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1、(10)申请公布号 CN 103984854 A (43)申请公布日 2014.08.13 CN 103984854 A (21)申请号 201410181112.1 (22)申请日 2014.04.27 G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 中国航空工业集团公司沈阳飞机设 计研究所 地址 110035 辽宁省沈阳市皇姑区塔湾街 40 号 (72)发明人 王允辉 张秀林 杨宁 朱家兴 (74)专利代理机构 北京慕达星云知识产权代 理事务所 ( 特殊普通合伙 ) 11465 代理人 高原 (54) 发明名称 一种海洋大气环境建模仿真方法 (57) 摘要 一种海洋大气环境建模仿真。
2、方法， 属于仿真 技术领域， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 第一， 构 建海洋大气环境数学模型 ： 以速度形式表达扰动 量， 并且包括自由大气紊流分量、 海洋大气受船舶 扰动稳态分量、 海洋大气受船舶扰动周期分量和 海洋大气受船舶扰动随机分量四个组成部分 ； 第 二， 建立仿真。 本发明主要应用于海面飞行飞机控 制律设计、 校核与飞行模拟仿真试验中， 对于飞机 控制律设计与评估不可缺少， 因此对其需求迫切。 本项发明设计简单、 内容全面、 通用性强、 应用范 围广， 在飞机的设计上有广泛的应用前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共。
3、和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书3页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103984854 A CN 103984854 A 1/2 页 2 1. 一种海洋大气环境建模仿真方法， 其特征在于 , 包括如下步骤 ： 第一， 构建海洋大气环境数学模型 海洋大气环境对海上飞机的影响以速度形式体现， 具体组成如下 ： 自由大气紊流分 量 ； 海洋大气受船舶扰动稳态分量 ； 海洋大气受船舶扰动周期分量 ； 海洋大气受船 舶扰动随机分量 ； 具体公式如下 ： 自由大气紊流分量是由大气自身扰动产生， 与飞机相对位置无关， 其空间频谱如下 ： 输入与输出空间频谱之间关系可以表。
4、示为 ： c() G*(i)r()G(i) 由于输入白噪声为单位空间频谱， 所以可以简化为 c() |G(i)|2 G*(i)G(i) 则可以通过自由大气紊流空间频谱解析出传递函数 G(s)， 进而得到自由大气紊流速度 分量 u1、 v1、 w1； 海洋大气受船舶扰动稳态分量是由海面船舶运动产生， 包括船尾后减小的稳态风， 与 占优势的上洗气流， 均为距离的函数 ； 海洋大气受船舶扰动周期分量是由海面船舶运动纵、 横摇运动产生， 和船舶运动一样 是周期性的， 扰动主要表现为船舶拖出的涡， 具体周期性扰动分量如下 ： u3=3Vw/d(2.22+0.0009L)C w3=3Vw/d(4.98+0。
5、.0018L)C 式中 ： wp船舶纵倾频率， 单位rad/s ； s船舶纵倾幅度， 单位rad ； P随机相位， 单 位 rad ； 海洋大气受扰随机分量是由于海面船舶的存在而造成的随机大气紊流， 其功率谱如 权 利 要 求 书 CN 103984854 A 2 2/2 页 3 下 ： 式中 ： (L) 均方根幅值， 单位 ft/s ； (L) 时间常数， 单位 s ； 综上， 海洋大气环境纵向速度包括四部分 ： 自由大气紊流分量， 海洋大气受船舶扰动稳 态分量、 海洋大气受船舶扰动周期分量和海洋大气受船舶扰动随机分量 ； 而横侧速度模型 只包含自由大气紊流分量和海洋大气受船舶扰动随机分量两。
6、部分 ； 第二， 仿真方法 依据海洋大气环境数学模型， 将自由大气紊流分量、 海洋大气受船舶扰动稳态分量、 海 洋大气受船舶扰动周期分量和海洋大气受船舶扰动随机分量独立建模， 并综合成为海洋大 气环境综合仿真模块 ； 综合成的海洋大气环境综合仿真模块输入为海上飞机与海面船舶纵 摇中心距离、 船舶表面风速、 飞机速度、 船舶俯仰运动幅值和频率， 输出为海洋大气环境沿 地轴坐标系各轴的扰动速度分量。 权 利 要 求 书 CN 103984854 A 3 1/3 页 4 一种海洋大气环境建模仿真方法 技术领域 0001 本发明属于仿真技术领域， 具体涉及一种海洋大气环境建模仿真方法。 背景技术 00。
7、02 飞机在海洋上空近海面飞行时， 需要考虑海洋大气环境对飞行安全的影响。以往 的飞机研制中， 没有考虑过海洋大气环境影响， 所以需要开展对海洋大气环境研究。 发明内容 0003 本发明的目的是 ： 0004 本发明针对海上航行飞机， 提供一种海洋大气环境的建模仿真方法， 用于飞机控 制律设计、 校核与飞行模拟过程中， 对飞机海上飞行时， 受海洋大气环境影响情况进行仿真 分析。 0005 本发明的技术方案是 ： 0006 一种海洋大气环境建模仿真方法， 其特征在于， 以速度形式表达扰动量， 并且包括 自由大气紊流分量、 海洋大气受船舶扰动稳态分量、 海洋大气受船舶扰动周期分量和海洋 大气受船舶。
8、扰动随机分量四个组成部分， 0007 具体实施步骤如下 ： 0008 第一， 构建海洋大气环境数学模型。 0009 海洋大气环境对海上飞机的影响可以认为是一种外界扰动， 扰动影响以速度形式 体现， 具体组成如下 ： 自由大气紊流分量 ； 海洋大气受船舶扰动稳态分量 ； 海洋大气 受船舶扰动周期分量 ； 海洋大气受船舶扰动随机分量。 0010 总的海洋大气扰动速度由自由大气紊流分量、 海洋大气受船舶扰动稳态分量、 海 洋大气受船舶扰动周期分量和海洋大气受船舶扰动随机分量产生的各部分速度相加计算 所得， 具体公式如下 ： 0011 0012 uWg、 vWg、 wWg为总的海洋大气扰动速度分量 ；。
9、 0013 u1、 v1、 w1为自由大气紊流速度分量 ； 0014 u2、 w2为海洋大气受船舶扰动稳态速度分量 ； 0015 u3， w3为海洋大气受船舶扰动周期速度分量 ； 0016 u4， v4， w4为海洋大气受船舶扰动随机速度分量。 0017 自由大气紊流分量是由大气自身扰动产生， 与飞机相对位置无关， 其空间频谱如 说 明 书 CN 103984854 A 4 2/3 页 5 下 ： 0018 0019 自由大气紊流可以认为是一个随机过程， 根据随机过程生成的一般原理， 需要一 个传递函数为 G(s) 的环节， 将白噪声 r(t) 的输入变为有色噪声随机过程 x(t)， 如图 1。
10、 所 示。在紊流的数值解析中， 白噪声 r(t) 为沿地面坐标系各轴的单位速度分量， 有色噪声 x(t) 为紊流沿地面坐标系各轴的速度分量。 0020 输入与输出空间频谱之间关系可以表示为 ： 0021 c() G*(i)r()G(i) 0022 由于输入白噪声为单位空间频谱， 所以可以简化为 0023 c() |G(i)|2 G*(i)G(i) 0024 则可以通过自由大气紊流空间频谱解析出传递函数 G(s)， 进而得到自由大气紊流 速度分量 u1、 v1、 w1。 0025 海洋大气受船舶扰动稳态分量是由海面船舶运动产生， 包括船尾后减小的稳态 风， 与占优势的上洗气流， 它们都是距离的函。
11、数。图 2 示出稳态风 u2/Vw/d和 w2/Vw/d与运动 船舶纵倾中心后的位置的函数关系。其中， Vw/d为船舶表面风速度。坐标原点在船舶纵倾中 心处， 从船尾沿船舶航行速度向前 x 为正， 向后为负。 0026 海洋大气受船舶扰动周期分量是由海面船舶运动纵、 横摇运动产生， 和船舶运动 一样是周期性的， 扰动主要表现为船舶拖出的涡， 具体周期性扰动分量如下 ： 0027 u3=3Vw/d(2.22+0.0009L)C 0028 w3=3Vw/d(4.98+0.0018L)C 0029 0030 式中 ： wp船舶纵倾频率， 单位 rad/s ； s船舶纵倾幅度， 单位 rad ； P 。
12、随机相 位， 单位 rad。 0031 海洋大气受扰随机分量是由于海面船舶的存在而造成的随机大气紊流， 其功率谱 如下 ： 0032 0033 说 明 书 CN 103984854 A 5 3/3 页 6 0034 式中 ： (L)均方根幅值， 单位ft/s ； (L)时间常数， 单位s， 具体数值如图3 所示。 0035 综上所述， 海洋大气环境纵向速度包括四部分 ： 自由大气紊流分量， 海洋大气受船 舶扰动稳态分量、 海洋大气受船舶扰动周期分量和海洋大气受船舶扰动随机分量 ； 而横侧 速度模型只包含自由大气紊流分量和海洋大气受船舶扰动随机分量两部分。 0036 第二， 仿真方法 ： 003。
13、7 依据海洋大气环境数学模型， 将自由大气紊流分量、 海洋大气受船舶扰动稳态分 量、 海洋大气受船舶扰动周期分量和海洋大气受船舶扰动随机分量独立建模， 并综合成为 海洋大气环境综合仿真模块， 如图 4 和图 5 所示。综合成的海洋大气环境综合仿真模块输 入为海上飞机与海面船舶纵摇中心距离、 船舶表面风速、 飞机速度、 船舶俯仰运动幅值和频 率， 输出为海洋大气环境沿地轴坐标系各轴的扰动速度分量。 0038 本发明的优点是 ： 0039 本发明主要应用于海面飞行飞机控制律设计、 校核与飞行模拟仿真试验中， 对于 飞机控制律设计与评估不可缺少， 因此对其需求迫切。本项发明设计简单、 内容全面、 通。
14、用 性强、 应用范围广， 在飞机的设计上有广泛的应用前景。 附图说明 0040 图 1 是本发明的随机过程生成原理图。 0041 图 2 是本发明的海洋大气受船舶扰动稳态分量。 0042 图 3 是本发明的海洋大气受船舶扰动随机分量扰流时间常数和平方差。 0043 图 4 是本发明的海洋大气环境仿真模块结构。 0044 图 5 是本发明的海洋大气环境的仿真模型。 0045 图 6 是本发明的海洋大气环境仿真结果。 具体实施方式 0046 根据仿真模型输入， 假设海面船舶纵摇幅值为 2， 频率为 0.698rad/s， 飞机的进 舰速度为 65m/s， 海面船舶航行速度， 即 Vw/d为 18m。
15、/s， 飞机初始位置到海面船舶纵摇中心的 距离为 800m， 由于海洋大气环境是由自由大气紊流、 海洋大气环境受船舶扰动稳态分量、 海 洋大气环境受船舶扰动周期分量和海洋大气环境受船舶扰动随机分量求和所得， 所以其仿 真结果不可预估， 但其幅值变化范围变化不大。海洋大气环境风场的仿真结果如图 6 所示。 0047 由仿真结果可见， 海洋大气环境的横侧向的分量幅值较小， 对飞机的影响也会相 对较小， 其对飞机的影响将主要由纵向的分量决定。 说 明 书 CN 103984854 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103984854 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103984854 A 8 3/3 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 103984854 A 9 。