CN115758818A - 一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，属于飞行器大气数据传感器系统验证技术领域，包括第一子系统、第二子系统、第三子系统、第四子系统和第五子系统；本发明通过地面模拟获得飞行器姿态变化时飞行器大气数据传感器系统的压力数据，对比分析得到飞行器大气数据传感器系统输出数据与真实数据之间的差异，并实时对复杂气象环境适应性防护设计有效性评估，解决了常规的风洞试验及专项飞行等验证方法验证不充分和使用边界不可达问题，实现了地面领先飞行校准与验证，弥补了飞行器大气数据传感器系统地面领先飞行验证手段的空白，极大程度降低了依靠实物模型进行装机验证的必要性，节约了资源。

Description

一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置

技术领域

本发明属于飞行器大气数据传感器系统验证技术领域，尤其涉及一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置。

背景技术

飞行器大气数据传感器系统通过大气压力受感器感知、探测静态大气压力、来流冲击压力和环境温度等信息，利用大气数据计算机进行气压高度、马赫数、攻角、侧滑角等飞行大气参数的解算，表征飞行器与空气来流的相互关系，为飞行器导航和姿态控制与调节提供数据源，是保证飞行器安全飞行的重要飞行传感器子系统。由于大气压力受感器的安装位置选取CFD仿真计算误差的存在及结构限制，需要进行大气压力受感器位置误差修正，缩小输出的飞行大气参数与真实值之间的差距，避免对飞行器姿态的精准控制和飞行品质的影响。同时，飞行器大气数据传感器安装在机体表面，面临着雨雪、结冰、冻雨、砂尘等复杂气象环境，压力感受的准确性受系统中大气压力受感器的防水、防冰和除冰、防尘防护措施的有效性的影响。

传统的飞行器大气数据传感器系统的验证完全依靠地面压力给定设备设定固定的压力和模拟固定的大气环境温度进行静态精度验证，通过风洞试验进行大气压力受感器气动性能验证和安装位置误差初步修正，结合专项飞行试验完成安装位置误差的修正。无论是静态精度验证还是风洞试验，都是在静态稳定环境中对系统进行的测试，地面压力给定设备或者风洞试验中气压传递管路的铺设没有根据实际装机状态进行动态特性一致性设计，无法保证飞行器大气数据传感器系统中需要感受的多个压力动态变化的实时同步性和按照真实飞行姿态控制压力变化速率。风洞试验中所用的风洞也不能满足容纳整机完整模型的需求，只能按照保留主要气动特征的原则，采用缩比模型进行风洞试验，仅能缩小CFD仿真数据与真实数据的差异，更无法实现对俯仰、横滚、偏航、加减速等状态耦合调节控制，依然不能摆脱对专项试飞试验的依赖。

现有的性能评估方法和验证系统不能实现对飞行器大气数据传感器的动态验证、验证系统的激励数据基础依然来源于仿真数据或已有的飞行数据，可用于基于飞行数据的飞行器大气数据传感器动态响应性能优化和验证，不能对不同气动外形的飞行器大气数据传感器系统的测量误差修正提供基础数据和修正有效性验证，也不能对飞行器大气数据传感器复杂气象环境适应性进行验证。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，通过对比分析得到飞行器大气数据传感器系统输出数据与真实数据之间的差异，并对复杂气象环境适应性防护设计有效性评估，解决了常规的风洞试验及专项飞行等验证方法验证不充分和使用边界不可达问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，包括：

第一子系统，用于根据飞行器气动外形进行可视化仿真飞行，得到大气数据传感器的压力感受器安装区域的流场压力信息和飞行环境气象条件信息；

第二子系统，用于根据流场压力信息，得到实时同步的气压激励通道的通断信息；

第三子系统，用于基于气压激励通道的通断信息，控制若干气压激励通道的关闭和断开，并将气压激励通道的输出压力与预设压力值进行实时比较和调节；

第四子系统，用于基于飞行环境气象条件信息，控制模拟环境气象条件与飞行环境气象条件保持一致，得到环境气象条件模拟信息、气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息；

第五子系统，用于基于流场压力信息、飞行环境气象条件信息、气压激励通道的通断信息、环境气象条件模拟信息、气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息，协调调度飞行器大气数据传感器系统地面验证装置的运行和状态监控。

进一步地，所述第一子系统包括：

第一模块，用于划分流场计算网格、导入飞行器气动外形以及设定飞行空域范围和气象环境条件；

第二模块，用于基于流场计算网格、飞行器气动外形、飞行空域范围和气象环境条件，模拟操纵飞行器在俯仰、横滚、偏航和速度姿态上的变化，得到模拟操纵飞行数据；

第三模块，用于基于模拟操纵飞行数据、基于压力的耦合求解算法、半离散的有限体积法、迎风偏置方法、中心差分、隐式算法、单方程SA模型的全湍流模拟计算模型，实时计算和提取飞行器大气数据传感器的压力受感器安装区域的流场压力信息和飞行环境气象条件信息；

第四模块，用于对飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件进行视角动态展示；

第五模块，用于通过千兆以太网将流场压力信息传输至第二子系统和第五子系统，将飞行环境气象条件信息传输至第四子系统和第五子系统。

进一步地，所述第二子系统包括：

第六模块，用于通过千兆以太网接收流场压力信息；

第七模块，用于根据流场压力信息，得到实时同步的气压激励通道的通断信息；

第八模块，用于将实时同步的气压激励通道的通断信息传输至第三子系统和第五子系统。

进一步地，所述第四子系统包括：

第九模块，用于通过千兆以太网，接收飞行环境气象条件信息；

第十模块，用于基于飞行环境气象条件信息，控制模拟环境气象条件与飞行环境气象条件保持一致，得到环境气象条件模拟信息、大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息；

第十一模块，用于通过千兆以太网，将环境气象条件模拟信息、大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息传输至第五子系统。

进一步地，所述第五子系统包括：

第十二模块，用于基于流场压力信息和气压激励通道的通断信息，驱动第三子系统的启动和停止；

第十三模块，用于存储第四模块中飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件动态展示的视频，以及回放飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件动态展示的视频；

第十四模块，用于存储各气压激励通道的关闭和断开过程数据，以及回放各气压激励通道的关闭和断开过程数据；

第十五模块，用于调节飞行器大气数据传感器压力受感器安装姿态与飞行器模拟在俯仰、横滚、偏航和速度姿态保持一致；

第十六模块，用于模拟加温电源的接通和断开；

第十七模块，用于根据大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息，存储与回放通过飞行器大气数据传感器压力受感器监控得到的模拟气象环境适应数据。

本发明的有益效果为：

(1)、本发明提供的一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，实现了大气数据传感器系统地面模拟空中飞行真实环境流场压力测量验证、复杂气象环境适用性验证、从传统依托实物和载机的验证到真实数字化环境模拟验证模式的转变，达到了地面领先飞行校准与验证效果，极大程度降低了依靠实物模型进行装机验证的必要性，节约了资源，缩短了验证周期；

(2)、本发明中飞行器飞行环境模拟飞行姿态操纵调整过程时，大气数据压力受感器安装位置区域流场环境实时高速计算和压力信息实时提取与下传，实现了大气数据传感器系统地面模拟飞行和流场数据提取；

(3)、本发明通过飞行器大气数据传感器系统地面验证装置实现了飞行器大气数据传感器气压激励通道与空中飞行状态实时同步控制，实现了飞行器大气数据传感器飞行真实环境流场信息实时激励验证；

(4)、本发明实现了按真实飞行环境气象条件对复杂气象环境试验装置的实施控制，复杂气象环境试验装置中飞行器大气数据传感器压力受感器安装状态调节，复杂气象环境适应性状况监控。

附图说明

图1为本发明实施例中一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置的系统结构框图。

图2为本发明实施例中一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置的原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，包括：

第一子系统，用于根据飞行器气动外形进行可视化仿真飞行，得到大气数据传感器的压力感受器安装区域的流场压力信息和飞行环境气象条件信息；

所述第一子系统包括：

第一模块，用于划分流场计算网格、导入飞行器气动外形以及设定飞行空域范围和气象环境条件；

第二模块，用于基于流场计算网格、飞行器气动外形、飞行空域范围和气象环境条件，模拟操纵飞行器在俯仰、横滚、偏航和速度姿态上的变化，得到模拟操纵飞行数据；

第三模块，用于基于模拟操纵飞行数据、基于压力的耦合求解算法、半离散的有限体积法、迎风偏置方法、中心差分、隐式算法、单方程SA模型的全湍流模拟计算模型，实时计算和提取飞行器大气数据传感器的压力受感器安装区域的流场压力信息和飞行环境气象条件信息；

第四模块，用于对飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件进行视角动态展示；

第五模块，用于通过千兆以太网将流场压力信息传输至第二子系统和第五子系统，将飞行环境气象条件信息传输至第四子系统和第五子系统；

第二子系统，用于根据流场压力信息，得到实时同步的气压激励通道的通断信息；

所述第二子系统包括：

第六模块，用于通过千兆以太网接收流场压力信息；

第七模块，用于根据流场压力信息，得到实时同步的气压激励通道的通断信息；

第八模块，用于将实时同步的气压激励通道的通断信息传输至第三子系统和第五子系统；

第三子系统，用于基于气压激励通道的通断信息，控制若干气压激励通道的关闭和断开，并将气压激励通道的输出压力与预设压力值进行实时比较和调节；

第四子系统，用于基于飞行环境气象条件信息，控制模拟环境气象条件与飞行环境气象条件保持一致，得到环境气象条件模拟信息、气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息；

所述第四子系统包括：

第九模块，用于通过千兆以太网，接收飞行环境气象条件信息；

第十模块，用于基于飞行环境气象条件信息，控制模拟环境气象条件与飞行环境气象条件保持一致，得到环境气象条件模拟信息、大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息；

第十一模块，用于通过千兆以太网，将环境气象条件模拟信息、大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息传输至第五子系统；

第五子系统，用于基于流场压力信息、飞行环境气象条件信息、气压激励通道的通断信息、环境气象条件模拟信息、气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息，协调调度飞行器大气数据传感器系统地面验证装置的运行和状态监控；

所述第五子系统包括：

第十二模块，用于基于流场压力信息和气压激励通道的通断信息，驱动第三子系统的启动和停止；

第十三模块，用于存储第四模块中飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件动态展示的视频，以及回放飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件动态展示的视频；

第十四模块，用于存储各气压激励通道的关闭和断开过程数据，以及回放各气压激励通道的关闭和断开过程数据；

第十五模块，用于调节飞行器大气数据传感器压力受感器安装姿态与飞行器模拟在俯仰、横滚、偏航和速度姿态保持一致；

第十六模块，用于模拟加温电源的接通和断开；

第十七模块，用于根据大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息，存储与回放通过飞行器大气数据传感器压力受感器监控得到的模拟气象环境适应数据。

实施例2

本实施例中，如图2所示，飞行器大气数据传感器系统地面验证装置由飞行仿真子系统(第一子系统)、气压调节与控制子系统(第二子系统)、复杂气象环境模拟控制与监控子系统(第四子系统)和综合控制子系统(第五子系统)共四部分组成；

飞行器大气数据传感器系统地面验证装置通过飞行仿真系统进行飞行器气动外形导入和网格划分；导入的气动外形结构文件为stp、igs等通用格式，网格划分主要是利用ICEM或者Fluent-Meshing进行非结构混合网格划分，具体体现在：飞行器表面网格为三角形网格，附面层网格为三棱柱，其余用金字塔和四面体网格填充，网格整体设计采用近、远场控制网格疏密过渡，空间网格增长率控制在1.2以内；物面网格增长率控制在1.15以内，机翼、机身前后缘网格尺度为当地弦长的0.1％，翼根和翼尖展向尺度为半展长的0.1％，展向最大尺度不超过半展长的4％，边界层网格层数20层，整体网格单元数量约为1000万；设定飞行空域范围和气象环境条件，操纵系统中驾驶杆、脚舵、控制手柄和油门杆等飞行驾驶装置调整飞行器在俯仰、横滚、偏航、速度等姿态上的变化，采用基于压力的耦合求解算法、半离散的有限体积法、迎风偏置方法、中心差分、隐式算法和单方程SA模型的全湍流模拟计算模型进行飞行器大气数据传感器压力受感器安装区域的流场实时计算和提取飞行器大气数据传感器压力受感器安装区域的流场压力信息，并通过高速千兆以太网将流场压力信息和飞行环境气象条件信息实时传输给气压调节与控制系统、复杂气象环境模拟控制与监控系统和综合控制系统，飞行仿真系统中的视景系统可进行飞行器飞行姿态变换和飞行气象环境的视角动态展示；

飞行仿真子系统，飞行器气动外形导入模块、模拟飞行操纵模块、流场数字仿真模块、流场数据传输及链接模块和视景模块共五部分组成；飞行器气动外形导入模块完成安装有飞行器大气数据传感器的且已完成气动流场网格划分的气动外形文件导入到模拟飞行操控系统；模拟飞行操控模块调节俯仰、横滚、偏航、飞行速度等姿态的变化和飞行空域雨雪、气温等气象条件的变化；流场数字仿真模块中多核计算模块高速运行，采用基于压力的耦合求解算法、半离散的有限体积法、迎风偏置方法、中心差分、隐式算法和单方程SA模型的全湍流模拟计算模型，对各飞行姿态下飞行器大气数据传感器安装位置区域流场进行实时高速计算和提取；流场数据传输及链接模块将实时流场信息和飞行环境气象条件信息通过高速千兆以太网传输给飞行器大气数据传感器系统地面验证装置的气压调节与控制模块、综合控制模块和复杂气象环境模拟控制与监控模块；

气压调节与控制子系统，由气压控制模块、气压动态调节模块和气压给定模块三部分组成，具有压力输出实时同步性和一致性；气压控制模块通过高速千兆以太网实时接收飞行仿真系统传输的流场压力信息，控制气压动态调节模块实时同步控制气压给定模块将气压激励通道的通断信息传输至飞行器大气数据传感器系统，实现间距控制飞行器大气数据传感器系统的多个气压激励通道的关闭和断开，并实时进行输出压力与预设压力值进行比较，对输出压力进行调整，实现闭环调节和精准控制；

复杂气象环境模拟控制与监控子系统通过高速千兆以太网实时接收飞行仿真系统发送的温度、湿度、高度等气象条件信息，同步调节复杂气象环境模拟系统的复杂气象环境条件实时一致性变化和同步监测环境中飞行器大气数据传感器压力受感器表面结冰情况、压力感受情况；

综合控制系统协调调度飞行器大气数据传感器系统验证装置的运行和状态监控，包括飞行器大气数据传感器地面验证装置运行、飞行器大气数据传感器子系统工作的启动与停止、飞行仿真子系统数据存储记录与回放、飞行器大气数据传感器子系统输出数据记录与回放、复杂气象环境模拟控制与监控子系统中飞行器大气数据传感器压力受感器安装姿态与飞行仿真子系统操纵姿态的一致性控制、加温电源的接通与断开和大气，以及数据传感器压力受感器复杂气象环境适应性状况监控数据记录与回放；

基于综合控制系统中记录的飞行仿真子系统数据与飞行器大气数据传感器子系统输出数据差的差异性进行飞行器大气数据传感器子系统输出数据校准，基于实时飞行姿态和气象环境中飞行器大气数据传感器压力受感器适应性状态，进行防水、防冰和除冰防护设计措施的优化，并可进行优化后的再次验证；

飞行器大气数据传感器系统地面验证装置真实模拟了飞行器飞行的真实环境，实现了飞行器大气数据传感器系统使用边界模拟和地面领先飞行校准与验证；

通过回放综合控制系统实时记录数据，分析飞行仿真操作数据与飞行器大气数据传感器系统输出数据之间的差异，为飞行器大气数据传感器系统测量误差校准提供数据源；分析飞行器大气数据传感器压力受感器复杂气象环境适应性状况监控数据，确认飞行器大气数据传感器压力受感器复杂气象环境适应性状况，为飞行器大气数据传感器压力受感器复杂气象环境适应性设计优化提供证据。

Claims (5)

1.一种飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，其特征在于，包括：

第一子系统，用于根据飞行器气动外形进行可视化仿真飞行，得到大气数据传感器的压力感受器安装区域的流场压力信息和飞行环境气象条件信息；

第二子系统，用于根据流场压力信息，得到实时同步的气压激励通道的通断信息；

第三子系统，用于基于气压激励通道的通断信息，控制若干气压激励通道的关闭和断开，并将气压激励通道的输出压力与预设压力值进行实时比较和调节；

第四子系统，用于基于飞行环境气象条件信息，控制模拟环境气象条件与飞行环境气象条件保持一致，得到环境气象条件模拟信息、气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息；

第五子系统，用于基于流场压力信息、飞行环境气象条件信息、气压激励通道的通断信息、环境气象条件模拟信息、气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息，协调调度飞行器大气数据传感器系统地面验证装置的运行和状态监控。

2.根据权利要求1所述的飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，其特征在于，所述第一子系统包括：

第一模块，用于划分流场计算网格、导入飞行器气动外形以及设定飞行空域范围和气象环境条件；

第二模块，用于基于流场计算网格、飞行器气动外形、飞行空域范围和气象环境条件，模拟操纵飞行器在俯仰、横滚、偏航和速度姿态上的变化，得到模拟操纵飞行数据；

第三模块，用于基于模拟操纵飞行数据、基于压力的耦合求解算法、半离散的有限体积法、迎风偏置方法、中心差分、隐式算法、单方程SA模型的全湍流模拟计算模型，实时计算和提取飞行器大气数据传感器的压力受感器安装区域的流场压力信息和飞行环境气象条件信息；

第四模块，用于对飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件进行视角动态展示；

第五模块，用于通过千兆以太网将流场压力信息传输至第二子系统和第五子系统，将飞行环境气象条件信息传输至第四子系统和第五子系统。

3.根据权利要求2所述的飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，其特征在于，所述第二子系统包括：

第六模块，用于通过千兆以太网接收流场压力信息；

第七模块，用于根据流场压力信息，得到实时同步的气压激励通道的通断信息；

第八模块，用于将实时同步的气压激励通道的通断信息传输至第三子系统和第五子系统。

4.根据权利要求3所述的飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，其特征在于，所述第四子系统包括：

第九模块，用于通过千兆以太网，接收飞行环境气象条件信息；

第十模块，用于基于飞行环境气象条件信息，控制模拟环境气象条件与飞行环境气象条件保持一致，得到环境气象条件模拟信息、大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息；

第十一模块，用于通过千兆以太网，将环境气象条件模拟信息、大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息传输至第五子系统。

5.根据权利要求4所述的飞行器大气数据传感器系统地面验证装置，其特征在于，所述第五子系统包括：

第十二模块，用于基于流场压力信息和气压激励通道的通断信息，驱动第三子系统的启动和停止；

第十三模块，用于存储第四模块中飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件动态展示的视频，以及回放飞行器飞行姿态变化和飞行气象环境条件动态展示的视频；

第十四模块，用于存储各气压激励通道的关闭和断开过程数据，以及回放各气压激励通道的关闭和断开过程数据；

第十五模块，用于调节飞行器大气数据传感器压力受感器安装姿态与飞行器模拟在俯仰、横滚、偏航和速度姿态保持一致；

第十六模块，用于模拟加温电源的接通和断开；

第十七模块，用于根据大气数据传感器的压力受感器表面结冰信息和压力感受信息，存储与回放通过飞行器大气数据传感器压力受感器监控得到的模拟气象环境适应数据。

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