基于作战仿真的飞机飞行仿真模型设计及应用.docx

          基于作战仿真的飞机飞行仿真模型设计及应用                    【摘 要】飞机飞行仿真是作战仿真平台的关键技术之一能够准确的模拟飞机在作战飞行中的航迹、姿态和性能参数等数据，就可以更加准确的对飞机性能和作战效能进行评估本文利用飞机六自由度动力学非线性模型，通过航线规划和自动飞行控制律实现了飞机的飞行仿真仿真结果表明，能够满足作战仿真在实时、准确和三维显示等方面的要求关键词】作战仿真、飞行仿真、六自由度、自动飞控1 引言当前，随着军备和信息技术的快速发展，作战仿真受到了部队及相关研究单位的广泛重视通过作战仿真，可以对未来空战的作战装备、作战理念进行研究、试验和评估同时，也为相关研究单位进行型号预研论证和验证评估提供支撑，其对飞机飞行性能、作战效能和武器效能的评估大有帮助飞行仿真是作战仿真的关键技术之一，用于作战仿真的飞行仿真主要有两种方法一种是利用多段航迹组合的简化近似方法,优点是建模简单，计算快速；缺点是精度较低，无法提供实时姿态信息本文采用的是另一种方法，即利用飞机六自由度非线性模型，通过自动飞行控制律实现“人不在回路”的全数字仿真，仿真精度和实时性均能满足要求。

2 飞行仿真总体架构作战仿真平台通过想定给出航路点信息，飞行仿真模块需要按照给定顺序，以指定的速度飞经航路点，并提供过程中飞机机动的飞行轨迹、姿态和油耗等信息，用于分析验证想定的可行性和评估飞机以及武器的作战效能最终通过三维显示，直观的进行展示飞行仿真模块总体架构见图1，主要包括飞机六自由度非线性仿真模型、自动飞行控制系统和航线规划三部分下面将分别对这三部分展开介绍图1 飞行仿真模块架构2.1 飞机六自由度非线性模型本文使用Simulink进行飞机六自由度非线性仿真模型的搭建，其已经整合的通用六自由度动力学解算模块，可用于快速搭建目标飞机的动力学模型主要需要进行目标飞机气动力模型、发动机推力油耗模型和质量特性模型的搭建，如图2气动模型利用目标飞机风洞试验数据，通过飞机飞行状态插值计算得每一时刻的飞机六自由度气动力和气动力矩；发动机模型通过发动机数据插值表，根据飞机飞行状态和油门位置插值得每一时刻的推力和耗油率；质量特性模型根据耗油率实时计算飞机重量，给出飞机当前重力，并插值得惯性矩和惯性积数据最终，六自由度动力学解算模块根据飞机所受合外力实时解算飞机当前飞行状态，提供飞机随时间的姿态、速度和位置等信息。

图2 飞机六自由度非线性模型2.2 自动飞行控制系统当飞行员不在回路进行控制时，需要飞机自行完成给定高度、速度的平飞、爬上、下降，以及给定姿态的盘旋和转弯等动作为此，需要开发一套自动飞行控制律1）高度保持和速度保持高度保持通过升降舵控制飞机俯仰运动实现，控制律框图见图3给定发动机油门状态时，通过俯仰控制也可实现速度保持，但此时，将无法实现高度保持图3 高度保持、速度保持控制律框图（2）自动油门自动油门通过简单的比例控制反馈实现同时根据当前飞机状态估算在目标状态平飞需要的油门位置，减少因比例反馈造成的速度振荡图4 自动油门控制律框图（3）姿态保持本文的姿态保持主要包括滚转角保持和偏航角保持飞机在进行定常盘旋和转弯时，需要保持坡度，即滚转角保持；偏航角保持用于使飞机精确跟踪目标航路点方向姿态保持控制律架构见图5图5 滚转角保持、偏航角保持控制律框图2.3 航线规划航线规划模块通过对比当前飞机状态和下个航路点的信息，自主判断并切换飞机自动飞行模态，从而实现飞机爬升、巡航、转弯和下滑等动作其逻辑架构通过Stateflow状态机搭建，示意如图6图6 航线规划逻辑示意框图（1）爬升和下滑目标飞机爬升方式为给定发动机额定状态通过调整姿态定速爬升，下滑方式为给定发动机慢车状态通过调整姿态定速下滑。

当飞机目前飞行高度与下个目标航路点的高度不同时，将执行爬升或下滑动作给定发动机状态，将目标速度设定为常用爬升、下滑速度，自动飞行控制律切换到速度保持模态，进行定速爬升或下滑2）巡航经过爬升或下滑，当飞机到达目标航路点高度时，将切换到高度保持模态，以目标航路点高度为目标高度，进行巡航平飞同时自动油门控制律开始工作，将飞行速度快速稳定在目标速度下，直到经过目标航路点3）转弯和航向跟踪如图7所示，根据当前飞机位置和目标航路点位置，可以计算出目标点相对于飞机的偏航角偏差量 ，作为偏航角保持控制律的输入，以达到目标点航向跟踪的目的图7 目标航路点偏航角偏差通常，我们在地面坐标系描述飞机和目标航路点的位置，通过作差，就能得到目标航路点相对飞机的坐标矢量，其在地面坐标系下描述但如图7所示，通常飞机机体坐标系 相对地面坐标系 会偏转一个角度 ，即当前飞机偏航角那么通过坐标转换，可以将 转换到 坐标系，得：则通过矢量 可求得仿真每一时刻目标航路点相对于飞机的偏航角偏差：当偏航角偏差 超过±1°时，先接通滚转角保持控制律，以一定坡度进行转弯，快速调整偏航角本文在 的值为正值时默认以30°滚转角右转弯，当 的值为负值时默认以30°滚转角左转弯。

当偏航角偏差减小到1°以内时，飞机改平，由滚转角保持切换到偏航角保持控制律，利用方向舵微调，进行精确的航向跟踪3 仿真结果与分析通过作战仿真平台XSIM可以给出典型作战想定的目标航路点信息，为了验证飞行仿真结果的正确性，预设的航路点信息见表1表1 预设航路点信息序号经度（°）纬度（°）高度（m）速度（m/s）17040100902704260001803704490002004724490002005744410000220674439000200772429000200871416000180给定飞机初始重量、挂载构型、航向等初始化信息，然后运行飞行仿真程序，图8给出了飞机飞行航迹三维图，图9给出了随时间变化的飞行位置和速度变化图，图10给出了飞行过程中的姿态角变化图图8 飞行三维航迹图图9 飞行位置和速度变化图图10 飞机姿态变化图从仿真计算结果可以看出，从航路起点开始，飞机经过爬升、巡航、转弯、下滑等动作准确按照要求速度到达各个中间航路点，得到了真实的航迹，同时可以实时得到飞机的姿态信息，用于可视化显示4 结论经过测试和实践，文本建立的六自由度飞行仿真模块能够很好的模拟目标飞机作战任务过程中的航迹、姿态和速度等信息，可以为作战仿真平台提供更加真实可靠的飞机飞行数据，对飞机作战效能分析和型号论证评估等提供有力支撑。

5 参考文献[1] 王梦麟,鲁云军.现代作战仿真的主要特点研究.系统仿真学报.2008[2] 李增路,李真.飞机航迹自动生成技术.火力与指挥控制.2002[3] 焦连猛,杨峰等.基于机动动作库的飞机航路飞行仿真研究.2011[4] 王嘉,高正红.飞机航路飞行的自动飞行仿真.飞行力学.2008  -全文完-。