[发明专利]一种高阶大气紊流成型滤波器的设计方法及仿真方法

说明书

本发明公开了一种高阶大气紊流成型滤波器的设计方法及仿真方法，具体包括一种高阶大气紊流传递函数、一种大气紊流离散递推数值算法及其计算机仿真实现步骤。本发明属于飞行仿真领域，目的是提升高空低速飞行状态的飞行器大气紊流仿真及飞行品质分析精度。本发明设计方法的技术方案包括以下三个步骤：采用最小二乘法对角频率形式的Von Karman谱函数进行数值拟合得到有理形式的高阶大气紊流传递函数；采用Tustin变换将第一步的大气紊流传递函数离散得到高精度的大气紊流离散递推数值算法；根据上一步骤的离散递推数值算法设计计算机仿真实现步骤。本发明可用于直升机、固定翼飞机、航天飞机等飞行器在大气紊流中的飞行仿真、飞行品质评估和紊流缓和控制律设计等领域。

技术领域

本发明涉及飞行仿真领域，尤其涉及一种高阶大气紊流成型滤波器的设计方法及仿真方法。

背景技术

各类飞行器在大气层内飞行时经常受到大气紊流的影响，大气紊流的干扰会导致飞行器飞行性能下降、操纵困难，甚至导致驾驶员诱发振荡，危及飞行安全。因此，发展一种高效精确的大气紊流仿真方法对飞行器飞行控制系统设计、飞行品质评估、结构载荷和疲劳预估以及驾驶员培训都有很重要的意义。

Dryden和Von Karman模型是航空航天领域常用的两种大气紊流模型。基于Taylor冻结场假设，Dryden模型由于其有理形式、可以通过简单的共轭分解获得大气紊流传递函数等优点而在各类飞行器飞行仿真中获得广泛的应用。然而Dryden模型的缺点在于其精度较低，Dryden谱函数的有效无量纲频率范围仅为0～10rad，导致基于该模型的飞行器大气紊流仿真在高空低速飞行状态的精度降低，使相关的飞行品质分析可能出现过大的误差。与Dryden模型相比，Von Karman模型在高频段满足Kolmogorov提出的-5/3衰减规律，与实验数据的吻合良好，具有极高的精度。因此，发展一种基于Von Karman模型的大气紊流仿真方法对飞行器飞行仿真和飞行品质分析是有必要的，尤其当飞行器处于高空低速的飞行状态时。

由于其无理形式，将Von Karman模型直接用于飞行器大气紊流仿真并不容易。其中一种思路是首先采用数值拟合的方式得到Von Karman谱函数的有理近似式，然后基于Taylor冻结场假设对有理近似谱函数进行共轭分解，获得有理形式的大气紊流传递函数。然而现有研究得到的大气紊流传递函数的有效无量纲频率范围不高，最大不超过50rad。另外一种思路是采用数学方法直接对Von Karman模型处理实现大气紊流仿真，这类方法包括傅里叶变换/滤波方法，卷积积分法和正弦函数叠加法。然而该种类型方法往往比较复杂，直接用于飞行器飞行仿真较为困难。

发明内容

本发明提供一种高阶大气紊流成型滤波器的设计方法及仿真方法，具体包括一种高阶大气紊流传递函数、一种大气紊流离散递推数值算法及其计算机仿真实现步骤，以提升飞行器在高空低速飞行状态的大气紊流仿真和飞行品质分析精度。

一种高阶大气紊流成型滤波器的设计方法，包括以下步骤：

S1、采用最小二乘法对角频率形式的Von Karman谱函数进行数值拟合得到其高阶有理近似式，然后对有理形式的大气紊流谱函数进行共轭分解，最终得到有理形式的高阶大气紊流传递函数；

S2、采用Tustin变换将共轭分解后的大气紊流传递函数离散得到初步的离散递推数值算法，分析初步算法的频域响应特性，根据分析结果对初步算法进行修正，最终得到高精度的大气紊流离散递推数值算法；

S3、根据S2的高精度大气紊流离散递推数值算法设计计算机仿真实现步骤。

进一步的，所述高阶大气紊流传递函数为：