24-(5)直升机飞行大气环境建模与仿真-李红金

353 第二十五届（2009）全国直升机年会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 直升机飞行大气环境建模与仿真 李红金1，许丽人2，李 鲲2，郭 鹏1 (1. 陆军航空兵学院飞行理论系，北京 101123； 2.北京市应用气象研究所, 北京 100029 ) 摘 要 大气环境是综合自然环境的重要组成部分。从直升机飞行仿真对大气环境的需求出发，基于大气 环境特点，探讨了大气环境建模与仿真中 4个重要的公共基础技术——大气环境概念参考模型、大气环境 数据模型、大气环境内部模型以及大气环境表示与交换的实现方法。利用区域数值模式 RAMS6.0 对直升 机飞行大气环境进行了数值建模，形成了面向直升机飞行仿真应用的低空大气环境数据模型。 关键词 低空飞行大气环境 建模与仿真 大气环境数据模型 ０ 引言 大气环境是综合自然环境（SNE, Synthetic Nature Environment）的重要组成部分[1, 2]。在现有科技 水平条件下，人类的社会活动、经济活动和军事活动主要发生在大气环境内。随着仿真技术的发展， 各种复杂仿真系统对大气环境的需求日益迫切，大气环境建模与仿真已不再是单纯视景层次上的仿 真，如何将可靠的大气环境纳入到复杂的仿真系统中去，是大气环境建模与仿真的核心内容。 相对空间、海洋和地形环境而言，大气环境具有多分辨率、多天气现象、多要素和时变等特点。 同时，大气环境内部模型的复杂性决定了大气环境建模过程具有很强的针对性和专业性。因此，在 建模与仿真领域，如何界定大气环境的概念和内容，如何设计大气环境数据模型，如何选取、开发 大气环境内部模型，如何表示大气环境数据是大气环境建模与仿真首要解决的公共基础技术。 本文面向直升机飞行训练仿真和交战训练仿真，探讨了大气环境建模与仿真中4个比较重要的公 共基础技术——大气环境概念参考模型、大气环境数据模型、大气环境内部模型、大气环境表示与 交换的实现方法。结合某型直升机的飞行仿真应用需求，基于区域数值模式RAMS（Regional Atmospheric Model）6.0对我国东南沿海地区的低空飞行大气环境进行了数值建模，飞行运动仿真试 验证明了低空飞行大气环境数据模型的可靠性。 1 大气环境建模与仿真中的公共基础技术 1.1 大气环境概念参考模型 大气环境概念参考模型是阐明大气环境建模与仿真概念、内容和原理的高层视图和参考框架，也 是解决大气环境建模与仿真工程实践的必然需求。图 1给出了基于SNE概念参考模型[2]设计的大气环 境概念参考模型。从图可以看到，大气环境可以分为大气环境模型和大气环境与其它仿真系统的交 互作用模型两部分。大气环境模型由大气环境状态模型和大气环境内部模型组成。其中，大气环境 状态模型是用来描述一定时间和空间范围内大气环境状态属性的模型，它使用环境数据模型（EDM, Environmental Data Model）定义仿真应用的各种大气环境对象（要素）；大气环境内部模型则指的是 大气环境状态（要素）在时间和空间上变化的物理模型，它反映了大气环境的内部变化规律。图中， 从左至右的带箭头实线，代表了大气环境模型通过大气效应模型对其他仿真系统影响的数据流；从 右至左的带箭头虚线，代表了其他仿真系统通过影响大气环境的模型对大气环境产生影响的数据流。 在这样设计的大气环境概念参考模型中，大气环境与其他仿真系统模型实现了分离，明确界定了大 气环境建模与仿真的内容；大气环境模型与交互作用模型实现了分离，有利于复杂仿真问题的分割 简化；大气环境内部模型与大气环境数据实现了分离，有利于解决大气环境数据的表示和交换问题， 构建仿真运行的大气环境数据。 354 大气环境 大气环境模型 大气环境状态模型 大气环境内部模型 · 边界层大气 · 对流层大气 · 平流层大气 · 中层大气 · 热层大气 · 外层大气 · 边界层大气数值模式 · 中尺度大气数值模式 · 大气环流模式 · 区域气候大气模式 · …… 大气环境效应 · 气动效应 · 飞行路径 · 电磁波传播 · …… 交互作用模型 对大气环境影响 · 能量 · 障碍物 · 遮蔽 · …… 显示/可视化 被动探测器 CGF 主动传感器 人在回路系统 武器系统 和作战单位 图 1 大气环境概念参考模型 1.2 大气环境数据模型 在SNE中，EDM由特征(Feature)和分别属于不同特征的各种属性(Attribute)构成[2]。它是一个逻 辑模型，不指定运行时的数据结构，也不指定环境的物理模型，而是指定驱动这些模型的参数及这 些模型产生的元素。EDM定义的大气环境属性特征（ATMOSPHERE_ PROPERTY_SET）由风（WIND） 特征、云（CLOUD_LAYER）特征、空气属性（AIR PARAM）特征、电磁属性（ELECTROMAGNETIC _DUCT）特征以及能见度（HAZE）特征构成。这样定义的大气环境数据模型具有较好的通用性，能 满足一般对大气环境精度、时效要求不高层次上的仿真需求。但在诸如飞行运动仿真、战场推演等 对大气环境有较高需求的仿真任务中，就需结合仿真任务设计更为专业的大气环境数据模型。 1.3 大气环境内部模型 大气环境内部模型，主要包括理想模型、统计特征模型以及按照流体力学和大气运动规律设计 的大气数值模型（模式）[3] 在实际仿真应用中，由于 SEDRIS STF不支持动态大气环境数据的描述，同时 SEDRIS STF内约 定的大气环境要素量远远大于大气环境数据模型中定义的环境对象，这直接导致了计算、存储资源 的加大，也不利于交互作用模型应用程序的开发。图 2 给出了一个基于“动态数据柱”概念的大气环 。其中，理想化模型只能表征大气结构的简单近似规律；统计特征模型具 有较好的真实性，但因受观探测资料的严重制约，只适合于对大气环境要素精度要求不高的局地环 境建模；大气数值模型（模式）具有较强的通用性和灵活性，从理论上适合于整个大气环境的建模。 尤其是近年来随着数值预报（模拟）技术的日益提高，该模型（模式）已被广泛用于无缝隙战场大 气环境的建模。 需要指出的是，因受大气科学发展水平的制约，目前还不能找出一个能满足各类仿真需求的通 用大气数值模式，即使是同一模式应用于不同地区还有一个适应性问题。因此，在实际应用中，应 结合大气环境数据模型，在充分考虑建模区大气环境特点的基础上，选取并开发大气环境数值模式。 如前面所说的低空飞行大气环境，在大气科学中实际指边界层与对流层低层的大气环境。该环境中， 大气具有很强的湍流运动特征，与地面有很强的热量和水汽通量交换。所以，在对这一部分大气环 境建模时，应考虑选取对边界层和地面物理过程有较好描述能力的边界层或区域大气数值模式。 1.4 大气环境表示与交换 大气环境的信息格式对所有用户而言应是透明的，不依赖于任何平台。SEDRIS STF（SEDRIS Transmittal Format）[1]支持大气环境数据描述，对使用公共大气环境数据（如美国国家环境预报中心 发布的 NCEP再分析资料）的用户而言，可以使用 SEDRIS API 将 GRIB或 NETCDF码的大气环境 数据转化为 SEDRIS STF格式。对于利用大气数值模式开发大气环境数据者而言，可以自己开发应用 接口，将模式输出数据转化为 SEDRIS STF格式。 355 境数据格式。在该格式中，对于某一时刻的空间某一水平格点，大气环境要素在垂直方向上分层存 储于数据柱中。这种格式有利于动态时刻空间中大气环境数据的查询和读取，可以比较方便地应用 于飞行器的运动仿真，也有利于大气环境环境数据库的设计和开发。 时刻1 经度1、纬度1、高度1、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 经度2、纬度2、高度1、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 …………………………………………………… 经度n、纬度n、高度n、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 时刻2 …………………………………………………… 经度1、纬度1、高度2、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 经度1、纬度1、高度n、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 经度1、纬度1、 … 、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 经度2、纬度2、 … 、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 经度2、纬度2、高度n、东西风速、南北风速、垂直速度、气压、温度 时刻n …………………………………………………… 图 2 “动态数据柱”大气环境数据格式 1.5 大气环境的建模流程 图 3 给出了利用大气数值模式进行大气环境建模的一般流程。在大气环境建模中，首先，应充 分考虑仿真需求设计大气环境数据模型，定义仿真所需的大气环境对象，规定大气环境对象的属性 和允许值；其次，要充分考虑大气科学特点，选取并开发大气环境内部模型，以保证大气环境内部 模型的科学性、合理性，这包括选用合适的大气环境数值模式，结合区域气候和地理特征设计数值 模拟方案，驱动大气数值模式生成大气环境数据，基于观测和大气科学理论对生成的数据验证；再 次，在生成的大量数据中，提取大气环境数据模型定义的大气环境特征。最后，将大气环境数据以 SEDRIS STF或“动态数据柱”格式存储并发布。 大气环境数据模型的设计 大气数值模式的选取与开发 大气数值模拟方案设计 大气环境数据生成 大气环境数据验证 大气环境特征提取 大气环境数据的交换 大气环境内部模型的选取和开发 图 3 大气环境建模流程 2 低空飞行大气环境数据模型设计 在建模与仿真领域，大气环境可以理解为由四维时空（空间三维、时间一维）格点上的大气环 境要素（温、湿、压、风等）构成的一个聚合类。大气环境要素具有明显的场的结构特征，而大气 环境的应用则具有明显的对象特征。因此在构建大气环境数据模型时要同时兼顾对象和场的特征。 图 4 给出了一个面向直升机飞行仿真应用的大气环境数据模型，从中可以看到，飞行大气环境作为 大气环境的一个对象，由各类飞行器的飞行大气环境构成。面向不同的飞行器，构建更有针对性的 大气环境主要是由不同飞行器的气动性能、作战和训练要求决定的。图 4 中将直升机飞行大气环境 356 分为历史天气大气环境、典型天气大气环境和未来天气大气环境三类。其中，典型天气大气环境主 要由对直升机飞行有重要影响的各类灾害性天气过程，如台风天气、暴雨天气、大风天气、寒潮天 气等构成，其目的主要是开展该型低空飞行器对各种典型天气大气环境的适应性试验；历史天气大 气环境主要是用来完成事故分析及大样本的稳定性试验；未来天气大气环境，主要是用来进行任务 规划。在数据模型的最底层是直升机飞行仿真所需的几个大气环境要素。 这样设计的大气环境数据模型可以基本可以满足于直升机飞行仿真的各类应用，具有较强的可 拓展性，同时也有利于大气环境的开发者有针对性地选取并开发大气环境内部模型，完成大气环境 建模。 大气环境（对象） 飞行大气环境（对象） 飞行器1 飞行大气环境 （对象） 直升机 飞行大气环境 （对象） 飞行器n 飞行大气环境 （对象） 典型天气 大气环境（对象） 历史天气 大气环境（对象） 未来天气 大气环境（对象） 台风过程 大气环境 （对象） 其他 大气环境 （对象） 寒潮天气过程 大气环境 （对象） 大风过程 大气环境 （对象） 暴雨过程 大气环境 （对象） 风速 （场） 风向 （场） 垂直速度 （场） 温度 （场） 气压 （场） 密度 （场） 其他要素 （场） 图 4 低空飞行大气环境数据模型 3 低空飞行大气环境数值建模 低空飞行大气环境内部模型是在美国科罗拉多州州立大学大气科学系和地学中心的区域大气模 式——RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）6.0的基础上开发的。RAMS 具有较好的动 力框架和丰富的物理参数化方案，尤其是较为完善的湍流参数化方案、陆面参数化方案、多重网格 双向嵌套方案和四维张弛同化方案，保障了其对边界层过程有较好处理能力[4-5]。低空飞行大气环 境内部模型的具体开发过程可以参见文献[6-7]。 在低空飞行大气环境数值建模过程中，首先，在普查历史天气资料的基础上，遴选出低空飞行 大气环境数据模型中所定义的各类天气过程实例作为数值建模对象。如图 5 以台风大风类天气过程 为例，出了 4 个典型台风过程的路径，从图中可以看到，这几个台风路径既包含了穿越台湾岛，在 东南沿海登陆的过程，也包含了分别经过台湾岛南部、东部和北部的过程。这有利于充分考虑各类 台风环境下东南沿海地区低空大气环境的特点，个例具有较强的代表性。其次，利用基于 RAMS 6.0 开发的低空飞行大气环境内部模型对所选出的个例进行了数值模拟。在验证数值模拟结果合理性的 基础上，提取出低空飞行大气环境数据模型中所定义的大气环境要素（场）。最后，将数值建模结果 以“动态数据柱”格式存储并发布，形成了面向某型低空飞行器的低空大气环境数值模型，并成功应用 于该型低空飞行器的大气环境影响试验。 4 结论 大气环境建模与仿真，是综合自然环境建模与仿真的重要组成部分，也是开展环境影响仿真、 作战任务规划的基础。大气环境建模与仿真作为一门交叉学科，有许多重要的公共基础技术值得研 究。本文结合直升机飞行仿真的需要，对大气环境概念参考模型、大气环境数据模型、大气环境内 357 部模型等几项大气环境建模与仿真中的公共基础技术进行了初步探讨，并对我国东南沿海地区的低 空飞行大气环境进行了数值建模。这项研究工作对于提高大气环境数据和模型的可信性、互操作性 和可重用性具有一定的意义。 参 考 文 献 1 郭刚. 综合自然环境建模与仿真. 国防科学技术大学研究生院博士学位论文, 2004 2 刘卫华, 王行仁, 李宁. 综合自然环境（SNE）建模与仿真. 系统仿真学报, 2004, 16 (12): 2631~2635 3 许丽人等. 大气环境仿真模型初探. 大气环境研究, 2005(17):208~212 4 Pielke R A, et al. A comprehensive meteorological modeling system—RAMS. Meteorol Atmos Phys, 1992 (49) : 61~91 5 Tripoli G J, Cotton W R. The Colorado State University three-dimensional cloud/mesoscale model-1982 Part I: General theoretical framework and sensitivity experiments. J de Rech Atmos, 1982 16): 185~220 6 李鲲等. 东南沿海大气边界层风场数值模拟研究. 大气环境研究, 2006,(18):1~9 7 李鲲等. 区域大气边界层风场建模研究. 系统仿真学报, 2006, 12 (18): 3350~3353 Modeling and Simulation of the Helicopter’s Aero Atmosphere LI Hong-jin1, Xu li-ren2, LI Kun2, DaidingFeng1 (1 Department of Aviation Theory, Army Aviation Academy, Beijing 101123; 2. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029) Abstract: Atmospheric environment is the mayor component of synthetic natural environment (SNE). Sufficing the requirement of atmosphere in helicopter’s aero simulation, four important fundamental technologies—the atmospheric environment conceptual reference model, the atmospheric environment data model, the atmospheric interior model, the representation and exchange of the atmosphere were discussed. Based on the mesoscale atmospheric numerical model-RAMS6.0, the helicopter’s aero atmosphere was simulated and the data model oriented the helicopter’s aero simulation was formed. Keywords: low level atmosphere, modeling and simulation, atmospheric environment data model 图 5 典型台风过程路径