CN104881559B - 微下冲气流工程化仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

提供一种微下冲气流工程化仿真建模方法，包括微下冲气流数学模型和飞机在微下冲气流中的影响计算模型两部分，同时考虑地效的影响和微下冲气流强度的影响；其中，微下冲气流数学模型主要为对微下冲气流的三维数学模拟，以大量数据的形式描述微下冲气流中气流速度与方向的变化情况，飞机在微下冲气流中的影响计算模型则根据飞机在微下冲气流中所处的位置，实时计算飞机当前所受到的气流影响，具有很高的实用价值。

Description

微下冲气流工程化仿真建模方法

技术领域

本发明属飞机飞行环境仿真及计算机应用技术领域，具体涉及一种微下冲气流工程化仿真建模方法。

背景技术

微下冲气流是对飞机飞行危害最大的一种风切变形式，特别是位于低空正在起降的飞机，它是一个以垂直风为主要特征的综合风切变区。现代飞机对于风切变的探测依靠机载前视风切变气象探测雷达实现，并需要有一定的预警能力。然而由于微下冲气流的随机性，它的产生难以预测和捕捉，实测较为困难，所以对于微下冲气流的研究大多通过仿真模拟来实现。在进行微下冲气流仿真时，大气扰动风场的建模是一个重要组成部分。目前，关于微下冲气流的风场建模主要采取二种模型：第一种模型是以实测风场数据形成的风场数据库建立的风场模型，这类模型只能反映当时的风场特征，不能反映微下冲气流的本质特征；第二种模型是基于流体力学和大气动力学原理建立数值模型，模拟风场发生的全过程，其形式是非线性微分方程，这种模型对系统要求较高，求解非常复杂，一般难以满足实时性。上述缺陷，不能反映微下冲气流的本质特征，无法满足风场实时计算的要求，因此必要提出改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种微下冲气流工程化仿真建模方法，能更准确反映出飞机起降过程中微下冲气流速度与方向的变化情况，能真实地反映出飞机所处风场的动力学特性。

本发明采用的技术方案：微下冲气流工程化仿真建模方法，包括微下冲气流数学模型和飞机在微下冲气流中的影响计算模型两部分，同时考虑地效的影响和微下冲气流强度的影响；其中，微下冲气流数学模型主要为对微下冲气流的三维数学模拟，以大量数据的形式描述微下冲气流中气流速度与方向的变化情况，飞机在微下冲气流中的影响计算模型则根据飞机在微下冲气流中所处的位置，实时计算飞机当前所受到的气流影响。

具体包括下述步骤：

步骤一，根据微下冲气流的强度设置值计算本次仿真微下冲气流的相关参数：

计算实际微下冲气流强度η_MBIT＝η_MBI×150％

其中，η_MBI为设置的微下冲气流强度，其取值范围为0～100，0表示最弱，即无微下冲气流，100表示最强；

步骤二，计算微下冲气流涡半径R_MBV，以及微下冲气流作用直径D_MB，单位：英尺，计算式如下：

D_MB＝R_MBV×2.0

步骤三，计算微下冲气流的顶端高度H_MBC，以及微下冲气流的涡流中心离地高度H_MBO，单位：英尺，计算式为：

H_MBO＝H_MBC×0.5667

步骤四，以跑道坐标系作为参考坐标系，计算飞机与微下冲气流的相对位置关系：

1)计算微下冲气流中心在跑道坐标系中的x、y轴坐标；

2)计算飞机相对微下冲气流中心距离在跑道坐标系中的x、y轴分量；

3)计算飞机相对于微下冲气流中心的水平距离，单位：英尺；

4)根据微下冲气流参数和飞机与微下冲气流中心的相对位置关系，进一步计算飞机所在位置的微下冲气流影响因子：

a)计算飞机所在位置微下冲气流距离因子，计算式为：

b)计算飞机所在位置微下冲气流高度因子，计算式为：

其中，h为飞机的无线电高度；

步骤五，计算飞机所在位置微下冲气流地效因子，根据飞机无线电高度插值获取，关系式为：

ε_MBGE＝f_MBGE(h)

步骤六，根据飞机所在位置的距离因子和高度因子，插值计算飞机所在位置微下冲气流的水平风分量W_MBHN和垂直风分量W_MBVN，单位：英尺每秒，关系式为：

上述步骤六中，

1)对微下冲气流的水平风分量和垂直风分量进行修正，计算式为：

W_MBHNC＝W_MBHN×ε_MBGE×η_MBIT

W_MBVNC＝W_MBVN×ε_MBGE×η_MBIT

2)计算微下冲气流在跑道坐标系中分量[V_XMB V_YMB V_ZMB]，单位：英尺每秒，计算式为：

V_XMB＝W_MBHNC·X_T/S_ACZT-W_MBVNC·sin(θ_ta)

V_YMB＝W_MBHNC·Y_T/S_ACZT

V_ZMB＝W_MBVNC·cos(θ_ta)

其中，

θ_ta为微下冲气流中心倾斜角，单位：弧度；

3)计算微下冲气流在地理坐标系下的风速[V_MBNS V_MBEW V_MBUD]，其中，V_MBNS表示北→南，V_MBEW表示东→西，V_MBUD表示上→下，单位：英尺每秒，计算式为：

V_MBNS＝-V_XMB cosψ_rw+V_YMB sinψ_rw

V_MBEW＝-V_YMBcosψ_rw-V_XMB sinψ_rw

V_MBUD＝V_ZMB

其中，

ψ_rw为跑道方位角。

本发明与现有技术相比事先建立好完整的微下冲气流数学模型，并预留了充分的外部接口，通过外部接口对模型进行相关参数设置和调用，具有简单易用，运算速度快的特性。

附图说明

图1为微下冲气流作用示意图；

图2为微下冲气流数据模型示意图；

具体实施方式

下面结合附图1、2描述本发明的一种实施例。

在微下冲气流仿真过程中，微下冲气流中心的位置、方位、强度以及微下冲气流中心轴倾斜角度等参数可以根据当前仿真需要进行调整设置。

首先，根据微下冲气流的强度设置值计算本次仿真微下冲气流的相关参数。

1.计算实际微下冲气流强度η_MBIT：

η_MBIT＝η_MBI×150％ (1)

其中，

-η_MBI为设置的微下冲气流强度，其取值范围为0～100，0表示最弱，即无微下冲气流，100表示最强；

2.计算微下冲气流涡半径R_MBV(单位：英尺)，以及微下冲气流作用直径D_MB(单位：英尺)，计算式如下：

D_MB＝R_MBV×2.0 (3)

3.计算微下冲气流的顶端高度H_MBC(单位：英尺)，以及微下冲气流的涡流中心离地高度H_MBO(单位：英尺)，计算式为：

H_MBO＝H_MBC×0.5667 (5)

微下冲气流的危害主要体现在飞机的着陆阶段，所以微下冲气流的位置通常被设置在跑道附近。因此，在计算飞机与微下冲气流的相对位置关系时使用跑道坐标系作为参考坐标系。

1)计算微下冲气流中心在跑道坐标系中的x、y轴坐标X_RM、Y_RM(单位英尺)：

其中，

-S_{mb_rw}为微下冲气流中心距跑道原点的距离，单位：英尺；

-ψ_{mb_rw}为微下冲气流中心方位角，单位：弧度；

2)计算飞机相对微下冲气流中心距离在跑道坐标系中的x、y轴分量X_T、Y_T(单位：英尺)，此处不考虑微下冲气流中心轴的倾斜角度，计算式为：

其中，

-X_rw、Y_rw为飞机在跑道坐标系中的x、y轴坐标，单位：英尺；

3)计算飞机相对于微下冲气流中心的水平距离(单位：英尺)，并增加限制条件距离不小于1英尺，计算式为：

4)根据以上计算的微下冲气流参数和飞机与微下冲气流中心的相对位置关系，进一步计算飞机所在位置的微下冲气流影响因子。再根据影响因子插值获取飞机所在位置的微下冲气流风速值。

a)计算飞机所在位置微下冲气流距离因子，计算式为：

b)计算飞机所在位置微下冲气流高度因子，计算式为：

其中，

-h为飞机的无线电高度，单位：英尺；

5、计算飞机所在位置微下冲气流地效因子，根据飞机无线电高度插值获取，关系式为：

ε_MBGE＝f_MBGE(h) (11)

6、根据飞机所在位置的距离因子和高度因子，插值计算飞机所在位置微下冲气流的水平风分量W_MBHN(单位英尺每秒)和垂直风分量W_MBVN(单位：英尺每秒)，关系式为：

1)对微下冲气流的水平风分量和垂直风分量进行修正，计算式为：

W_MBHNC＝W_MBHN×ε_MBGE×η_MBIT (14)

W_MBVNC＝W_MBVN×ε_MBGE×η_MBIT (15)

2)计算微下冲气流在跑道坐标系中分量[V_XMB V_YMB V_ZMB](单位：英尺每秒)，计算式为：

其中，

θ_ta为微下冲气流中心倾斜角，单位弧度；

3)计算微下冲气流在地理坐标系下的风速[V_MBNS V_MBEW V_MBUD]，其中，V_MBNS表示北→南，V_MBEW表示东→西，V_MBUD表示上→下，单位：英尺每秒，计算式为：

其中，

ψ_rw为跑道方位角，单位弧度；

由此便可以得到飞机当前所在位置的微下冲气流风速大小,进而可以实现飞机在遭遇微下冲气流时的飞行模拟。

7、表1为所仿真微下冲气流的计算数值，微下冲气流的风场特征根据图生成。H为飞机无线电高度值，X，Y为计算出的飞机相对微下冲气流中心距离在跑道坐标系中的x、y轴分量。可以观测到随着飞机起飞，所遭遇的微下冲的速度变化。

表1为计算出的微下冲气流特征。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (2)

1.微下冲气流工程化仿真建模方法，其特征在于：包括微下冲气流数学模型和飞机在微下冲气流中的影响计算模型两部分，同时考虑地效的影响和微下冲气流强度的影响；其中，微下冲气流数学模型为对微下冲气流的三维数学模拟，以大量数据的形式描述微下冲气流中气流速度与方向的变化情况，飞机在微下冲气流中的影响计算模型则根据飞机在微下冲气流中所处的位置，实时计算飞机当前所受到的气流影响；包括下述步骤：

步骤一，根据微下冲气流的强度设置值计算本次仿真微下冲气流的相关参数：

计算实际微下冲气流强度η_MBIT＝η_MBI×150％

其中，η_MBI为设置的微下冲气流强度，其取值范围为0～100，0表示最弱，即无微下冲气流，100表示最强；

步骤二，计算微下冲气流涡半径R_MBV，以及微下冲气流作用直径D_MB，单位：英尺，计算式如下：

D_MB＝R_MBV×2.0

步骤三，计算微下冲气流的顶端高度H_MBC，以及微下冲气流的涡流中心离地高度H_MBO，单位：英尺，计算式为：

H_MBO＝H_MBC×0.5667

步骤四，以跑道坐标系作为参考坐标系，计算飞机与微下冲气流的相对位置关系：

1)计算微下冲气流中心在跑道坐标系中的x、y轴坐标；

2)计算飞机相对微下冲气流中心距离在跑道坐标系中的x、y轴分量；

3)计算飞机相对于微下冲气流中心的水平距离，单位：英尺；

4)根据微下冲气流参数和飞机与微下冲气流中心的相对位置关系，进一步计算飞机所在位置的微下冲气流影响因子：

a)计算飞机所在位置微下冲气流距离因子，计算式为：

b)计算飞机所在位置微下冲气流高度因子，计算式为：

其中，h为飞机的无线电高度；

步骤五，计算飞机所在位置微下冲气流地效因子，根据飞机无线电高度插值获取，关系式为：

ε_MBGE＝f_MBGE(h)

步骤六，根据飞机所在位置的距离因子和高度因子，插值计算飞机所在位置微下冲气流的水平风分量W_MBHN和垂直风分量W_MBVN，单位：英尺每秒，关系式为：

2.根据权利要求1所述的微下冲气流工程化仿真建模方法，其特征在于：上述步骤六中，

1)对微下冲气流的水平风分量和垂直风分量进行修正，计算式为：

W_MBHNC＝W_MBHN×ε_MBGE×η_MBIT

W_MBVNC＝W_MBVN×ε_MBGE×η_MBIT

2)计算微下冲气流在跑道坐标系中分量[V_XMB V_YMB V_ZMB]，单位：英尺每秒，计算式为：

V_XMB＝W_MBHNC·X_T/S_ACZT-W_MBVNC·sin(θ_ta)

V_YMB＝W_MBHNC·Y_T/S_ACZT

V_ZMB＝W_MBVNC·cos(θ_ta)

其中，

θ_ta为微下冲气流中心倾斜角，单位：弧度；

3)计算微下冲气流在地理坐标系下的风速[V_MBNS V_MBEW V_MBUD]，其中，V_MBNS表示北→南，V_MBEW表示东→西，V_MBUD表示上→下，单位：英尺每秒，计算式为：

V_MBNS＝-V_XMBcosψ_rw+V_YMBsinψ_rw

V_MBEW＝-V_YMBcosψ_rw-V_XMBsinψ_rw

V_MBUD＝V_ZMB

其中，

ψ_rw为跑道方位角。