2. 风场基础
无人机在低空飞行时，感受到的风并不是气象站报告的那个“单一风速值”。真实风场是随高度、时间和空间不断变化的矢量场。要实现在线估计，必须先建立一套统一的物理描述：风从哪里来、在哪个高度、以什么时间尺度变化、用什么坐标系表达、单位如何约定。这一节为后续的传感器建模、观测方程和估计算法奠定共同语言。
一、大气边界层：风与地面的摩擦层
大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）是贴近地面、受地表摩擦和热力作用直接影响的最低层大气，厚度从几百米到一两公里不等。无人机作业高度通常处于近地层（表面层，约 10~100 m），这一层的核心特征是风切变：高度越高，风速越大，风向也随高度缓慢偏转。
工程上常用对数律或幂律描述平均风速随高度的变化：
对数律： U(z) = (u* / κ) · ln(z / z0)
幂律： U(z) = U(zr) · (z / zr)^α
u* ：摩擦速度（m/s）
κ ：冯·卡门常数，约 0.4
z0 ：地表粗糙度长度（m）
α ：风切变指数，海面约 0.1，城市约 0.3~0.4
zr ：参考高度（m）这意味着：如果无人机从 20 m 爬升到 60 m，即使气象站风速不变，机体感受到的风速也可能增加 30% 以上。忽略风切变，是低空风速估计最常见的系统性偏差来源。
二、平均风与湍流：两种时间尺度的叠加
风矢量可分解为平均风与湍流脉动两部分：
- 平均风：在统计时间窗（通常 10 min 或 1 min）内的均值，代表稳定、可预测的输送分量，是估计的主要目标。
- 湍流：叠加在均值上的高频随机脉动，时间尺度从零点几秒到几十秒，表现为阵风、抖动和瞬时风向摆动。
用数学表达即 u(t) = ū + u'(t)，其中 ū 为平均风，u' 为零均值脉动。湍流强度 TI = σu / ū 是衡量风场“粗糙程度”的关键参数：TI 越大，瞬时风速波动越剧烈，对估计器的噪声抑制要求越高。
三、风速风向定义与坐标系约定
风速是标量（m/s），风向是矢量方向。气象学中，风向定义为风的来向，以正北为 0°，顺时针增加：北风=0°，东风=90°，南风=180°，西风=270°。而无人机飞控中常使用风的去向或风速矢量分量，二者相差 180°，这是数据对接时最容易出错的地方。
为统一表达，工程中通常采用以下坐标系：
| 坐标系 | 轴向定义 | 典型用途 |
|---|---|---|
| NED（北-东-地） | x 北、y 东、z 向下 | 飞控导航、风矢量分量表达 |
| ENU（东-北-天） | x 东、y 北、z 向上 | 地图、视觉、部分估计器 |
| 机体坐标系 | x 前、y 右、z 下 | 空速、迎角、侧滑角测量 |
| 风轴系 | x 沿相对气流 | 气动力建模 |
风速矢量在 NED 下可写为 V_wind = [Vn, Ve, Vd]，水平风速 Vh = √(Vn² + Ve²)，风向 ψ = atan2(Ve, Vn)（注意这是去向，来向需加 180°）。
四、单位与符号约定清单
- 风速：m/s 为国际单位，工程中也用 km/h、kt（1 kt ≈ 0.514 m/s）。
- 风向：度（°），范围 0~360，正北为 0，顺时针为正。
- 高度：m（AGL 离地高度 / MSL 海拔），估计中必须明确参考面。
- 时间：s，平均风窗口常用 60 s 或 600 s。
- 角度正方向：绕 z 轴顺时针为正（NED 下）。
- 符号：
u为北向分量，v为东向分量，w为垂向分量。
五、典型场景与常见误区
场景：某多旋翼在 30 m 高度悬停，飞控记录到姿态持续小幅倾斜以抵抗侧风。若直接用地面气象站 10 m 高度的风速作为估计初值，会低估实际风速约 20%~40%，因为 30 m 处风切变更强。正确做法是先按幂律外推到作业高度，再作为估计器初值。
常见误区：
- 把气象风向（来向）直接当作风速矢量方向，导致 180° 反向。
- 忽略风切变，用单一高度风速代表全空域。
- 把湍流脉动当作测量噪声直接滤除，丢失阵风信息。
- 混用 ENU 与 NED，造成东/北分量互换。
- 高度参考面不统一（AGL 与 MSL 混用），使风廓线外推错误。
atan2 输出与预期一致。
六、本节知识结构图解
下图把大气边界层、平均风与湍流分解、风速风向定义、坐标系与单位约定整合为一张关系图，帮助建立从真实风场到工程变量的映射路径。
把这张图作为项目“风场字典”：左侧是物理来源，中间是时间尺度分解，右侧是工程表达。后续所有传感器标定、观测方程和滤波算法，都应能在这张图上找到对应的输入与输出位置。