CN115203821A

CN115203821A - 基于飞控数据表的油耗模型处理方法、系统和存储介质

Info

Publication number: CN115203821A
Application number: CN202210673504.4A
Authority: CN
Inventors: 杜毅; 廖子菊; 张双虎
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2022-10-18

Abstract

本发明公开了一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法、系统和存储介质。可广泛应用于模型应用技术领域。本发明方法通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，并根据物理逻辑构建油耗模型，接着根据获取到的飞机性能数据确定油耗模型的模型参数，然后，将模型参数代入油耗模型后，根据获取到的飞控数据表的数据检验油耗模型的可行性，使得应用端可以通过检验通过后的油耗模型了解飞机的各个影响因素，从而可以针对具体问题进行改进，以提高飞行安全和降低飞行成本。

Description

基于飞控数据表的油耗模型处理方法、系统和存储介质

技术领域

本发明涉及模型应用技术领域，尤其是一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法、系统和存储介质。

背景技术

油耗是航空领域最重要的成本指标。飞机携带油料的多少，关系到飞行安全和飞行成本。目前，国际航空行业现采用的规划系统仅提供输入输出，中间处理类似黑匣子，模型、算法、逻辑无从知晓，导致在数据拟合精度较差时，应用端无法了解其中的原因，从而无法针对问题进行改善，无法提高飞行安全和降低飞行成本。并且，要建立精准的航路规划系统的前期基础之一是对飞机在不同的气象条件、飞行状态下的油耗(关键成本之一)变化规律做精准的刻画。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法、系统和存储介质，能够有效提高飞行安全和降低飞行成本。

一方面，本发明实施例提供了一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，包括以下步骤：

获取飞机性能数据；

通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，所述影响因素包括温度、飞行高度、起飞重量、气象条件、爬升速度、对地速度、侧倾速度、高空风速和飞行姿态中的其中至少一项；

根据所述物理逻辑构建油耗模型；

根据所述飞机性能数据确定所述油耗模型的模型参数；

获取飞控数据表的数据；

根据所述飞控数据表的数据检验代入模型参数后的所述油耗模型的可行性。

在一些实施例中，所述通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，包括：

分析动能增量和势能增量；

根据静态气象学的压高公式分析瞬时机身气压近似值；

根据飞行姿态分析摩擦力做功；

根据飞行动力学分析升力做功。

在一些实施例中，所述分析动能增量和势能增量，包括：

根据目标时间点飞机的总重量、飞行速度和高空风速确定动能增量，所述飞行速度由所述爬升速度、对地速度、侧倾速度确定；

根据目标时间点飞机的总重量、目标时间点飞机的飞行高度、前一时间点飞机的总重量和前一时间点飞机的飞行高度确定势能增量。

在一些实施例中，所述根据飞行姿态分析摩擦力做功，包括：

确定大气作用在飞机表面的压力；

确定飞行器表面正压力的外法线方向；

根据所述压力、所述外法线方向、所述飞行速度、所述高空风速和飞行升力系数确定摩擦力做功。

在一些实施例中，所述根据静态气象学的压高公式分析瞬时机身气压近似值，包括：

根据静态气象学的压高公式和罗德里格旋转公式分析飞机侧倾。

在一些实施例中，所述根据飞行动力学分析升力做功，包括：

根据水平飞行速度、飞行器的仰角和飞行姿态参数分析风阻带来的升力效应。

在一些实施例中，所述油耗模型的公式如下：

其中，K1表示燃油能量转换率；K2表示飞行过程中，风阻带来的升力效应系数；K3表示飞行姿态参数；U表示水平飞行速度；g表示重力加速度；h表示飞行高度；M1(t)表示t时刻载重燃料；M0(t)表示t时刻的总重量；UR(t)表示t时刻的飞行速度；e^r表示球坐标系下的坐标分量；P表示大气作用在飞机表面的压力；

表示飞行器表面的外法线方向；θ₁表示t时刻的仰角。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于飞控数据表的油耗模型处理系统，包括：

第一获取模块，用于获取飞机性能数据；

分析模块，用于通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，所述影响因素包括温度、飞行高度、起飞重量、气象条件、爬升速度、对地速度、侧倾速度、高空风速和飞行姿态中的其中至少一项；

构建模块，用于根据所述物理逻辑构建油耗模型；

确定模块，用于根据所述飞机性能数据确定所述油耗模型的模型参数；

第二获取模块，用于获取飞控数据表的数据；

检验模块，用于根据所述飞控数据表的数据检验代入模型参数后的所述油耗模型的可行性。

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行所述的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。

另一方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现所述的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。

本发明实施例提供的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，具有如下有益效果：

本实施例通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，并根据物理逻辑构建油耗模型，接着根据获取到的飞机性能数据确定油耗模型的模型参数，然后，将模型参数代入油耗模型后，根据获取到的飞控数据表的数据检验油耗模型的可行性，使得应用端可以通过检验通过后的油耗模型了解飞机的各个影响因素，从而可以针对具体问题进行改进，以提高飞行安全和降低飞行成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法的流程图；

图2为本发明实施例一种飞行器外法线方向与高空速度和飞行速度的示意图；

图3为本发明实施例一种升力分解示意图；

图4为本发明实施例一种验证结果示意图；

图5为本发明实施例另一种验证结果示意图；

图6为本发明实施例另一种验证结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本发明实施例提供了一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，本实施例的方法可以应用于服务器、飞机数据处理平台的处理器或云端。

具体地，本实施例基于飞机飞行控制数据表的数据，对飞行过程中的油耗从能量守恒入手，建立了一个通用的微分方程数学模型作为油耗模型，并在合理的基础上对于模型做了适当的简化，以便计算。然后通过对模型的数值拟合，本实施例构造的模型依赖于：温度、爬行高度、起飞重量、气象条件、对地速度、风速、飞行姿态等若干因素。在数值模拟上，本实施例的模型和波音777飞航数据表提供的油耗具有极好的近似性，例如在200吨、-5C条件下，平稳爬升并飞行150km，本实施例理论模拟的油耗与实际油耗误差最大仅为2kg，在总共油耗3864kg的基数上来看，从建立的模型计算出来的数据和飞机的飞行手册的数据对比，具有极高的精度。

下面结合附图进行阐述，以应用于服务器为例，如图1所示，本实施例包括但不限于以下步骤：

步骤110、获取飞机性能数据；

步骤120、通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，所述影响因素包括温度、飞行高度、起飞重量、气象条件、爬升速度、对地速度、侧倾速度、高空风速和飞行姿态中的其中至少一项；

步骤130、根据所述物理逻辑构建油耗模型；

步骤140、根据所述飞机性能数据确定所述油耗模型的模型参数；

步骤150、获取飞控数据表的数据；

步骤160、根据所述飞控数据表的数据检验代入模型参数后的所述油耗模型的可行性。

在本申请实施例中，飞机性能数据可以通过飞机性能手册获取。同时，所述通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，包括但不限于以下内容：

分析动能增量和势能增量；

根据静态气象学的压高公式分析瞬时机身气压近似值；

根据飞行姿态分析摩擦力做功；

根据飞行动力学分析升力做功。

其中，所述分析动能增量和势能增量，包括：

具体地，基于能量守恒，在[t,t+Δt]时段上，燃油消耗量为M1(t+Δt)-M1(t)。由于K1是燃油转化率，从而在这个时段上的燃油产生的功耗能为K1*[M1(t+Δt)-M1(t)]；

上一步产生的能量主要体现在：在[t,t+Δt]时段上的动能增量、势能增量、客服摩擦力做负功和由于飞行仰角导致的风阻升力做的正功。

动能增量可以表示如公式(1)所示：

势能增量可以表示如公式(2)所示：

M0(t+Δt)*g*h(t+Δt)-M0(t)*g*h(t) 公式(2)

在这个过程中，K1表示燃油能量转换率，依赖于飞机启动构型及发动机性能；M1(t+Δt)表示t+Δt时刻的飞机载重燃料；M1(t)表示t时刻载重燃料；M0(t+Δt)表示t+Δt时刻的飞机总重量；M0(t)表示t时刻的飞机总重量；UR(t+Δt)表示t+Δt的飞行速度；UR(t)表示t时刻的飞行速度；UB(t+Δt)表示t+Δt的高空风速；UB(t)表示t时刻的高空风速；g表示重力加速度；h(t+Δt)表示t+Δt时刻的飞行高度；h(t)表示t时刻的飞行高度。

所述根据飞行姿态分析摩擦力做功，包括：

确定大气作用在飞机表面的压力和确定飞行器表面正压力的外法线方向；然后根据所述压力、所述外法线方向、所述飞行速度、所述高空风速和飞行升力系数确定摩擦力做功。

具体地，在飞行器在爬升阶段，记在t时刻对应的大气作用在飞机表面的压力设为P；

为飞行器表面的外法线方向，则摩檫力在[t,t+Δt]时段上做功如公式(3)所示：

其中，K2表示飞行过程中，风阻带来的升力效应系数，该系数依赖于瞬时的飞行器的状态，例如仰角，飞行速度，高空风等。

所述根据静态气象学的压高公式分析瞬时机身气压近似值，可以根据静态气象学的压高公式和罗德里格旋转公式分析飞机侧倾。

具体地，当得到P及

的具体表达式，对该表达式进行简化。本实施例可以采用大气压为ρ^γ的结构，但是，需要建立空气密度ρ的方程来封闭模型。从而需要引进偏微分方程组，会增加数值计算的复杂度。

基于民航飞行总是在气象条件较稳定的情况下，本实施例对大气压P采用公式(4)所示静态气象学的经验压-高公式：

对于

本实施例通过图2进行解释。

从图2可知，相当是先假设飞行按速度U水平飞行的；然后将U以e^r为轴旋转θ₁(t)(刻画仰角)；

再继而以e^θ为轴旋转θ₂(t)(刻画侧倾)；

然后由Rodrigues’Rotation formula(罗德里格旋转公式)得到公式(5)所示的关系式：

其中，e^r、e^θ和e^φ表示球坐标系下的三个坐标分量；θ₁和θ₂表示飞行器的仰角和侧倾角。

所述根据飞行动力学分析升力做功，可以根据水平飞行速度、飞行器的仰角和飞行姿态参数分析风阻带来的升力效应。

具体地，基于倾角的不同结构，确定风阻的效应。以爬升阶段为例，风阻一方面迟滞水平方向的运动，如图3所示，但同时会提供升力效应。

升力效应中，主要考虑F₁部分的效应；另外的阻力部分效应在能量过程中已经由背景风速部分体现了。

其中，F₁部分，很自然其与风速成正比，和飞行器的气动外形、飞行器的仰角、侧倾角相关；K₃这个系数关键是看飞行姿态。在平稳飞行中，可以认为侧倾角为非常小的角度，从而升力做功如公式(6)所示：

-K₃*U²*sin(θ₁) 公式(6)

其中，K3表示飞行姿态参数，该参数主要是刻画飞行仰角不同的情况下，对应的参数效应；U表示水平飞行速度；θ₁表示t时刻的仰角。

基于前面的内容可知，在平稳飞行阶段的油耗模型的公式如公式(7)所示：

其中，K1表示燃油能量转换率，依赖于飞机启动构型及发动机性能；K2表示飞行过程中，风阻带来的升力效应系数，依赖于瞬时的飞行器的状态，如仰角，飞行速度，高空风等；K3表示飞行姿态参数，主要是刻画飞行仰角不同的情况下，对应的参数效应；U表示水平飞行速度；g表示重力加速度；h表示飞行高度；M1(t)表示t时刻载重燃料；M0(t)表示t时刻的总重量；UR表示t时刻的飞行速度；e^r表示球坐标系下的坐标分量；P表示大气作用在飞机表面的压力；

表示飞行器表面的外法线方向；θ₁表示t时刻的仰角。

在得到油耗模型后，本实施例可以以利用波音777飞行控制手册的部分数据，拟合出参数。然后用拟合好参数的模型，模拟计算后面的数据。本实施例采用波音747飞机的飞行数据表做参考，并通过模型数值拟合，检验模型的可行性。

在一些实施例中，以波音777为例，在温度-5C，起飞重量200吨，风速40kts的气象条件下，飞行150km的飞行数据比对。其中，如图4所示，横坐标是飞行距离，纵坐标是油耗(单位是kg)，误差在2kg以内；

以波音777为例，在温度-5C，起飞重量210吨，风速40kts的气象条件下，飞行150km的飞行数据。如图5所示，横坐标是飞行距离，纵坐标是油耗(单位是kg)，误差在13kg以内；

以波音777为例，在温度-3C，起飞重量250吨，风速40kts的气象条件下，飞行150km的飞行数据。如图6所示，横坐标是飞行距离，纵坐标是油耗(单位是kg)，误差在14kg以内。

综上可知，本实施例基于物理原理，从根本上建立油耗与飞行姿态、飞行距离、气象因素、飞行自重等等因素的数学模型；根据建立的数学模型，可以更好分析在飞行的每一个阶段的主要油耗因素。一方面可以对于总航程中需要的油耗量有精准预测，以便最大化收益；同时也可以根据模型计算，分析气象因素、飞机载重等各类因素对油料的具体影响，从而在飞行状态中出现了突发气象状况时，可计算储油量能否满足安全驾驶的需要；最后所建立的模型有机会在民用的飞行器市场得到更好的应用：例如可计算无人机飞行过程中的油料载量和货物配载之间的关系等，以便更优的安排飞行计划。

本发明实施例提供了一种基于飞控数据表的油耗模型处理系统，包括：

第一获取模块，用于获取飞机性能数据；

构建模块，用于根据所述物理逻辑构建油耗模型；

第二获取模块，用于获取飞控数据表的数据；

本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行图1所示的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。

本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现图1所示的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。

本发明实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取飞机性能数据；

根据所述物理逻辑构建油耗模型；

根据所述飞机性能数据确定所述油耗模型的模型参数；

获取飞控数据表的数据；

2.根据权利要求1所述的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，所述通过物理分析各个影响因素与油耗的物理逻辑，包括：

分析动能增量和势能增量；

根据静态气象学的压高公式分析瞬时机身气压近似值；

根据飞行姿态分析摩擦力做功；

根据飞行动力学分析升力做功。

3.根据权利要求2所述的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，所述分析动能增量和势能增量，包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，所述根据飞行姿态分析摩擦力做功，包括：

确定大气作用在飞机表面的压力；

确定飞行器表面正压力的外法线方向；

5.根据权利要求2所述的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，所述根据静态气象学的压高公式分析瞬时机身气压近似值，包括：

6.根据权利要求2所述的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，所述根据飞行动力学分析升力做功，包括：

7.根据权利要求1所述的一种基于飞控数据表的油耗模型处理方法，其特征在于，所述油耗模型的公式如下：

其中，K1表示燃油能量转换率；K2表示飞行过程中，风阻带来的升力效应系数；K3表示飞行姿态参数；U表示水平飞行速度；g表示重力加速度；h表示飞行高度；M1(t)表示t时刻载重燃料；M0(t)表示t时刻的总重量；UR表示t时刻的飞行速度；e^r表示球坐标系下的坐标分量；P表示大气作用在飞机表面的压力；

表示飞行器表面的外法线方向；θ₁表示t时刻的仰角。

8.一种基于飞控数据表的油耗模型处理系统，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取飞机性能数据；

构建模块，用于根据所述物理逻辑构建油耗模型；

第二获取模块，用于获取飞控数据表的数据；

9.一种基于飞控数据表的油耗模型处理系统，其特征在于，包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-7任一项所述的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。

10.一种存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如权利要求1-7任一项所述的基于飞控数据表的油耗模型处理方法。