO)的结冰容限航迹规划方法进行考虑结冰风险的无人机飞行策略研究。研究结果表明:利用WRF模式可获得温度、压力、LWC等结冰气象参数,预测值与观测值匹配良好;基于POD降阶模型和Kriging插值算法,构建的气象参数与水滴收集质量间代理模型可快速准确地获取目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化;基于PSO的结冰容限航迹规划方法可在不同结冰安全约束条件下,规划出无人机最优航迹。

主 题 词：无人机 结冰气象 Weather Research and Forecasting(WRF) 代理模型 水滴收集质量 快速预测 航迹规划 粒子群优化 

学科分类：07[理学] 080103[080103] 070601[070601] 08[工学] 080104[080104] 082503[082503] 0706[理学-大气科学类] 0825[工学-环境科学与工程类] 0801[工学-力学类] 

核心收录：

D　O　I：10.7527/S1000-6893.2022.27518

馆 藏 号：203118028...