CN105137804A - 一种针对飞行姿态扰动的实验室模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对飞行姿态扰动的实验室模拟方法，其步骤如下：1)在飞行试验中利用高精度惯性与卫星组合导航系统实时采集记录真实机载环境下的姿态扰动原始数据；2)对原始数据进行后处理优化以提高测量精度；3)对后处理结果数据进行频域和幅度评估，选用频响幅度均满足模拟要求的六自由度运动平台；4)将后处理结果数据作为六自由度运动平台运动轨迹的位置量输入，进行实验室条件的姿态扰动模拟试验；5)利用高精度惯性与卫星组合导航系统采集获取姿态扰动模拟数据并进行频域和幅度分析，与后处理结果数据的幅频特性相对比确认模拟准确性。本发明的优点在于姿态模拟准确性高、机载条件复现性好、机型对象适应性好、操作实现简捷方便。

Description

一种针对飞行姿态扰动的实验室模拟方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器模拟技术，具体是针对飞行器在飞行过程中对其载荷造成的姿态干扰情况进行实验室精确模拟的技术。该技术可用于航空航天载荷对其飞行平台姿态扰动适应性的评估检测，且同样也适用于车载舰载应用。

背景技术

目前针对飞行器的空中姿态扰动的模拟方法主要有两种：

一种是对飞行姿态数据进行特征提取和数学建模，而后将所建立的数学模型作为飞行器姿态模拟系统的设计或运动控制输入，从而实现对载荷在飞行中所受到的姿态扰动情况的模拟。这种方法对飞行姿态扰动的模拟准确性很大程度上依赖于所建立的数学模型是否正确，而且实际飞行姿态扰动受到风力风向、发动机震动、海拔气压、载荷安装位置、飞行器系统结构等多方面复杂因素的影响，其数学模型需要根据具体情况具体评估测定。因此这种模拟方法存在实现过程复杂、模拟通用性差、模拟准确性难以保证的缺点。

第二种是对飞行器姿态扰动进行频域分解，利用多轴姿态模拟转台或六自由度运动平台根据其频域特性进行多个频点的单轴或多轴姿态摇摆联动，从而保证载荷对飞行平台姿态扰动各个频域的适应性。但是这种模拟方法只能分别证明载荷对飞机姿态干扰各个频谱分量的适应性，而实际飞行试验中姿态干扰多个频谱分量是混叠在一起同时发挥作用的，因此该模拟方法存在对飞行姿态干扰时域特性和幅值信息的实际状态模拟不充分的问题，而且无法对飞行试验中的特殊条件(例如空中拐弯、瞬态超重失重、空中平移振动等)进行情景复现诊断。

因此，本发明提出将高精度惯性与卫星组合导航系统得到的飞行姿态后处理结果数据作为具备足够幅度和频响模拟运动能力的六自由度运动平台姿态位置变化的控制输入，使六自由度运动平台按照真实的机载姿态变化特点进行模拟振动。这一方法避免了复杂的数学建模分析和专用飞行姿态模拟系统设计，仅利用通用的六自由度运动平台，就能够快速实现对不同机型、不同气象条件、不同载荷安装条件的飞行姿态干扰的精确模拟，而且在时域和频域上都具有与真实机载条件良好的一致性，对于飞行试验中的特殊条件(例如空中拐弯、瞬态超重失重、空中平移振动等)也可以进行良好的干扰情景复现和载荷适应性诊断。

发明内容

本发明旨在提出一种针对飞行姿态扰动的实验室模拟方法，以解决现有模拟方法存在的实现过程复杂、模拟通用性差、模拟准确性难以保证、难以复现机载干扰实际情况的缺点。本发明的技术方案如下：

1)在飞行试验中利用以陀螺仪和加速度计为姿态敏感器件的高精度惯性与卫星组合导航系统实时获取并记录真实机载环境下的姿态扰动原始数据，该数据主要包括横滚姿态角、俯仰姿态角、偏航姿态角以及飞行方向、翼展方向、垂直方向的位移颤振信息等；

2)利用组合导航系统厂家提供的集成后处理商业软件对姿态扰动原始数据进行优化以提高姿态数据的测量精度；

3)利用MATLAB软件对后处理优化得到的姿态扰动数据进行幅度评估和离散傅里叶变换获得飞行姿态的幅度变化范围和幅频响应曲线，选取能够实现该幅度变化和幅频响应特性的六自由度运动平台；

4)将飞行姿态的后处理结果数据作为六自由度运动平台姿态变化的位置量控制输入，使平台按照真实的机载姿态变化特点进行模拟振动；

5)将高精度惯性与卫星组合导航系统固定安装于六自由度运动平台上，采集获取姿态扰动模拟数据，并对其进行幅度评估和离散傅里叶变换获得幅度变化范围和幅频响应曲线，与姿态扰动原始数据进行对比，确认其时域和频域的模拟准确性。

本发明的优点在于姿态模拟准确性高、机载条件复现性好、机型对象适应性好、操作实现简捷方便。

附图说明

图1是本发明提出的实验室模拟方法流程图。

图2是平阴运5飞行试验中姿态角的角幅度曲线，其中横坐标为世界标准时间(UTC时间)，单位为秒，纵坐标为姿态角幅值，单位为°，上图为横滚姿态角幅度曲线，下图俯仰姿态角幅度曲线。

图3是平阴运5飞行试验中姿态角的角速度曲线，其中横坐标为UTC时间，单位为秒，纵坐标为姿态角速度，单位为°/s，上图为横滚姿态角速度曲线，下图俯仰姿态角速度曲线。

图4是平阴运5飞行试验中姿态角的角加速度曲线，其中横坐标为UTC时间，单位为秒，纵坐标为姿态角加速度，单位为°/s²，上图为横滚姿态角加速度曲线，下图俯仰姿态角加速度曲线。

图5是平阴运5飞行试验中姿态角的角幅度频谱曲线，其中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为姿态角幅度，单位为°，上图为横滚姿态角幅度频谱曲线，下图俯仰姿态角幅度频谱曲线。

图6是平阴运5飞行试验中姿态角的角速度频谱曲线，其中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为姿态角速度，单位为°/s，上图为横滚姿态角速度频谱曲线，下图俯仰姿态角速度频谱曲线。

图7是平阴运5飞行试验中姿态角的角加速度频谱曲线，其中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为姿态角加速度，单位为°/s²，上图为横滚姿态角加速度频谱曲线，下图俯仰姿态角加速度频谱曲线。

图8是在P-023六自由度运动平台上进行姿态扰动模拟试验的系统现场照片，图中运动平台已导入平阴运5的姿态扰动原始数据正在对另一款航空遥感相机进行载荷姿态干扰适应性试验。

图9是P-023六自由度运动平台的上位机软件监控界面，姿态扰动原始数据是利用该软件界面中的“外部输入”功能进行平台位置量控制指令导入。

图10是利用POSAV610高精度组合导航系统测得的将平阴运5飞行试验姿态扰动数据导入至P-023六自由运动平台后的姿态模拟效果曲线，其中横坐标为UTC时间，单位为秒，纵坐标为姿态角幅度，单位为°，上图为横滚姿态角幅度模拟效果曲线，下图俯仰姿态角幅度模拟效果曲线。

图11是利用POSAV610高精度组合导航系统测得的将平阴运5飞行试验姿态扰动数据导入至P-023六自由运动平台后的姿态角幅度模拟误差曲线，其中横坐标为UTC时间，单位为秒，纵坐标为姿态角幅度模拟误差，单位为°，上图为横滚姿态角幅度模拟误差曲线，下图俯仰姿态角幅度模拟误差曲线。

图12是利用POSAV610高精度组合导航系统测得的将平阴运5飞行试验姿态扰动数据导入至P-023六自由运动平台后的姿态角幅度模拟效果频谱曲线，其中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为姿态角幅度，单位为°，上图为横滚姿态角幅度模拟效果频谱曲线，下图俯仰姿态角幅度模拟效果频谱曲线。

具体实施方式

根据本发明提出的实验室模拟方法，以下将对山东省平阴县的一次航空遥感试验中在运5-B飞机上获得的数据实施处理，通过该案例对本发明的实施实例做进一步详细描述，但并不限于本实施实例，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

表1PPOIA61-A位置姿态测量精度指标

1)在运5-B飞机(编号B-8173)的飞行试验前将立得空间信息股份技术有限公司生产的PPOIA61-A高精度定位定向系统(POS)的惯性测量单元(IMU)固定安装在航空遥感设备的光学观测窗口上，POS系统的其他配置及操作流程遵照其操作规范执行；

2)在飞行试验中实时获取并记录运5-B飞机(编号B-8173)真实机载环境下的姿态扰动原始数据，数据采集频率为200Hz；

3)利用立得空间信息股份技术有限公司提供的定位定姿集成处理软件对姿态扰动原始数据进行后处理优化以提高测量精度。根据立得空间信息股份技术有限公司提供的技术参数信息，优化前后的定位定向精度如表1所示；

表2P-023六自由度运动平台主要技术指标

4)由于航空遥感摄影设备仅在测区内有效工作，因此对后处理得到的姿态扰动数据进行测区数据提取，利用MATLAB对测区数据进行姿态角、姿态角速度、姿态角加速度的幅度提取和离散傅里叶变换频域评估，姿态角、姿态角速度、姿态角加速度的变化幅度评估曲线结果分别如图2、图3、图4所示，其频域特性曲线分别如图5、图6、图7所示，对照表2确认上海赢浩机电有限公司生产的P-023六自由度运动平台的频响幅度特性均能够满足运动模拟特性要求；

需要注意的是，本实施案例中仅对飞机姿态角扰动进行模拟，对于航向变化和空中平移振动，由于对案例中的航空遥感设备的影响可以忽略不计，因此在本案例中并未对其进行提取评估，但其分析模拟方法与姿态角模拟一致，因此不再赘述。

5)利用P-023六自由度运动平台的“外部输入”功能将后处理得到的姿态扰动横滚和俯仰角测区数据导入作为平台运动的位置命令输入，使P-023六自由运动平台按照真实的测区姿态扰动进行多维运动，进行航空遥感载荷姿态干扰适应性试验，系统现场如图8所示，软件监控界面如图9所示。

6)为量化测得P-023六自由运动平台对飞行姿态的模拟逼近程度，将加拿大Applanix公司生产的POSAV610高精度组合导航系统固定安装于六自由运动平台上，使其三轴与六自由运动平台的运动轴对齐，记录运动平台处于零位静止时的姿态偏置值，测得姿态扰动数据导入至P-023六自由运动平台后的模拟效果曲线如图10所示，由于P-023六自由运动平台横滚与俯仰坐标轴方向均与PPOIA61-A位置姿态测量系统的坐标系规定相反，因此图10中姿态模拟效果曲线的数据正负值与图2中的姿态扰动原始数据值正好相反。因此按以下两式计算可获得姿态扰动的模拟误差：

RollError＝RollofPlatform+RollData–RollOffset(1)

PitchError＝PitchofPlatform+PitchData–PitchOffset(2)

其中，RollError和PitchError分别为横滚维和俯仰维姿态的模拟误差，RollofPlatform和PitchofPlatform分别为六自由度运动平台的姿态扰动模拟数据，RollData和PitchData分别为横滚维和俯仰维的姿态扰动原始数据，RollOffset和PitchOffset为六自由度运动平台运动零位所对应的姿态偏置，对于P-023六自由度运动平台而言其值分别为-0.143°和-0.232°。最终获得的模拟误差曲线如图11所示，从该曲线可以看出，P-023六自由运动平台的横滚姿态模拟误差范围为(-0.25°，0.1°)，俯仰姿态模拟误差范围为(-0.2°，0.2°)，相对于横滚和俯仰分别在(-5°，5°)和(-1°，6°)范围内变化的姿态幅值而言具有良好的模拟逼真度(横滚和俯仰误差幅值的峰峰值占比均小于6％)。而对六自由度运动平台的姿态扰动模拟数据进行离散傅里叶变换获得的姿态角频谱特性曲线如图12所示，对比图5所示的姿态角原始数据频谱特性曲线可以看出二者几乎完全一致，说明本发明提出的方法在时域和频域特性上均具有较高的模拟准确性，利用通用技术手段和硬件平台就可以快速方便地实现对姿态干扰特点的实验室精确模拟，十分适用于航空航天以及车载舰载载荷对其承载平台姿态扰动适应性的评估检测。

Claims (1)

1.一种针对飞行姿态扰动的实验室模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在飞行试验中利用以陀螺仪和加速度计为姿态敏感器件的高精度惯性与卫星组合导航系统实时获取并记录真实机载环境下的姿态扰动原始数据，该数据为:横滚姿态角、俯仰姿态角、偏航姿态角以及飞行方向、翼展方向和垂直方向的位移颤振信息；

2)利用组合导航系统厂家提供的集成后处理商业软件对姿态扰动原始数据进行优化以提高姿态数据的测量精度；

3)利用MATLAB软件对后处理优化得到的姿态扰动数据进行幅度评估和离散傅里叶变换获得飞行姿态的幅度变化范围和幅频响应曲线，选取能够实现该幅度变化和幅频响应特性的六自由度运动平台；

4)将飞行姿态的后处理结果数据作为六自由度运动平台姿态变化的位置量控制输入，使平台按照真实的机载姿态变化特点进行模拟振动；

5)将高精度惯性与卫星组合导航系统固定安装于六自由度运动平台上，采集获取姿态扰动模拟数据，并对其进行幅度评估和离散傅里叶变换获得幅度变化范围和幅频响应曲线，与姿态扰动原始数据进行对比，确认其时域和频域的模拟准确性。