基于osgEarth的简化六自由度飞行仿真

雨泽

在以往的二维态势演示中，除了少数专业应用，飞行器的运动通常使用经/纬/高度和偏航角四自由度线性插值模型进行仿真。近年来，随着仿真平台技术逐渐从二维向三维过渡，传统的线性插值模型在越来越高的分辨率和更新率下，已难以满足用户对三维态势仿真的细腻性和逼真性要求。
精细的飞行器运动仿真涉及动力学、运动学等很多专业知识，其模型算法难以被非飞行器专业人员掌握和使用，尤其是其模型运行所依赖的飞行器外形参数、燃料效率、发动机推力、大气阻尼系数等大量基础数据，非专业人员难以准确提供。
对此，我们通过借鉴STK等软件，在osgEarth平台上实现了一种简化的六自由度飞行仿真模型。该模型仅需要为飞行器指定航路节点坐标、节点速度、节点转弯半径、节点横滚角速度、节点最大横滚角五种参数，相比传统二维线性飞行模型，仅多了转弯半径、横滚角速度和最大横滚角三种参数，这些参数可根据预期效果通过定性估计获得。



模型输入

与专业模型相比，该模型的计算准确度相对较低，但数据准备难度低，使用简单方便；与传统线性插值模型相比，该模型能够较好地模拟飞行器的六自由度变化过程，仿真效果更加细腻，且数据获取与使用的难度增加有限。能够较好地满足非飞行专业但需要飞行要素作为背景的概念演示类应用的需要。
该模型的总体思路是：
（1）通过匀加速插值替代线性插值，解决航段转换时的速度值和俯仰角变化不连续问题。
（2）通过圆周运动模拟节点处的转弯动作，解决航段转换时的偏航角不连续问题。
（3）规定圆周转弯在航段开始时执行。
（4）横滚角根据偏航角的变化情况进行变化。
计算流程如下：



模型计算流程

应用实例
以夏威夷基地F-22的一次想定飞行为例，对本文建立的简化六自由度飞行模型进行演示。航路信息如下：



想定航路数据

模型运行结果如下：



飞行轨迹



爬升阶段高度变化曲线



爬升阶段姿态角变化曲线



飞行过程截图-1



飞行过程截图-2

详细仿真过程欢迎观看视频：


https://www.zhihu.com/video/1449782249760194560

kimicheng

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