CN110110493A - 一种舰载机着舰轨迹仿真方法及系统 - Google Patents

一种舰载机着舰轨迹仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种舰载机着舰轨迹仿真方法及系统。本发明能准确地预测舰载机在着舰过程中飞行参数和飞行轨迹，评估舰尾流扰动对舰载机的影响，保障飞机安全。本发明通过开源CFD平台计算舰尾流瞬态风场数据，根据飞机重心位置输出风速信息，将风速信息传递给飞行仿真平台，通过飞行仿真平台求解出下一个时间帧的飞机位置，再将飞机位置传递给开源CFD平台，最终求解出整个着舰过程中的飞行轨迹。本发明应用于保障着舰安全，具有灵活性强、响应速度快，准确度高的优点。

Description

一种舰载机着舰轨迹仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及计算流体动力学领域(CFD)，特别涉及一种舰载机着舰轨迹仿真方法及系统。
背景技术
舰载机作为航母的主要攻击力量，其关键技术是如何保障在十分恶劣的环境下安全降落，如果不能解决安全准确着舰问题，航母的便失去了应有的战斗力，其中航母尾流的干扰是影响舰载机成功着舰的主要因素之一，水平干扰影响飞机空速和俯仰运动，竖直扰动影响飞行高度，侧向扰动容易导致飞机侧滚，因此准确的评估尾流对舰载机的影响对保障舰载机着舰安全具有重大意义。
本发明的发明人经过研究发现：利用实验方法来评估尾流对舰载机的影响价格昂贵，且对飞行员十分危险。因此，目前评估尾流影响主要以仿真为主。目前针对评估尾流对舰载机影响的仿真方法主要有两种，一种是利用美军标MIL-F-8785C给出舰尾流模型进对舰载机进舰过程就行评估，由于尾流随时间和空间发生变化，这种工程化的尾流模型过于粗略，无法准确获得尾流数据；一种利用计算流体动力学方法(CFD)计算舰船和飞机耦合作用，这种方法虽然能准确计算出尾流的速度分量，但是飞机只能沿着预先设计好的移动，无法合理的评估尾流对轨迹影响。因此，亟须一种，准确、高效的尾流评估方法，以保障舰载机着舰安全。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于开源CFD平台和飞行仿真平台的舰载机着舰轨迹仿真方法，能够根据开源CFD平台开源CFD平台实时求解尾流风场数据，将风场数据带入飞行动力学平台，评估尾流对舰载机着舰的影响，保障舰载机安全。
本发明是这样实现的：
一种基于开源CFD平台和飞行仿真平台的舰载机着舰轨迹仿真方法，包括：
1.根据目标舰船的几何参数建立目标舰船的计算流体动力学CFD模型，导入开源CFD平台，使用瞬态求解器，计算舰船尾流场数据。
2.飞行仿真平台输出飞机重心在地球坐标系的下的实时位置。
3.通过异步服务器将飞行仿真平台出飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统(UTM)的坐标位置。
4.根据新形式的坐标位置寻找与之最近开源CFD平台的网格节点，通过插值的手段获得飞机重心位置的三维速度分量。
5.通过异步服务器将三维速度分量转为飞行仿真平台的一般风速参考系的速度分量，然后传递给飞行仿真平台求解器。
所述一般风速参考系以东西方向为x轴，南北方向为y轴，竖直方向为z轴。
6.飞行仿真平台利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，求解出下一时间帧的飞机位置。
重复步骤2，3，4，5，6，直至舰载机完成着舰过程。
进一步的，根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，包括：根据目标舰艇的几何参数、选取网格质量、边界条件、计算域和湍流模型建立目标舰艇的CFD模型。
进一步的，所述CFD平台优选由C++编写的OpenFOAM；
所述湍流模型为大涡模拟模型(LES)或者分离涡模型(DES)，使用瞬态求解器；
所述目标舰艇计算域的网格点的坐标以统一横轴墨卡托投影系统表示。
进一步的，所述飞行仿真平台优选JSBSim；
所述JSBSim是FlightGear默认飞行动力学模型(FDM)，由C++语言编写；
所述JSBSim平台通过XML格式的文本文件对舰载机的飞行控制系统、空气动力学模型、推进器、起落架装置、质量等进行精确建模，JSBSim通读取XML文件，获得舰载机的模型参数。
进一步的，所述异步服务器是流体动力学平台和飞行仿真平台的通信媒介；
在飞行动力学模拟的每个时间帧，异步服务器将飞行动力学平台提供飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置，然后异步服务器进行一次OpenFOAM网格域和风速场数据库静态加载，根据飞机的重心位置访问OpenFOAM网格域，检索相应的局部风速矢量，将风俗矢量进行坐标转化并将其发送回飞行仿真平台，然后等待接受飞行仿真平台返回下一个时刻的飞机中心位置。
相应的，本发明还提供了一种舰载机着舰轨迹仿真系统，包括：
CFD模型模块，用于根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，并将建立好的模型导入CFD平台中；使用瞬态求解器，计算舰船尾流场数据；
位置输出模块，用于飞行仿真平台输出飞机重心在地球坐标系的下的实时位置；
坐标转化模块，用于通过异步服务器将飞行仿真平台输出的飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置；
速度获取模块，用于寻找与转化后的坐标位置最近的CFD平台的网格节点，通过插值的手段获得飞机重心位置的三维速度分量；
速度传递模块，用于通过异步服务器将三维速度分量转为飞行仿真平台的一般风速参考系的速度分量，然后传递给飞行仿真平台求解器；
轨迹仿真模块，用于飞行仿真平台利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，求解出下一时间帧的飞机位置。
本发明所述一种基于开源CFD平台和飞行仿真平台的舰载机着舰轨迹仿真方法，克服了瞬态舰尾流评估困难。根据开源CFD平台求解出实时的脉动尾流风场，将瞬态的风速数据带入JSBSim飞行动力学求解器中，能够更加准确的对尾流对舰载机影响进行评估，为舰载机着舰提供指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的舰载机着舰轨迹仿真方法的原理图；
图2为本发明实施例提供的一种基于OpenFoam和JSBSim的舰载机着舰轨迹仿真流程图；
图3为本发明实施例典型尾流扰动下舰载机着舰轨迹仿真结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例：
图1为本发明实施例提供的基于开源CFD平台和飞行仿真平台的舰载机着舰轨迹仿真方法的流程图；图2为本发明实施例一种基于OpenFoam和JSBSim的舰载机着舰轨迹仿真流程图。
如图1-2所示，一种舰载机着舰轨迹仿真方法，包括：
步骤S1、根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，并导入CFD平台中。其中，目标舰艇用于供舰载机起飞和降落。
步骤S1具体包括：获取目标舰艇的几何参数，根据几何参数，采用专业网格划分软件获得目标舰艇的网格文件，将网格文件导入开源CFD平台中，建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型。
优选地，所述开源CFD平台为OpenFOAM。
CFD是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)的简称，是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。目前常用的CFD商业软件有：Fluent、CFX、Star-CD、X-flow等。它们已经能用于求解各种类型的流体力学问题，具有一定的适用性、精确性和鲁棒性，且计算结果大都能满足工程需求。但是商业软件价格昂贵、封闭性强、难以对源代码进行二次开发。对此，免费开源的CFD类库，如OpenFOAM，其由C++编写，其软件的程序的结构和软件的架构完全开源化，用户可以自由定义和扩展程序的已有功能
通过选取合理的网格质量、边界条件类型设置、计算域和湍流的模型建立目标舰艇的CFD模型。所述湍流模型为大涡模拟模型(LES)或者分离涡模型(DES)，使用瞬态求解器。所述目标舰艇计算域的网格点的坐标以统一横轴墨卡托投影系统表示。
步骤S2、飞行仿真平台输出飞机重心在地球坐标系的下的实时位置。
具体的，步骤S2包括：JSBSim通过UDP/TCP通信输出飞机重心在地球参考系下的实时位置PE(xE,yE,zE)，其中xE代表经度、yE代表纬度、zE代表高度。
所述JSBSim是FlightGear默认飞行动力学模型(FDM)，由C++语言编写，支持在Windows、Cygwin、Linux、Macintosh、IRIX等多种操作系统下编译运行，是目前应用最广泛、效果最接近真实的飞行动力学模型之一。JSBSim可以对飞机模型进行精确建模，求解结果可输出到显示器、文件、套接字等，并可自由配置输出格式。JSBSim具有体积小、灵活性好和准确度高的特点，并且代码完全开源，用户可以自由的修改和扩展程序功能。
正在本实施例，XML格式的文本文件对舰载机的飞行控制系统、空气动力学模型、推进器、起落架装置、质量等进行精确建模，JSBSim通读取XML文件，获得舰载机的模型参数。
所述UDP/TCP通信通过XML脚本文件中<output/>标签实现，其标准格式的配置如下：
其中position/lat-gc-deg代表以度为单位的经度，即xE；position/long-gc-deg代表以度为单位的纬度，即yE；position/h-agl-m为米为单位的高度，即zE。
步骤S3、通过异步服务器将飞行仿真平台输出的飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置。
具体的，步骤S3包括：通过异步服务器将JSBSim输出的飞机重心位置PE(xE,yE,zE)转化为统一横轴墨卡托投影系统(UTM)的坐标位置PO(xO,yO,zO)。
所述统一横轴墨卡托投影系统，是一种投影坐标，使用基于网格的方法表示坐标，是将球面经纬度坐标经过投影算法转换成的平面坐标，即通常所说的XY坐标。此投影系统是美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星像片所采用的投影系统。
步骤S1所述目标舰艇计算域的网格点的坐标以统一横轴墨卡托投影系统表示。
步骤S4、寻找与转化后的坐标位置最近的CFD平台的网格节点，通过插值的手段获得飞机重心位置的三维速度分量。
具体的，步骤S4包括：寻找与新形式的坐标位置PO(xO,yO,zO)最近OpenFOAM的网格节点，通过插值获得PO(xO,yO,zO)的三维速度分量VO(uO,vO,wO)。
所述三维速度分量VO(uO,vO,wO)，是在舰船参考系下的。
步骤S5，通过异步服务器将三维速度分量转为飞行仿真平台的一般风速参考系的速度分量，然后传递给飞行仿真平台求解器。
具体的，步骤S5包括：通过异步服务器，三维速度分量VO(uO,vO,wO)转为JSBSim中的一般风速参考系的风速，并通过UDP/TCP通信传递给JSBSim求解器。
所述一般风速参考系以正东为x轴正方向，以正西为y轴正方向，以竖直向下方向为z轴方向。
所述UDP/TCP通信通过XML脚本文件中<input/>标签实现，其标准格式的配置如下：
其中<property>atmosphere/wind-east-fps</property>为东西方向的风速，atmosphere/wind-north-fps为南北方向的风速；atmosphere/wind-down-fps为竖直方向的风速。风速的单位均为fps(英尺/秒)。
步骤S3，S4，S5所述异步服务器是流体动力学平台和飞行仿真平台的通信媒介。在飞行动力学模拟的每个时间帧，异步服务器被提供飞机重心位置，然后异步服务器进行一次OpenFOAM网格域和风速场数据库(即OpenFOAM的算例文件)静态加载，根据飞机的重心位置访问OpenFOAM网格域，检索相应的局部风速矢量并将其发送回飞行仿真平台，然后等待接受飞行仿真平台返回下一个时刻的飞机中心位置。
步骤S6，飞行仿真平台利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，求解出下一时间帧的飞机位置。
具体的，步骤S6包括：JSBSim利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，从而求解出下一时间帧的飞机位置。
其中JSBSim获得三维速度后，更新飞机空速、气动参数等飞行动力学模型参数，然后求解出下一时间帧的飞机状态，并通过UDP/TCP通信返回下一个时刻的飞机位置。
重复步骤S2，S3，S4，S5，S6，直至舰载机完成着舰过程。
图3为当前方来流的速度为10m/s时，利用本方法获得的某舰载机着舰轨迹仿真结果。如图3所示，尾流扰动导致舰载着机明显偏离理想轨迹。
相应的，本发明还提供了一种舰载机着舰轨迹仿真系统，包括：
CFD模型模块，用于根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，并将建立好的模型导入CFD平台中；使用瞬态求解器，计算舰船尾流场数据；
位置输出模块，用于飞行仿真平台输出飞机重心在地球坐标系的下的实时位置；
坐标转化模块，用于通过异步服务器将飞行仿真平台输出的飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置；
速度获取模块，用于寻找与转化后的坐标位置最近的CFD平台的网格节点，通过插值的手段获得飞机重心位置的三维速度分量；
速度传递模块，用于通过异步服务器将三维速度分量转为飞行仿真平台的一般风速参考系的速度分量，然后传递给飞行仿真平台求解器；
轨迹仿真模块，用于飞行仿真平台利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，求解出下一时间帧的飞机位置。
本发明与现有技术相比具有以下增益效果:
(1)使用开源飞行动力学求解器优选JSBSim，保证了飞行仿真准确性，相比直接使用FlightGear具有运行体积小，效率高的特点。
(2)使用JSBSim能够对舰载机模型参数精准建模，只需要修改相应的XML的文件修改舰载机的飞行控制模块，具有可维护性和可扩展性。
(3)优选OpenFoam作为流体动力学求解器，具有开源免费的特性，易于实现功能扩展。
(4)使用异步服务器作为JSBSim和OpenFOAM的媒介，能够高效的实现二者的数据通信。
(5)本方法能够在飞行仿真过程中根据每个时间帧的飞机位置实时更新尾流的风速数据，能够准确的评估空间和时间变化剧烈的尾流扰动对舰载机的影响，可用于舰载机着舰轨迹的定性和蒙特卡洛模拟分析，以保证舰载机的安全着舰。
这里必须指出的是，本发明给出的其他未说明的部分都是为本领域人员公知的，根据本发明所述的名称或功能，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未进一步说明。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种舰载机着舰轨迹仿真方法，其特征在于：包括：
根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，并将建立好的模型导入CFD平台中；使用瞬态求解器，计算舰船尾流场数据；
飞行仿真平台输出飞机重心在地球坐标系的下的实时位置；
通过异步服务器将飞行仿真平台输出的飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置；
寻找与转化后的坐标位置最近的CFD平台的网格节点，通过插值的手段获得飞机重心位置的三维速度分量；
通过异步服务器将三维速度分量转为飞行仿真平台的一般风速参考系的速度分量，然后传递给飞行仿真平台求解器；
飞行仿真平台利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，求解出下一时间帧的飞机位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，包括：根据目标舰艇的几何参数、选取网格质量、边界条件、计算域和湍流模型建立目标舰艇的CFD模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述CFD平台为由C++编写OpenFOAM；
所述湍流模型为大涡模拟模型(LES)或者分离涡模型(DES)，使用瞬态求解器；
所述目标舰艇计算域的网格点的坐标以统一横轴墨卡托投影系统表示。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞行仿真平台为JSBSim；
所述JSBSim是FlightGear默认飞行动力学模型(FDM)，由C++语言编写；
所述JSBSim平台通过XML格式的文本文件对舰载机的飞行控制系统、空气动力学模型、推进器、起落架装置、质量等进行精确建模，JSBSim通读取XML文件，获得舰载机的模型参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异步服务器是流体动力学平台和飞行仿真平台的通信媒介；
在飞行动力学模拟的每个时间帧，异步服务器将飞行动力学平台提供飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置，然后异步服务器进行一次OpenFOAM网格域和风速场数据库静态加载，根据飞机的重心位置访问OpenFOAM网格域，检索相应的局部风速矢量，将风俗矢量进行坐标转化并将其发送回飞行仿真平台，然后等待接受飞行仿真平台返回下一个时刻的飞机中心位置。
6.一种舰载机着舰轨迹仿真系统，其特征在于：包括：
CFD模型模块，用于根据目标舰艇的几何参数建立目标舰艇的计算流体动力学CFD模型，并将建立好的模型导入CFD平台中；使用瞬态求解器，计算舰船尾流场数据；
位置输出模块，用于飞行仿真平台输出飞机重心在地球坐标系的下的实时位置；
坐标转化模块，用于通过异步服务器将飞行仿真平台输出的飞机重心位置转化为统一横轴墨卡托投影系统的坐标位置；
速度获取模块，用于寻找与转化后的坐标位置最近的CFD平台的网格节点，通过插值的手段获得飞机重心位置的三维速度分量；
速度传递模块，用于通过异步服务器将三维速度分量转为飞行仿真平台的一般风速参考系的速度分量，然后传递给飞行仿真平台求解器；
轨迹仿真模块，用于飞行仿真平台利用获得的三维风速度，计算相关气动参数，求解出下一时间帧的飞机位置。
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