[发明专利]一种海洋大气环境建模仿真方法

摘要

一种海洋大气环境建模仿真方法，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。

主权项

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：①自由大气紊流分量；②海洋大气受船舶扰动稳态分量；③海洋大气受船舶扰动周期分量；④海洋大气受船舶扰动随机分量；具体公式如下：$\left\{\begin{array}{c}{u}_g=u_1+u_2+u_3+u_4\\ v_g=v_1+v_4\\ w_g=w_1+w_2+w_3+w_4\end{array}\right.$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：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{u_1}\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{200}{1+{\left(100\mathrm{\Ω}\right)}^2}\\ {\mathrm{\Φ}}_{v_1}\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{939[1+{\left(400\mathrm{\Ω}\right)}^2]}{[1+{\left(1000\mathrm{\Ω}\right)}^2][1+{\left(\frac{400}{3}\mathrm{\Ω}\right)}^2]}\\ {\mathrm{\Φ}}_{w_1}\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{71.6}{1+{\left(100\mathrm{\Ω}\right)}^2}\end{array}\right.$输入与输出空间频谱之间关系可以表示为：Φ_c(ω)＝G^*(iω)Φ_r(ω)G(iω)由于输入白噪声为单位空间频谱，所以可以简化为Φ_c(ω)＝|G(iω)|²＝G^*(iω)G(iω)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=θ₃V_w/d(2.22+0.0009L)Cw₃=θ₃V_w/d(4.98+0.0018L)C$C=\cos \left\{w_p\right[t(1+\frac{V-V_{w/d}}{0.85V_{w/d}})+\frac{L}{0.85V_{w/d}}]+P\}$式中：w_p＝船舶纵倾频率，单位rad/s；θ_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，其功率谱如下：式中：σ(L)＝均方根幅值，单位ft/s；τ(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。