虛擬試驗綜合風(fēng)場環(huán)境的建模與應(yīng)用

吳 揚(yáng)，王春媛，林連雷

（1.上海衛(wèi)星工程研究所第十八研究室，上海 200240；

2.上海航天技術(shù)研究院第八設(shè)計部第九研究室，上海 201109；

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱 150080）

虛擬試驗綜合風(fēng)場環(huán)境的建模與應(yīng)用

吳 揚(yáng)1，王春媛2，林連雷3

（1.上海衛(wèi)星工程研究所第十八研究室，上海 200240；

2.上海航天技術(shù)研究院第八設(shè)計部第九研究室，上海 201109；

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱 150080）

根據(jù)虛擬試驗對復(fù)雜風(fēng)場環(huán)境的實際需要，提出了綜合風(fēng)場環(huán)境模型的概念。采用面向?qū)ο蟮慕７椒ń⒘司C合風(fēng)場模型框架，對綜合風(fēng)場模型進(jìn)行了頂層描述。通過靜態(tài)模型和動態(tài)模型描述了虛擬試驗綜合風(fēng)場的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為。設(shè)計了通用的綜合風(fēng)場模型接口，使得該模型可以更好的應(yīng)用到不同的虛擬試驗平臺中。設(shè)計了可擴(kuò)展的基本風(fēng)場模型庫，保證了綜合風(fēng)場模型的可擴(kuò)展性。針對基本風(fēng)場中常見的大氣紊流和微下?lián)舯┝?，分別使用隨機(jī)過程的方法以及渦環(huán)原理模型建立其數(shù)學(xué)模型，用于實時產(chǎn)生虛擬試驗風(fēng)場數(shù)據(jù)。最后介紹了該模型在虛擬試驗中的一個應(yīng)用實例，該實例表明，虛擬試驗綜合風(fēng)場環(huán)境模型可以更好、更靈活的為虛擬試驗提供支持。

風(fēng)場模型；虛擬試驗；環(huán)境建模；面向?qū)ο蠼?；建模與仿真

0 引 言

虛擬試驗是以建模與仿真技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、可視化與虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，通過建立虛擬實體與虛擬環(huán)境開展的一類試驗技術(shù)［1］。以虛擬試驗代替或部分代替真實試驗，可以節(jié)約成本、縮短研制周期［2］。

對于飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的虛擬試驗來說，風(fēng)場環(huán)境是不可缺少的環(huán)境因素［3－4］。在虛擬試驗中建立風(fēng)場環(huán)境模型，可以檢驗飛行器在不同風(fēng)場作用下的響應(yīng)，以便進(jìn)一步改善、提高飛行器的性能［5］。

現(xiàn)有的風(fēng)場模型大多是為了滿足簡單飛行仿真的需要而建立的基本風(fēng)場模型［6－8］。這種基本風(fēng)場模型與虛擬試驗所需的綜合風(fēng)場模型的區(qū)別在于：1）基本風(fēng)場模型形式比較單一，而綜合風(fēng)場模型則包含了多種風(fēng)場形式，可能是多種基本風(fēng)場的疊加、組合，模型的內(nèi)部邏輯、操作也比較復(fù)雜。2）簡單風(fēng)場模型是針對特定的飛行仿真建立的，只考慮了模型功能的實現(xiàn)，并沒有考慮到模型的重用與可擴(kuò)展性；綜合風(fēng)場模型需要為各種虛擬試驗提供服務(wù)，需要考慮模型的重用性和可擴(kuò)展性。

本文根據(jù)虛擬試驗對綜合風(fēng)場模型的需要，建立了綜合風(fēng)場模型框架，對綜合風(fēng)場從頂層進(jìn)行了描述，著重描述了綜合風(fēng)場中各種基本風(fēng)場的特征、組合疊加的方法，以及綜合風(fēng)場的行為屬性、對外交互關(guān)系等；設(shè)計了通用綜合風(fēng)場模型的結(jié)構(gòu)，建立了通用綜合風(fēng)場模型。

1 綜合風(fēng)場模型框架

虛擬試驗綜合風(fēng)場模型由基本風(fēng)場模型庫、虛擬試驗風(fēng)場態(tài)勢庫、虛擬試驗風(fēng)場態(tài)勢編輯管理器、綜合風(fēng)場計算模型以及綜合風(fēng)場模型接口組成，其框架如圖1所示?；撅L(fēng)場模型庫為虛擬試驗綜合風(fēng)場提供各種形式的基本風(fēng)，主要分為平均風(fēng)、風(fēng)切變、大氣紊流和離散突風(fēng)。其中，每一種形式的風(fēng)場，又可以包含多種模型。例如大氣紊流模型包含一維、二維、三維空間大氣紊流模型，以及針對非質(zhì)點模型器模型的大氣紊流模型等；風(fēng)切變模型包括鋒面風(fēng)切變模型、微下?lián)舯┝髂Ｐ汀⑦^山氣流模型、地面邊界層風(fēng)切變模型等［9］。虛擬試驗風(fēng)場態(tài)勢庫提供虛擬試驗中常用的綜合風(fēng)場態(tài)勢。所謂綜合風(fēng)場態(tài)勢指的是在飛行器飛行軌跡的不同位置上配置不同的風(fēng)場，每一種配置方式稱為一種態(tài)勢。綜合風(fēng)場態(tài)勢可以通過虛擬試驗風(fēng)場態(tài)勢管理器進(jìn)行添加、刪除及編輯修改等操作。綜合風(fēng)場計算引擎，根據(jù)所選的綜合風(fēng)場態(tài)勢，到數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的風(fēng)場模型進(jìn)行疊加、組合，最終得到綜合風(fēng)場數(shù)據(jù)。虛擬試驗綜合風(fēng)場模型通過接口實現(xiàn)與虛擬試驗系統(tǒng)及被試樣機(jī)的交互。

圖1 虛擬試驗綜合風(fēng)場模型框架

2 綜合風(fēng)場模型描述

2.1 綜合風(fēng)場模型靜態(tài)結(jié)構(gòu)描述

模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)描述了模型各個組成部分的行為、屬性，模型內(nèi)部邏輯關(guān)系、協(xié)作關(guān)系，與外部的接口關(guān)系等。根據(jù)面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ?0］，模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)可以用類圖來描述。綜合風(fēng)場模型主要包括5個類、1個基本風(fēng)場模型庫、1個虛擬試驗風(fēng)場態(tài)勢庫。模型接口類是對環(huán)境服務(wù)API的抽象和封裝的虛基類，模型接口服務(wù)接口實現(xiàn)類負(fù)責(zé)具體實現(xiàn)相應(yīng)操作。風(fēng)場態(tài)勢管理器負(fù)責(zé)對當(dāng)前及態(tài)勢庫中的態(tài)勢進(jìn)行管理，包括添加態(tài)勢、刪除態(tài)勢、態(tài)勢讀取、態(tài)勢存儲、態(tài)勢編輯等操作。其中，態(tài)勢編輯是通過風(fēng)場態(tài)勢編輯器實現(xiàn)的，包括基本風(fēng)場模型的選擇、基本風(fēng)場模型參數(shù)的配置等。綜合風(fēng)場計算引擎根據(jù)當(dāng)前風(fēng)場態(tài)勢生成基本風(fēng)場模型列表和基本風(fēng)場模型參數(shù)列表，然后根據(jù)這2個表到基本風(fēng)場模型庫中選擇合適的基本風(fēng)場模型進(jìn)行疊加、組合，生成所需的綜合風(fēng)場。使用UML語言［10］建立綜合風(fēng)場模型的靜態(tài)類圖如圖2所示。

2.2 綜合風(fēng)場模型動態(tài)行為描述

綜合風(fēng)場模型動態(tài)行為外部動態(tài)行為和內(nèi)部動態(tài)行為。

綜合風(fēng)場模型的外部動態(tài)行為是與虛擬試驗系統(tǒng)、被試樣機(jī)的動態(tài)交互（如圖3所示）。首先由虛擬試驗系統(tǒng)創(chuàng)建綜合風(fēng)場環(huán)境，然后啟動被試樣機(jī)開始仿真。在一個仿真節(jié)拍內(nèi)，綜合風(fēng)場環(huán)境與被試樣機(jī)之間的交互過程如下：1）被試樣機(jī)實時向綜合風(fēng)場環(huán)境提供位置信息；2）綜合風(fēng)場環(huán)境計算被試樣機(jī)所在位置的風(fēng)場信息返回給被試樣機(jī)；3）被試樣機(jī)更新自身狀態(tài)。其中，被試樣機(jī)與綜合風(fēng)場環(huán)境的交互不是直接進(jìn)行的，而是通過與虛擬試驗系統(tǒng)的接口完成的。

圖2 綜合風(fēng)場模型靜態(tài)類圖

圖3 綜合風(fēng)場模型的外部動態(tài)行為

綜合風(fēng)場模型內(nèi)部動態(tài)行為是指模型內(nèi)部的信息交互、調(diào)用、協(xié)作等（如圖4所示）。操作人員通過風(fēng)場態(tài)勢管理器編輯修改當(dāng)前風(fēng)場態(tài)勢，綜合風(fēng)場計算引擎根據(jù)當(dāng)前態(tài)勢到基本風(fēng)場模型庫中選擇相應(yīng)的基本風(fēng)場模型進(jìn)行裝載。然后根據(jù)被試樣機(jī)的位置信息，計算被試樣機(jī)當(dāng)前受到的風(fēng)力、風(fēng)向等信息。

圖4 綜合風(fēng)場模型的內(nèi)部動態(tài)行為

3 綜合風(fēng)場模型的通用性與可擴(kuò)展性設(shè)計

3.1 綜合風(fēng)場模型的通用性設(shè)計

當(dāng)前的大型虛擬試驗系統(tǒng)大多是按照高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）、試驗與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)（TENA）標(biāo)準(zhǔn)建立的［11］。還有部分早期的系統(tǒng)是根據(jù)分布交互式仿真（DIS）協(xié)議建立的。為了使綜合風(fēng)場環(huán)境模型能夠適應(yīng)不同體系結(jié)構(gòu)的虛擬試驗系統(tǒng)，綜合風(fēng)場環(huán)境模型接口以API的方式為虛擬試驗系統(tǒng)提供服務(wù)。服務(wù)操作內(nèi)容主要包括：仿真控制類服務(wù)、態(tài)勢編輯類服務(wù)、資源管理類服務(wù)、公共環(huán)境信息類服務(wù)等，其服務(wù)主要操作如表1所示。

表1 環(huán)境服務(wù)主要操作

綜合風(fēng)場環(huán)境模型以COM接口的方式提供功能服務(wù)。COM組件具有跨平臺、跨語言優(yōu)點，能被任何一種語言寫成的客戶程序調(diào)用，并以GUID（global unique identifier，全球唯一標(biāo)識符）來標(biāo)識，能夠適應(yīng)各種體系結(jié)構(gòu)的虛擬試驗系統(tǒng)。

綜合風(fēng)場環(huán)境模型可用于支持構(gòu)建本地虛擬試驗系統(tǒng)和分布式虛擬試驗系統(tǒng)。當(dāng)接入本地虛擬試驗系統(tǒng)時，可以直接調(diào)用COM接口使用相關(guān)綜合風(fēng)場環(huán)境服務(wù)功能；當(dāng)接入分布式虛擬試驗體系結(jié)構(gòu)時，可以采用COM與DIS、HLA、TENA之間的通信代理進(jìn)行服務(wù)轉(zhuǎn)接，如圖5所示。通信代理完成各種分布式系統(tǒng)的接口和COM接口的轉(zhuǎn)接。當(dāng)接入其它各種規(guī)范和接口的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，只需要遵循分布式系統(tǒng)接口和COM接口之間進(jìn)行相關(guān)通信轉(zhuǎn)接代理，即可使該支撐軟件支持相應(yīng)分布式結(jié)構(gòu)。

3.2 綜合風(fēng)場模型的可擴(kuò)展性設(shè)計

目前，對于基本風(fēng)場模型的建模研究，僅僅集中在幾種特定的風(fēng)場形式上，如大氣紊流模型、微下?lián)舯┝髂Ｐ?、過山氣流等。日后，隨著研究的深入，必定會有更多種類的基本風(fēng)場模型加入到綜合風(fēng)場模型中來。為了保證綜合風(fēng)場環(huán)境模型的可擴(kuò)展性，將綜合風(fēng)場模型中的基本風(fēng)場模型庫與模型本身分離開來，并將其設(shè)計成一個開放的結(jié)構(gòu)，其中的模型均以動態(tài)鏈接庫的形式加載。

圖5 環(huán)境服務(wù)接口代理

4 基本風(fēng)場數(shù)學(xué)模型建立

4.1 大氣紊流模型

風(fēng)和紊流往往是同時出現(xiàn)的，大氣紊流模型是虛擬試驗中一種常用的基本風(fēng)場模型。對大氣紊流建模采用隨機(jī)過程的方法，即將白噪聲r通過一個成形濾波器G，通過選用合適的濾波器參數(shù)，使得輸出w滿足所需的大氣紊流頻譜。

根據(jù)數(shù)字信號處理中的相關(guān)原理，有：

而白噪聲的頻譜為常值，令其為單位值，所以輸出頻譜為：

按照公式（2）對大氣紊流頻譜進(jìn)行共軛分解，從而確定成形濾波器的參數(shù)。然后根據(jù)成形濾波器，得到一個差分形式的輸出大氣紊流值的遞推式，如下式：

其中，a、σ可以根據(jù)成形濾波器表達(dá)式確定。

至此，當(dāng)給定大氣紊流初值w0時，則可以根據(jù)式（3）得到整個大氣紊流序列。

4.2 微下?lián)舯┝髂Ｐ?/h3>

微下?lián)舯┝魇堑涂诊L(fēng)切變的一種形式，會對飛行器的飛行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。常用的微下?lián)舯┝髂Ｐ褪菧u環(huán)原理模型。渦環(huán)流線方程的一般表達(dá)式為：

其中，Γ為渦環(huán)強(qiáng)度；r1、r2分別為空間任意一點到渦環(huán)渦絲的最大、最小距離。

x，y，z為空間任意一點坐標(biāo)，H、R為渦環(huán)的高度和半徑，X，Y為渦環(huán)中心軸的坐標(biāo)，F(xiàn)（λ）、E（λ）為橢圓積分。計算橢圓積分時可以采用下式逼近：

設(shè)主渦環(huán)與鏡像渦環(huán)的流線方程表示為ψP和ψI，則總的流線方程為二者的疊加：

對ψP和ψI分別用式（4）～式（8）計算，并將結(jié)果代入到式（9）中，得到：

單渦環(huán)微下?lián)舯┝髂Ｐ偷乃俣葓隹梢愿鶕?jù)ψΣ由以下誘導(dǎo)公式計算：

5 綜合風(fēng)場環(huán)境模型在虛擬試驗中的應(yīng)用

在綜合風(fēng)場模型的基本風(fēng)場模型庫中建立平均風(fēng)模型和大氣紊流模型，以HIT-GPTA支撐軟件平臺為運(yùn)行支撐平臺，以某型號導(dǎo)彈虛擬原型為試驗對象進(jìn)行虛擬試驗，來研究綜合風(fēng)場環(huán)境模型在虛擬試驗中的應(yīng)用情況。

虛擬試驗中設(shè)計了6種虛擬試驗風(fēng)場態(tài)勢來研究不同的風(fēng)場對導(dǎo)彈飛行的影響。表2為6種態(tài)勢的詳細(xì)設(shè)置。其中，坐標(biāo)為“北天東”坐標(biāo)系下坐標(biāo)，導(dǎo)彈的飛行方向為正北偏東。

表2 風(fēng)場態(tài)勢列表

將以上6種風(fēng)場態(tài)勢分為2組試驗，第一組試驗包括態(tài)勢1、2、3、4，主要研究不同方向不同強(qiáng)度的平均風(fēng)對導(dǎo)彈飛行的影響；第二組試驗包括態(tài)勢1、5、6，主要研究不同類型的風(fēng)場對導(dǎo)彈飛行的影響。

表3為第一組試驗的試驗結(jié)果。從表中可以看出，在風(fēng)向相同的情況下，風(fēng)力越大其脫靶量越大，這一規(guī)律與具體的風(fēng)向無關(guān)；但是對于彈道的最大高度，不同風(fēng)向的平均風(fēng)的影響規(guī)律是不一樣的。對于北方吹來的平均風(fēng)，風(fēng)速越大其彈道最大高度越大；對于垂直向下的平均風(fēng)，風(fēng)速越大氣彈道高度越小。這是因為導(dǎo)彈的飛行方向大致為東北方向，北風(fēng)作用在導(dǎo)彈上可以分解為一個側(cè)向風(fēng)和一個逆風(fēng)。在逆風(fēng)的作用下導(dǎo)彈升力增加，故風(fēng)力越大彈道最大高度越大。而對于垂直向下的平均風(fēng)來說，必然會使彈道最大高度降低。

表3 不同平均風(fēng)影響下的導(dǎo)彈飛行結(jié)果

圖6為不同平均風(fēng)作用下導(dǎo)彈彈道在3個坐標(biāo)面上的投影。從圖中可以看出，在導(dǎo)彈的爬升階段，彈道受風(fēng)的影響比較明顯；在攻擊目標(biāo)的階段，由于末制導(dǎo)的作用，彈道受風(fēng)的影響并不明顯。

圖6 不同平均風(fēng)作用下導(dǎo)彈彈道在3個坐標(biāo)面的投影

圖7是態(tài)勢1、5、6與無風(fēng)情況下彈道傾角、彈道偏角曲線的對比。從圖中可以看出，對于該型號導(dǎo)彈來說，各種風(fēng)場對其彈道傾角的影響十分微弱；但是對于彈道偏角，含有大氣紊流的風(fēng)場對其影響是十分明顯的。

圖7 不同風(fēng)場態(tài)勢作用下的彈道傾角、彈道偏角曲線對比

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種通用的虛擬試驗綜合風(fēng)場環(huán)境模型，該模型具有通用接口，通過代理服務(wù)可以與多種體系結(jié)構(gòu)的虛擬試驗平臺連接。在設(shè)計模型結(jié)構(gòu)時，將基本風(fēng)場模型庫與模型本身分離開來，使得其具有良好的可擴(kuò)展性。最后，通過一例實例說明了該模型可以在虛擬試驗中良好的應(yīng)用。

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［5］劉剛，王行仁，賈榮珍.綜合自然環(huán)境中變化風(fēng)場的工程仿真方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（2）：297-300.

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Modeling and application of synthetic wind field environment for virtual test

WU Yang1，WANG Chunyuan2，LIN Lianlei3

（1.The 18th Research Office，Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 200240，China；
2.The 9th Research Office，The 8th Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology，Shanghai 201109，China；
3.School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China）

According to the requirement of complicated wind field in a virtual test，put forward the concept of Synthetic Wind Field Environment Model（SWFEM）.Build the framework of SWFEM by the Object Oriented Modeling（OOM），and describe the SWF model in high level.Describe the static structure and dynamic actions of SWFEM by static model and dynamic model.Build the atmospheric turbulence model and microburst model by the stochastic processes method and the vortex ring model，which used to produce the wind field data of virtual test real-time.Design a universal interface of the SWFEM，which can make the SWFEM applied in different virtual test bed.Design a extensible basic wind field model base，ensure the extensible character of the SWFEM.Finally introduce a application example.The application example indicates that the SWFEM can support the virtual test better and more neatly.

wind field model；virtual test；environment modeling；object oriented modeling；modeling and simulation

TP391.9

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.03.017

1673-5862（2013）03-0384-07

2013-03-16。

航天支撐技術(shù)基金資助項目（2010-HIT-HGD-16）。

吳 揚(yáng)（1981-），男，黑龍江哈爾濱人，上海衛(wèi)星工程研究所工程師，博士。