模拟航空器穿越低空风切变区的方法技术

一种模拟航空器穿越低空风切变区的方法。其能在准确模拟航空器在穿越风切变区域状态变化的同时，还能很好地支持多种机型飞行仿真。其利用FlightGear平台进行标准飞行场景模拟，记录了此场景下飞行控制参数及飞行动力参数，并通过Fluent软件建立低空风切变场，获得风切变区域风速数据，进而综合形成FlightGear平台控制数据，模拟航空器穿越低空风切变区状态。本发明专利技术利用FlightGear标准飞行下飞行控制参数和风切变区域风速数据作为实验信息源，进行航空器穿越低空风切变区模拟实验，结果表明，本方法可应用到低空风切变下飞行训练及航空器无控操作下穿越风暴核的飞行参数分析，具有灵活性强、逼真度高优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模拟飞行
，特别是涉及模拟航空器穿越低空风切变区的方法。
技术介绍
风切变是指大气中距离较短的两点之间风速或风向的剧烈变化，会导致航空器航迹偏离，严重的则可能使航空器失去稳定。据统计，1950年至2000年间，共有39起由风切变引起的航空事故，造成400余人员伤亡。而低空风切变出现在600米以下空域，具有时间短、尺度小、强度大的特点，从而带来了探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列困难，是一个不易解决的航空气象难题。因此，结合飞行模拟器进行低空风切变下的地面飞行实验和数据分析对于研究应对方案具有重要意义。FlightGear是一款开源飞行模拟器。项目始于1997年，主要目标是为学术科研领域创造一个尖端的飞行模拟器框架，也可拓展到飞行训练，虚拟仿真，模拟飞行游戏等方面。其支持全球三维实景，20000多个跑道、400多种航空器、跨平台、多人联飞、多样的开放飞行数据模型等功能。FlightGear具有多款高精度的飞行动力学模型，并且具备强大的应用数据接口。同时，FlightGear独特的属性管理机制——“属性树”为风切变下的飞行模拟仿真数据分析提供了简单而完备的飞行数据获取渠道，增加了平台的灵活性和实用性。鉴于其开源性以及其灵活的数据接口，选择FlightGear作为仿真平台有助于对低空风切变研究的开展。国内外学者对低空风切变与飞行模拟器的融合方面进行了大量的研究。1983年夏天，联合机场天气研究(JointAirportWeatherStudies，简称JAWS)项目使用多普勒雷达观测记录了约70次微下击暴流事件，对其中的典型气流数据进行分析，并整理成特定形式用于飞行模拟器的研究；随后，MichaelIvan根据JAWS提供的数据提出了一种基于涡环方法建立的实时微下击暴流数学模型，为低空风切变下的飞行模拟提供了建模基础。国内方面，高振兴等建立了低空微下击暴流的三维模型，根据Boeing747-100B航空器建模数据搭建了高精度飞行动力学模型，并基于两者对大型航空器穿越低空微下击暴流和大气紊流的动力学响应问题展开研究；张冉使用Simulink建立了低空风切变下大型航空器全包线六自由度非线性模型并进行了实时仿真、反应式风切变探测算法研究与航空器穿越风切变进近的控制律设计。综上所述，多数研究均基于Simulink、Matlab等仿真平台展开，虽仿真精度高却局限于单一机型，若需探究多种机型的响应则需重新进行飞行动力学建模，工作繁琐耗时较长。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能够适用于多种机型的模拟航空器穿越低空风切变区的方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的模拟航空器穿越低空风切变区的方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)标准飞行条件下记录飞行控制参数及飞行动力参数的S1阶段；(2)低空风切变场建模，获得风切变区域风速数据的S2阶段；(3)根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行控制参数与步骤(2)得到的风切变区域风速数据，综合形成FlightGear平台控制数据的S3阶段；(4)根据步骤(3)得到的综合控制数据，控制FlightGear平台模拟航空器穿越低空风切变区的飞行动力参数的S4阶段；(5)根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行动力参数与步骤(4)得到的穿越风切变区域的飞行动力参数，形成飞行数据的实时比较的S5阶段。在步骤(1)中，所述的标准飞行条件下记录飞行控制参数及飞行动力参数的方法是基于FlightGear平台仿真标准飞行场景，利用该平台的JSBSim飞行动力学模型、3D视景系统以及完备的机型库，通过包括外接操纵杆、鼠标、键盘在内的外部输入设备操控航空器，以产生一组标准飞行下的飞行控制参数及飞行动力参数，并将这两种参数记录到csv格式的飞行日志文件中。在步骤(2)中，所述的低空风切变场建模，获得风切变区域风速数据的方法是根据微下击暴流风场数据的特征，利用Fluent软件搭建微下击暴流仿真物理模型，模型采用结构化网格划分，并利用速度入口边界条件设定流动入口边界的速度和标量，进而仿真出低空风切变区域的风速数据。在步骤(3)中，所述的根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行控制参数与步骤(2)得到的风切变区域风速数据，综合形成FlightGear平台控制数据的方法是搭建数据通信平台，将步骤(1)得到的标准飞行下飞行控制参数与步骤(2)得到的风切变区域风速数据综合成FlightGear平台控制数据，并以UDP数据格式向外发布。在步骤(4)中，所述的根据步骤(3)得到的综合控制数据，控制FlightGear平台模拟航空器穿越低空风切变区的飞行动力参数的方法是通过FlightGear预留的UDP数据接口接收步骤(3)综合成的FlightGear平台控制数据，使FlightGear平台仿真在原始标准飞行控制参数下航空器受低空风切变干扰影响的飞行场景，并生成对应的飞行动力参数。在步骤(5)中，所述的根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行动力参数与步骤(4)得到的穿越风切变区域的飞行动力参数，形成飞行数据的实时比较的方法是根据步骤(1)获得的标准飞行下飞行动力参数和步骤(4)获得的低空风切变条件下的飞行动力参数，利用FlightGear的脚本语言Nasal及Canvas生成飞行数据的实时比较的可视化输出，完成对低空风切变对飞行影响的分析。本专利技术提供的模拟航空器穿越低空风切变区的方法在准确地模拟航空器在穿越风切变区域的状态变化的同时，还能够很好地支持多种机型的飞行仿真。该方法利用FlightGear平台进行标准飞行场景模拟，记录了此场景下的飞行控制参数及飞行动力参数，并通过Fluent软件建立低空风切变场，获得了风切变区域风速数据，进而综合形成FlightGear平台控制数据，模拟航空器穿越低空风切变区的状态。本专利技术方法利用FlightGear标准飞行下飞行控制参数和风切变区域风速数据作为实验信息源，进行航空器穿越低空风切变区模拟实验，实验结果表明，所提出的模拟航空器穿越低空风切变区的方法可应用到低空风切变下的飞行训练及航空器无控操作下穿越风暴核的飞行参数分析，具有灵活性强、逼真度高的优点。附图说明图1是本专利技术提供的模拟航空器穿越低空风切变区的方法流程图；图2是微下击暴流仿真物理模型图；图3是流场速度矢量分布图：(a)v0＝30ft/s；(b)v0＝50ft/s；图4是数据通信平台运行界面图；图5是基于FlightGear的低空风切变飞行模拟平台工作原理示意图；图6是飞行数据实时对比监视界面图；图7是B777-200ER穿越风暴核飞行参数曲线图：(a)高度变化曲线；(b)俯仰角变化曲线；(c)空速变化曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实例例对本专利技术提供的模拟航空器穿越低空风切变区的方法进行详细说明。图1是本专利技术提供的模拟航空器穿越低空风切变区的方法流程图。如图1所示，本专利技术提供的模拟航空器穿越低空风切变区的方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)标准飞行条件下记录飞行控制参数及飞行动力参数的S1阶段：利用FlightGear平台的JSBSim飞行动力学模型、3D视景系统以及完备的机型库仿真标准飞行场景，通过外部输入设备(如外接操纵杆、鼠标、键盘等)操本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟航空器穿越低空风切变区的方法，其特征在于，所述的模拟航空器穿越低空风切变区的方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)标准飞行条件下记录飞行控制参数及飞行动力参数的S1阶段；(2)低空风切变场建模，获得风切变区域风速数据的S2阶段；(3)根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行控制参数与步骤(2)得到的风切变区域风速数据，综合形成FlightGear平台控制数据的S3阶段；(4)根据步骤(3)得到的综合控制数据，控制FlightGear平台模拟航空器穿越低空风切变区的飞行动力参数的S4阶段；(5)根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行动力参数与步骤(4)得到的穿越风切变区域的飞行动力参数，形成飞行数据的实时比较的S5阶段。

【技术特征摘要】
1.一种模拟航空器穿越低空风切变区的方法，其特征在于，所述的模拟航空器穿越低空风切变区的方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)标准飞行条件下记录飞行控制参数及飞行动力参数的S1阶段；(2)低空风切变场建模，获得风切变区域风速数据的S2阶段；(3)根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行控制参数与步骤(2)得到的风切变区域风速数据，综合形成FlightGear平台控制数据的S3阶段；(4)根据步骤(3)得到的综合控制数据，控制FlightGear平台模拟航空器穿越低空风切变区的飞行动力参数的S4阶段；(5)根据步骤(1)得到的标准飞行条件下的飞行动力参数与步骤(4)得到的穿越风切变区域的飞行动力参数，形成飞行数据的实时比较的S5阶段。2.根据权利要求1所述的模拟航空器穿越低空风切变区的方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的标准飞行条件下记录飞行控制参数及飞行动力参数的方法是基于FlightGear平台仿真标准飞行场景，利用该平台的JSBSim飞行动力学模型、3D视景系统以及完备的机型库，通过包括外接操纵杆、鼠标、键盘在内的外部输入设备操控航空器，以产生一组标准飞行下的飞行控制参数及飞行动力参数，并将这两种参数记录到csv格式的飞行日志文件中。3.根据权利要求1所述的模拟航空器穿越低空风切变区的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的低空风切变场建模，获得风切变区域风速数据的方法是根据微下击暴流风场数据的特征，利用Fluent软件搭建微下击暴流仿真物理模型，模型采用结构化网格划分，并利用速度入口边界条件设...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏志刚，陈琦，郝敬堂，张亚娟，马龙，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12