臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法
2023-06-07 22:13:36
專利名稱：臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法
技術領域：
本發明涉及臨近空間飛行器技術，涉及航空航天領域的模型驗證問題。主要涉及臨近空間飛行器複雜模型的定性、定量模型驗證。具體講，涉及臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法。
背景技術：
臨近空間飛行器結構設計、材料特性、力學特性、高速空氣流體對機體的影響都不同於彈體飛行器或傳統的飛行器。為了詳細而清晰的描述臨近空間飛行器運動規律，需要在建模過程中全面描述高超聲速流體特性、發動機特性、結構彈性特性、氣動/推進/結構耦合特性、執行機構特性等。模型驗證工作是建模工作的後續研究內容，一方面，建模過程會存在誤差，雖然建模工作者希望將模型建立的越精確越好，但是要求建模人員給出完全吻合實際模型輸出特性的數學模型是不現實的。所建立的模型總會與真實模型之間存在差異。另一方面，模型簡化過程會使得模型簡單化，同時不可避免的引入了模型誤差，使得簡化模型與原始模型之間存在差異。此外，由於外界環境的未知因素，參數誤差和測量誤差等，也會造成最終提供給使用者的數學模型偏離真實系統模型。因此需要研究模型驗證理論，來評判所建立模型與真實模型之間差別的大小，並以此評價模型的可靠性。早期的建模人員已經意識到應該採取一定的措施說明自己提供的數學模型的有效性，大多採用的方法為將建立的模型輸出與真實模型輸出以圖形的形式進行直觀對比，或者僅僅從模型的某個部分入手(如發動機、執行器等)做數據的比較分析，並沒有形成一套適用於臨近空間飛行器的獨立的模型驗證理論體系。更沒有從模型使用者的角度，從整體系統性能的角度全面考慮所建立模型的可靠性、一致性以及安全性。然而，建立獨立的適用於臨近空間數學模型的模型驗證理論體系是必要的，原因主要有以下三個方面:①建模工作人員使用的理論多為機理分析或模擬風洞試驗方法，如果是模型簡化工作還將應用其他理論思路，而模型驗證工作將不會受到建模方法的約束，不依賴於這些理論體系。②建立一套獨立的模型驗證理論體系，可以使得模型驗證工作更加客觀公正，廣泛應用於評價模型的工作。③不僅建模人員關注數學模型能否反映真實模型，模型的使用者往往更加關心建模人員提供模型的可靠性，因此，需要獨立的模型驗證理論客觀的連接建模工作人員和模型使用人員。因此，模型驗證理論的研究與發展，不僅將有助於建模工作的發展，更將為模型的可靠使用提供理論依據。目前，模型驗證工作的研究剛剛起步尚未與建模工作脫離，特別是針對複雜的臨近空間飛行器，缺乏合適的模型驗證方法，同時迫切需要一個適用於臨近空間飛行器實際系統需求的能夠給出定性及定量分析結果的模型驗證理論體系。該項技術可以為建模工作提供模型驗證角度的反饋建議，為控制提供設計和決策依據，從而能夠為飛行器最終的安全、穩定、可靠飛行提供保證
發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，提供基於臨近空間飛行器模型動態時序輸出的，系統級的一致性檢驗的新型模型驗證體系。給出基於蒙特卡洛方法的定性模型驗證的同時，分別從分布規律、發展趨勢、距離空間的角度給出基於時域分析的定量模型驗證，最後對模型進行風險分析，全面的對待驗證模型進行一致性的檢驗，並給出直觀的驗證準則，為達到上述目的，本發明採取的技術方案是:臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，包括如下步驟:①基於蒙特卡洛仿真方法對其進行定性驗證，回答待驗證模型能否如實反應原始模型的動態特性的問題；②基於時域分析方法的定量模型驗證，分別從分布規律、發展趨勢、距離空間三個角度，以定量的形式全面給出待驗證模型與原始模型一致性檢驗基於風險分析的定量模型驗證，將模型參數視為風險，給出直觀的定量模型驗證準則，當存在多個待驗證模型時給出模型比較標準，並驗證模型能否安全使用以並給出安全使用的範圍。步驟①進一步具體為:首先依據包括不確定參數的具體物理含義和獲取途徑確定其分布規律，並依據3 6原則，確定參數的取值範圍，確定蒙特卡洛仿真次數後，每次仿真都按照這些參數的隨機分布規律隨機取值，生成輸出曲線族；然後定性比較原始模型輸出數據的曲線與待驗證模型輸出數據曲線族，如果二者差異較大，則需要進一步修正模型，如果二者差異不大，說明簡化模型的輸出能夠反映原始模型輸出的統計特性；進而，進行蒙特卡洛仿真收斂性分析，獲取關於簡化模型的一族輸出曲線，對於在90%之外的輸出值,稱之為輸出量的邊界值，這個區域就稱為邊界範圍，在這個邊界範圍裡隨機選取若干輸出結果，並取出這幾組輸出所對應的敏感不確定組合的值，利用這些不確定組合的值以及其對應的仿真次數，即可進行進一步的飛行器在迴路仿真。步驟②進一步具體為:首先，採用置信區間一致性檢驗方法，從統計分布規律的角度，結合統計推斷中假設檢驗的方法，定量判斷待驗證動態時序輸出數據分布規律的一致性；其次，採用灰色關聯分析方法，從發展趨勢和空間形態的角度，對於響應曲線一致性進行評估；最後，採用距離檢驗方法，從空間距離角度，運用統計分析與假設檢驗方法，給出響應曲線距離一致性檢驗結果。分別從分布規律、發展趨勢和距離空間三個角度對待驗證模型動態時序輸出進行定量時域驗證具體步驟為:①檢驗分布規律一致性:獲取原始模型樣本輸出序列X= {x(t), t = I, 2， , n}和簡化模型樣本組輸出序列Yi = (Yi (t)，t = I, 2，…，n}，i = I, 2，…，m,樣本數量滿足統計需求，其中n代表原始模型及簡化模型輸出採樣點數，m代表簡化模型輸出樣本個數，逐點計算每一時刻的置信區間大小，重複此過程，完成每一個時刻的置信區間計算，對於t時刻數據進行Jarque-Bera統計量檢驗，如果數據滿足正態分布，則按如下方法構造統計量計算t時刻的置信區間，首先定義簡化模型輸出樣本均值和方差如下所示:
權利要求
1.一種臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，其特徵是，包括如下步驟:①基於蒙特卡洛仿真方法對其進行定性驗證，回答待驗證模型能否如實反應原始模型的動態特性的問題；②基於時域分析方法的定量模型驗證，分別從分布規律、發展趨勢、距離空間三個角度，以定量的形式全面給出待驗證模型與原始模型一致性檢驗基於風險分析的定量模型驗證，將模型參數視為風險，給出直觀的定量模型驗證準則，當存在多個待驗證模型時給出模型比較標準，並驗證模型能否安全使用以並給出安全使用的範圍。
2.如權利要求1所述的臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，其特徵是，步驟①進一步具體為:首先依據包括不確定參數的具體物理含義和獲取途徑確定其分布規律，並依據3 6原則，確定參數的取值範圍，確定蒙特卡洛仿真次數後，每次仿真都按照這些參數的隨機分布規律隨機取值，生成輸出曲線族；然後定性比較原始模型輸出數據的曲線與待驗證模型輸出數據曲線族，如果二者差異較大，則需要進一步修正模型，如果二者差異不大，說明簡化模型的輸出能夠反映原始模型輸出的統計特性；進而，進行蒙特卡洛仿真收斂性分析，獲取關於簡化模型的一族輸出曲線，對於在90%之外的輸出值,稱之為輸出量的邊界值，這個區域就稱為邊界範圍，在這個邊界範圍裡隨機選取若干輸出結果，並取出這幾組輸出所對應的敏感不確定組合的值，利用這些不確定組合的值以及其對應的仿真次數，即可進行進一步的飛行器在迴路仿真。
3.如權利要求1所述的臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，其特徵是，步驟②進一步具體為:首先，採用置信區間一致性檢驗方法，從統計分布規律的角度，結合統計推斷中假設檢驗的方法，定量判斷待驗證動態時序輸出數據分布規律的一致性；其次，採用灰色關聯分析方法，從發展趨勢和空間形態的角度，對於響應曲線一致性進行評估；最後，採用距離檢驗方法，從空間距離角度，運用統計分析與假設檢驗方法，給出響應曲線距離一致性檢驗結果。
4.如權利要求1所述的臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，其特徵是，分別從分布規律、發展趨勢和距離空間三個角度對待驗證模型動態時序輸出進行定量時域驗證具體步驟為: ①檢驗分布規律一致性:獲取 原始模型樣本輸出序列X= {x (t)，t = 1，2，…，n}和簡化模型樣本組輸出序列Yi = (Yi (t), t = 1，2，…，n}，i = I, 2，…，m,樣本數量滿足統計需求，其中n代表原始模型及簡化模型輸出採樣點數，m代表簡化模型輸出樣本個數，逐點計算每一時刻的置信區間大小，重複此過程，完成每一個時刻的置信區間計算，對於t時刻數據進行Jarque-Bera統計量檢驗，如果數據滿足正態分布，則按如下方法構造統計量計算t時刻的置信區間，首先定義簡化模型輸出樣本均值和方差如下所示:
5.如權利要求1所述的臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，其特徵是，將模型不確定參數視為風險因素，從模型使用者的角度驗證模型能否安全使用，
全文摘要
本發明涉及臨近空間飛行器技術。為提供基於臨近空間飛行器模型動態時序輸出的，系統級的一致性檢驗的新型模型驗證體系，給出基於蒙特卡洛方法的定性模型驗證的，對模型進行風險分析，全面的對待驗證模型進行一致性的檢驗，並給出直觀的驗證準則，本發明採取的技術方案是臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，包括如下步驟①基於蒙特卡洛仿真方法對其進行定性驗證；②基於時域分析方法的定量模型驗證；③基於風險分析的定量模型驗證，將模型參數視為風險，給出直觀的定量模型驗證準則，當存在多個待驗證模型時給出模型比較標準，並驗證模型能否安全使用以並給出安全使用的範圍。本發明主要應用於臨近空間飛行器設計。
文檔編號G06F17/50GK103150446SQ20131009320
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者宗群, 曾凡琳, 陶陽, 尤明, 曲照偉 申請人:天津大學