虚拟试验综合风场环境的建模与应用

吴 扬，王春媛，林连雷

（1.上海卫星工程研究所第十八研究室，上海 200240；

2.上海航天技术研究院第八设计部第九研究室，上海 201109；

3.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150080）

虚拟试验综合风场环境的建模与应用

吴 扬1，王春媛2，林连雷3

（1.上海卫星工程研究所第十八研究室，上海 200240；

2.上海航天技术研究院第八设计部第九研究室，上海 201109；

3.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150080）

根据虚拟试验对复杂风场环境的实际需要，提出了综合风场环境模型的概念。采用面向对象的建模方法建立了综合风场模型框架，对综合风场模型进行了顶层描述。通过静态模型和动态模型描述了虚拟试验综合风场的静态结构和动态行为。设计了通用的综合风场模型接口，使得该模型可以更好的应用到不同的虚拟试验平台中。设计了可扩展的基本风场模型库，保证了综合风场模型的可扩展性。针对基本风场中常见的大气紊流和微下击暴流，分别使用随机过程的方法以及涡环原理模型建立其数学模型，用于实时产生虚拟试验风场数据。最后介绍了该模型在虚拟试验中的一个应用实例，该实例表明，虚拟试验综合风场环境模型可以更好、更灵活的为虚拟试验提供支持。

风场模型；虚拟试验；环境建模；面向对象建模；建模与仿真

0 引 言

虚拟试验是以建模与仿真技术、计算机网络通讯技术、可视化与虚拟现实技术为基础，通过建立虚拟实体与虚拟环境开展的一类试验技术［1］。以虚拟试验代替或部分代替真实试验，可以节约成本、缩短研制周期［2］。

对于飞机、导弹等飞行器的虚拟试验来说，风场环境是不可缺少的环境因素［3－4］。在虚拟试验中建立风场环境模型，可以检验飞行器在不同风场作用下的响应，以便进一步改善、提高飞行器的性能［5］。

现有的风场模型大多是为了满足简单飞行仿真的需要而建立的基本风场模型［6－8］。这种基本风场模型与虚拟试验所需的综合风场模型的区别在于：1）基本风场模型形式比较单一，而综合风场模型则包含了多种风场形式，可能是多种基本风场的叠加、组合，模型的内部逻辑、操作也比较复杂。2）简单风场模型是针对特定的飞行仿真建立的，只考虑了模型功能的实现，并没有考虑到模型的重用与可扩展性；综合风场模型需要为各种虚拟试验提供服务，需要考虑模型的重用性和可扩展性。

本文根据虚拟试验对综合风场模型的需要，建立了综合风场模型框架，对综合风场从顶层进行了描述，着重描述了综合风场中各种基本风场的特征、组合叠加的方法，以及综合风场的行为属性、对外交互关系等；设计了通用综合风场模型的结构，建立了通用综合风场模型。

1 综合风场模型框架

虚拟试验综合风场模型由基本风场模型库、虚拟试验风场态势库、虚拟试验风场态势编辑管理器、综合风场计算模型以及综合风场模型接口组成，其框架如图1所示。基本风场模型库为虚拟试验综合风场提供各种形式的基本风，主要分为平均风、风切变、大气紊流和离散突风。其中，每一种形式的风场，又可以包含多种模型。例如大气紊流模型包含一维、二维、三维空间大气紊流模型，以及针对非质点模型器模型的大气紊流模型等；风切变模型包括锋面风切变模型、微下击暴流模型、过山气流模型、地面边界层风切变模型等［9］。虚拟试验风场态势库提供虚拟试验中常用的综合风场态势。所谓综合风场态势指的是在飞行器飞行轨迹的不同位置上配置不同的风场，每一种配置方式称为一种态势。综合风场态势可以通过虚拟试验风场态势管理器进行添加、删除及编辑修改等操作。综合风场计算引擎，根据所选的综合风场态势，到数据库中选择相应的风场模型进行叠加、组合，最终得到综合风场数据。虚拟试验综合风场模型通过接口实现与虚拟试验系统及被试样机的交互。

图1 虚拟试验综合风场模型框架

2 综合风场模型描述

2.1 综合风场模型静态结构描述

模型的静态结构描述了模型各个组成部分的行为、属性，模型内部逻辑关系、协作关系，与外部的接口关系等。根据面向对象的建模方法［10］，模型的静态结构可以用类图来描述。综合风场模型主要包括5个类、1个基本风场模型库、1个虚拟试验风场态势库。模型接口类是对环境服务API的抽象和封装的虚基类，模型接口服务接口实现类负责具体实现相应操作。风场态势管理器负责对当前及态势库中的态势进行管理，包括添加态势、删除态势、态势读取、态势存储、态势编辑等操作。其中，态势编辑是通过风场态势编辑器实现的，包括基本风场模型的选择、基本风场模型参数的配置等。综合风场计算引擎根据当前风场态势生成基本风场模型列表和基本风场模型参数列表，然后根据这2个表到基本风场模型库中选择合适的基本风场模型进行叠加、组合，生成所需的综合风场。使用UML语言［10］建立综合风场模型的静态类图如图2所示。

2.2 综合风场模型动态行为描述

综合风场模型动态行为外部动态行为和内部动态行为。

综合风场模型的外部动态行为是与虚拟试验系统、被试样机的动态交互（如图3所示）。首先由虚拟试验系统创建综合风场环境，然后启动被试样机开始仿真。在一个仿真节拍内，综合风场环境与被试样机之间的交互过程如下：1）被试样机实时向综合风场环境提供位置信息；2）综合风场环境计算被试样机所在位置的风场信息返回给被试样机；3）被试样机更新自身状态。其中，被试样机与综合风场环境的交互不是直接进行的，而是通过与虚拟试验系统的接口完成的。

图2 综合风场模型静态类图

图3 综合风场模型的外部动态行为

综合风场模型内部动态行为是指模型内部的信息交互、调用、协作等（如图4所示）。操作人员通过风场态势管理器编辑修改当前风场态势，综合风场计算引擎根据当前态势到基本风场模型库中选择相应的基本风场模型进行装载。然后根据被试样机的位置信息，计算被试样机当前受到的风力、风向等信息。

图4 综合风场模型的内部动态行为

3 综合风场模型的通用性与可扩展性设计

3.1 综合风场模型的通用性设计

当前的大型虚拟试验系统大多是按照高层体系结构（HLA）、试验与训练使能体系结构（TENA）标准建立的［11］。还有部分早期的系统是根据分布交互式仿真（DIS）协议建立的。为了使综合风场环境模型能够适应不同体系结构的虚拟试验系统，综合风场环境模型接口以API的方式为虚拟试验系统提供服务。服务操作内容主要包括：仿真控制类服务、态势编辑类服务、资源管理类服务、公共环境信息类服务等，其服务主要操作如表1所示。

表1 环境服务主要操作

综合风场环境模型以COM接口的方式提供功能服务。COM组件具有跨平台、跨语言优点，能被任何一种语言写成的客户程序调用，并以GUID（global unique identifier，全球唯一标识符）来标识，能够适应各种体系结构的虚拟试验系统。

综合风场环境模型可用于支持构建本地虚拟试验系统和分布式虚拟试验系统。当接入本地虚拟试验系统时，可以直接调用COM接口使用相关综合风场环境服务功能；当接入分布式虚拟试验体系结构时，可以采用COM与DIS、HLA、TENA之间的通信代理进行服务转接，如图5所示。通信代理完成各种分布式系统的接口和COM接口的转接。当接入其它各种规范和接口的分布式系统结构时，只需要遵循分布式系统接口和COM接口之间进行相关通信转接代理，即可使该支撑软件支持相应分布式结构。

3.2 综合风场模型的可扩展性设计

目前，对于基本风场模型的建模研究，仅仅集中在几种特定的风场形式上，如大气紊流模型、微下击暴流模型、过山气流等。日后，随着研究的深入，必定会有更多种类的基本风场模型加入到综合风场模型中来。为了保证综合风场环境模型的可扩展性，将综合风场模型中的基本风场模型库与模型本身分离开来，并将其设计成一个开放的结构，其中的模型均以动态链接库的形式加载。

图5 环境服务接口代理

4 基本风场数学模型建立

4.1 大气紊流模型

风和紊流往往是同时出现的，大气紊流模型是虚拟试验中一种常用的基本风场模型。对大气紊流建模采用随机过程的方法，即将白噪声r通过一个成形滤波器G，通过选用合适的滤波器参数，使得输出w满足所需的大气紊流频谱。

根据数字信号处理中的相关原理，有：

而白噪声的频谱为常值，令其为单位值，所以输出频谱为：

按照公式（2）对大气紊流频谱进行共轭分解，从而确定成形滤波器的参数。然后根据成形滤波器，得到一个差分形式的输出大气紊流值的递推式，如下式：

其中，a、σ可以根据成形滤波器表达式确定。

至此，当给定大气紊流初值w0时，则可以根据式（3）得到整个大气紊流序列。

4.2 微下击暴流模型

微下击暴流是低空风切变的一种形式，会对飞行器的飞行产生严重的影响。常用的微下击暴流模型是涡环原理模型。涡环流线方程的一般表达式为：

其中，Γ为涡环强度；r1、r2分别为空间任意一点到涡环涡丝的最大、最小距离。

x，y，z为空间任意一点坐标，H、R为涡环的高度和半径，X，Y为涡环中心轴的坐标，F（λ）、E（λ）为椭圆积分。计算椭圆积分时可以采用下式逼近：

设主涡环与镜像涡环的流线方程表示为ψP和ψI，则总的流线方程为二者的叠加：

对ψP和ψI分别用式（4）～式（8）计算，并将结果代入到式（9）中，得到：

单涡环微下击暴流模型的速度场可以根据ψΣ由以下诱导公式计算：

5 综合风场环境模型在虚拟试验中的应用

在综合风场模型的基本风场模型库中建立平均风模型和大气紊流模型，以HIT-GPTA支撑软件平台为运行支撑平台，以某型号导弹虚拟原型为试验对象进行虚拟试验，来研究综合风场环境模型在虚拟试验中的应用情况。

虚拟试验中设计了6种虚拟试验风场态势来研究不同的风场对导弹飞行的影响。表2为6种态势的详细设置。其中，坐标为“北天东”坐标系下坐标，导弹的飞行方向为正北偏东。

表2 风场态势列表

将以上6种风场态势分为2组试验，第一组试验包括态势1、2、3、4，主要研究不同方向不同强度的平均风对导弹飞行的影响；第二组试验包括态势1、5、6，主要研究不同类型的风场对导弹飞行的影响。

表3为第一组试验的试验结果。从表中可以看出，在风向相同的情况下，风力越大其脱靶量越大，这一规律与具体的风向无关；但是对于弹道的最大高度，不同风向的平均风的影响规律是不一样的。对于北方吹来的平均风，风速越大其弹道最大高度越大；对于垂直向下的平均风，风速越大气弹道高度越小。这是因为导弹的飞行方向大致为东北方向，北风作用在导弹上可以分解为一个侧向风和一个逆风。在逆风的作用下导弹升力增加，故风力越大弹道最大高度越大。而对于垂直向下的平均风来说，必然会使弹道最大高度降低。

表3 不同平均风影响下的导弹飞行结果

图6为不同平均风作用下导弹弹道在3个坐标面上的投影。从图中可以看出，在导弹的爬升阶段，弹道受风的影响比较明显；在攻击目标的阶段，由于末制导的作用，弹道受风的影响并不明显。

图6 不同平均风作用下导弹弹道在3个坐标面的投影

图7是态势1、5、6与无风情况下弹道倾角、弹道偏角曲线的对比。从图中可以看出，对于该型号导弹来说，各种风场对其弹道倾角的影响十分微弱；但是对于弹道偏角，含有大气紊流的风场对其影响是十分明显的。

图7 不同风场态势作用下的弹道倾角、弹道偏角曲线对比

6 结 论

本文设计了一种通用的虚拟试验综合风场环境模型，该模型具有通用接口，通过代理服务可以与多种体系结构的虚拟试验平台连接。在设计模型结构时，将基本风场模型库与模型本身分离开来，使得其具有良好的可扩展性。最后，通过一例实例说明了该模型可以在虚拟试验中良好的应用。

［1］王琼，蔡小斌，杜承烈.分布虚拟试验支撑环境研究［J］.计算机仿真，2008，25（5）：15-19.

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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。

航天支撑技术基金资助项目（2010-HIT-HGD-16）。

吴 扬（1981-），男，黑龙江哈尔滨人，上海卫星工程研究所工程师，博士。