一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，属于高机动目标跟踪领域。本发明专利技术建立了简化的三自由度六状态机动运动数学模型，推导了气动力学对仿真飞行控制参数的约束条件。该模型可以通过设置三自由度飞行控制参数时间序列仿真生成任意的三维飞行轨迹，并通过仿真试验验证了该方法的有效性。本发明专利技术可为机动目标跟踪算法研究人员提供了一种简易可行的测试数据生成方法。本发明专利技术建立了简化的三自由度六状态机动运动数学模型，推导了气动力学约束条件，并通过仿真验证了其有效性。效性。效性。

【技术实现步骤摘要】
一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法


[0001]本专利技术属于高机动目标跟踪领域，具体涉及一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法。

技术介绍

[0002]高机动目标稳定精确跟踪是信息融合领域一个十分困难的问题,也是研究的热点。不论某跟踪算法在理论上有多坚实的基础，都需要通过实际数据对其进行检验。然而对于广大算法研究人员来说，实际数据往往是很难获得的，因此相对逼真的能够反应机动目标运动特性的仿真测试数据必不可少。然而这些仿真数据要么需要依托昂贵的仿真系统生成，要么需要精通气动力学相关知识，建立十分复杂的气动力学仿真模型。如文献“黄智勇,姜昱明.超机动飞机的数学建模与运动仿真[J].微电子学与计算机,2007,24(11):53
‑
56”采用的通用六自由度十二状态的飞机机动运动模型，可以以此为基础仿真较为逼真的飞机机动轨迹。然而由于其中涉及飞机姿态参数，大量工程化参数设置，控制参数与控制策略，使仿真生成一条飞机机动轨迹十分复杂，该模型适用于飞机气动力学设计领域的仿真，而对于研究机动目标跟踪领域，使用并不方便甚至不可行。
[0003]因此，现实中，对广大的机动目标跟踪算法研究者而言，只能基于简单的低自由度仿真模型进行测试，而这些模型的力学特性很弱，限制了该领域的蓬勃发展。有必要研究一种简单易用的，具有高自由度设置的，能够反映目标机动运动特点的中等精度仿真方法，从而使算法研究人员有更易得好用的测试工具。基于此目的，本文在文献[4]“任泽玉.先进歼击机超机动飞行运动建模与控制研究[D].南京航空航天大学,2013.”的模型的基础上进行变换与简化研究，保留机动运动的主要特征，建立了简化的三自由度六状态机动运动数学模型，推导了气动力学约束条件，并通过仿真验证了其有效性。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，以解决高机动目标稳定精确跟踪的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，该方法包括
[0008]S1、机动运动建模：建立了三自由度六状态机动运动数学模型
[0009]飞机速度矢量v为自由矢量，χ为速度的方向角，γ为速度的俯仰角，则飞机直角坐标为式(1)，为速度在直角坐标系下的三个分量；
[0010][0011]对式(1)求导得到加速度的表达式：
[0012][0013]结合式(1)和式(2)推导得
[0014][0015]又知
[0016][0017]为速度方向的加速度，a
T
为发动机推力和空气阻力的合加速度；分别为速度矢水平转弯角速度，垂直转弯角速度；
[0018]结合式(3)和式(4)，将机动运动模型写为微分方程组形式：
[0019][0020]公式(13)是一个三自由度六状态的微分方程组，即为三自由度六状态机动运动数学模型，简记为式(14)
[0021][0022]其中为描述飞机运动的位置速度六个状态，为推力阻力合加速度、水平转弯角速度、垂直转弯角速度随时间的变化函数；
[0023]S2、机动过载约束条件建模：推导气动力学对仿真飞行控制参数的约束条件
[0024]和的约束条件为
[0025][0026]其中，v
min
为飞机最小飞行速度，g为重力加速度，为升力产生加速度阈值；
[0027]S3、机动轨迹仿真方法：通过设置三自由度飞行控制参数时间序列仿真生成任意的三维飞行轨迹
[0028]针对公式(13)、(14)，通过设置飞机初始时刻的位置速度运动状态参数X(t0)和后续时间的机动运动控制参数Θ(t)，递推得到仿真飞行轨迹；在递推过程中，当飞行状态不满足式(12)的约束时，即表示此时Θ(t)的机动要求是飞机达不到的，需要减小水平或垂直转弯角速度。
[0029](三)有益效果
[0030]本专利技术提出一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，本专利技术建立了简化的三自由度六状态机动运动数学模型，推导了气动力学对仿真飞行控制参数的约束条件。该模型可以通过设置三自由度飞行控制参数时间序列仿真生成任意的三维飞行轨迹，并通过仿真试验验证了该方法的有效性。本专利技术可为机动目标跟踪算法研究人员提供了一种简易可行的测试数据生成方法。本专利技术建立了简化的三自由度六状态机动运动数学模型，推导了气动力学约束条件，并通过仿真验证了其有效性。
附图说明
[0031]图1为本体坐标系下机动飞行原理示意图；
[0032]图2为测站坐标系；
[0033]图3为机体基本升力系数；
[0034]图4为飞机机动受力分析图；
[0035]图5为机动控制参数；
[0036]图6为机动过载与控制情况；
[0037]图7为三维轨迹；
[0038]图8为二维轨迹；
[0039]图9为高度随时间变化图；
[0040]图10为速度随时间变化图。
具体实施方式
[0041]为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0042]本专利技术建立了简化的三自由度六状态机动运动数学模型，推导了气动力学对仿真飞行控制参数的约束条件。该模型可以通过设置三自由度飞行控制参数时间序列仿真生成任意的三维飞行轨迹，并通过仿真试验验证了该方法的有效性。本专利技术可为机动目标跟踪算法研究人员提供了一种简易可行的测试数据生成方法。
[0043]对于气动飞机，其受到的力包括发动机推力、重力、空气阻力、空气升力。如图1左上所示，在不考虑推力矢量发动机的前提下，发动机推力F
E
和速度方向相同，空气阻力F
D
和
速度方向相反，空气升力为垂直于速度方向的力，依据与速度的夹角，重力既可能是动力也可能是阻力。
[0044]飞机在这四个力的作用下进行机动飞行，我们可将机动飞行分为能量机动和方向机动两种。能量机动通过改变飞机发动机推力大小、控制重力势能和动能的转化来改变速度大小；方向机动通过控制飞机升力面形态来控制升力，从而改变飞机的速度方向。对于方向机动，可用图1右下图描述。将方向机动分解为飞机本体坐标系下绕三个相互垂直轴旋的转动，绕Z轴的转向通过飞机方向舵控制，力学原理是通过控制垂直尾翼两侧升力差使飞机在水平面内转弯；绕Y轴的转动称为迎角机动，通过提拉或推操纵杆实现，力学原理是通过控制飞机机翼上下表面升力差使飞机拉高或俯冲；绕X轴的转动为飞机沿机体的滚动，通过左右摆动操纵杆实现，力学原理是通过使两侧机翼产生方向相反的升力实现。
[0045]本专利技术的机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，包括如下步骤：
[0046]S1、机动运动建模：建立了三自由度六状态机动运动数学模型
[0047]飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，其特征在于，该方法包括S1、机动运动建模：建立了三自由度六状态机动运动数学模型飞机速度矢量v为自由矢量，χ为速度的方向角，γ为速度的俯仰角，则飞机直角坐标为式(1)，为速度在直角坐标系下的三个分量；对式(1)求导得到加速度的表达式：结合式(1)和式(2)推导得又知又知为速度方向的加速度，a
T
为发动机推力和空气阻力的合加速度；分别为速度矢水平转弯角速度，垂直转弯角速度；结合式(3)和式(4)，将机动运动模型写为微分方程组形式：公式(13)是一个三自由度六状态的微分方程组，即为三自由度六状态机动运动数学模型，简记为式(14)
其中为描述飞机运动的位置速度六个状态，为推力阻力合加速度、水平转弯角速度、垂直转弯角速度随时间的变化函数；S2、机动过载约束条件建模：推导气动力学对仿真飞行控制参数的约束条件和的约束条件为其中，v
min
为飞机最小飞行速度，g为重力加速度，为升力产生加速度阈值；S3、机动轨迹仿真方法：通过设置三自由度飞行控制参数时间序列仿真生成任意的三维飞行轨迹针对公式(13)、(14)，通过设置飞机初始时刻的位置速度运动状态参数X(t0)和后续时间的机动运动控制参数Θ(t)，递推得到仿真飞行轨迹；在递推过程中，当飞行状态不满足式(12)的约束时，即表示此时Θ(t)的机动要求是飞机达不到的，需要减小水平或垂直转弯角速度。2.如权利要求1所述的机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，其特征在于，对于气动飞机，其受到的力包括发动机推力、重力、空气阻力、空气升力，在不考虑推力矢量发动机的前提下，发动机推力F
E
和速度方向相同，空气阻力F
D
和速度方向相反，空气升力为垂直于速度方向的力，依据与速度的夹角，重力既可能是动力也可能是阻力。3.如权利要求2所述的机动飞行的高自由度简化建模与轨迹仿真方法，其特征在于，机动飞行分为能量机动和方向机动两种；能量机动通过改变飞机发动机推力大小、控制重力势能和动能的转化来改变速度大小；方向机动通过控制飞机升力面形态来控制升力，从而改变飞机的速度方向；对于方向机动，将方向机动分解为飞机本体坐标系下绕三个相互垂直轴旋的转动，绕Z轴的转向通过飞机方向舵控制，力学原理是通过控制垂直尾翼两侧升力差使飞机在水平面内转弯；绕Y轴的转动称为迎角机动，通过提拉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冰，张新刚，齐崇英，王艺，王志佳，
申请(专利权)人：中国人民解放军九三二零九部队，
类型：发明
国别省市：