执行摘要

旋翼机飞行动力学仿真模型需要高保真度，以作为支持生命周期实践的主要工具，特别是飞行器和控制设计与开发，以及系统和训练器认证。在民用方面，FAA（美国）和EASA（欧洲）都记录了评估模型和模拟器保真度的标准（指标和实践），与飞行测试数据相比，尽管这些标准已经几十年没有更新。在军事方面，北约国家的相关做法并不统一，往往只为特定的应用而开发。更新模型以提高保真度的方法大多是临时性的，缺乏合理和有条理的方法。近年来，现代旋翼机系统识别（SID）和逆向仿真方法已经被开发出来，提供了非常适合飞行员在环路保真度评估的新方法和更新仿真模型以达到所需保真度的系统技术。为了协调工作和提高该领域的知识，STO应用飞行器技术小组研究任务组（STO AVT-296 RTG）成立，以评估成员国使用的更新方法，找到最佳做法和适合不同的应用，包括先进的旋翼机配置。这个后续研究系列讲座（STO AVT-365 RLS）的建议是根据AVT-296的工作结论来传播结果，目的是对北约成员国进行这些最佳做法的培训。

介绍了以前旋翼机仿真保真度工作组的概况，然后回顾了以前研究中用来量化飞行模型保真度或模拟器整体感知保真度的指标。介绍了七种不同更新方法的理论基础和RTG使用的八个飞行数据库（Bell 412、UH-60、IRIS+、EC135、CH-47、AW139、AW109和X2，由加拿大国家研究委员会、美国陆军、空客直升机公司、波音公司、莱昂纳多直升机公司和西科斯基公司提供）的描述。考虑了时域和频域的保真度评估方法，包括那些目前由模拟器资格认证机构使用的方法和那些在研究界使用的方法。案例研究用于展示更新和评估方法对飞行测试数据的应用、效用和局限性。

RTG的工作表明，基于时域和频域的SID指标适合用于评估广泛的旋翼机配置的模型保真度。增益和时延更新方法对发展良好的飞行动力学模型很有效，可用于飞行控制系统的设计，但不能提供对模型中误差来源的物理洞察力。利用SID和非线性仿真模型的扰动提取方法从飞行测试数据中推导出稳定性和控制导数，可以深入了解仿真模型缺失的动态，随后可以利用额外的力和力矩进行更新，以显著提高模型的保真度，并可用于更新飞行仿真训练应用方法的模型。当推断到其他飞行条件时，减序模型和基于物理学的修正方法提供了很大的好处，但确实需要详细的飞行测试数据。如果有详细的飞行试验数据，SID可以快速提供准确的点模型，这些模型可以被 "缝合"在一起，以产生适合实时驾驶模拟和控制设计应用的模型。然而，对飞行试验数据的依赖意味着这种方法不适合于早期的飞机开发活动。

这种旋翼机仿真保真度评估和模型更新策略的文件将使北约国家受益，因为它允许共同的、商定的最佳做法和建议，确保每个国家的飞行动力学和仿真模型具有最高水平。工业界、学术界和政府实验室之间的合作是这个RTG成功的关键；这种合作模式应该在未来的研究活动中采用。随着工业界努力在其产品中实现更高的效率和安全性，模拟的保真度应与商业愿望相匹配，以确保 "第一次就正确"的精神完全融入工业的最佳实践中。军方将能够使用所提出的方法和指标来制定标准，这些标准将支持在认证中使用建模和仿真，以加速开发和获取，并降低新飞机系统的成本，例如先进的高速旋翼机和传统系统的升级。该标准还可能为用于支持扩大训练的合成环境的训练装置制定标准，以抵消飞行小时的高成本。RTG已经确定，目前的飞行训练模拟器标准可以更新，使用本系列讲座中提出的飞行模型和感知保真度指标，以确保模型不被 "过度调整"，并采用更严格的模拟器主观评估方法。

第1章 - 简介

摘要

讲座系列的介绍和动机。还介绍了系列讲座的概况，强调了以后要介绍的飞机和方法。

1.1 引言

飞机和旋翼机的飞行动力学仿真模型需要高保真度，以适合作为支持生命周期实践的主要工具，特别是在飞行器和控制设计和开发，以及系统和训练器认证方面。在民用方面，FAA（美国）和EASA（欧洲）都有评估模型和模拟器保真度的标准（指标和实践），与飞行测试数据相比，尽管这些标准已经几十年没有更新了。在军事方面，北约国家的相关做法并不统一，往往只为特定的应用而开发。更新模型以提高保真度的方法大多是临时性的，缺乏合理和系统的方法。更加严格和系统的保真度评估和提高的做法可以为减少军用和民用旋翼机采购的早期生命周期成本带来巨大的红利[1]。

近年来，现代系统识别（SID）和逆向仿真方法已经被开发出来（例如，参考文献[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]），提供了非常适合飞行员在环保性评估的新方法和更新仿真模型以达到所需保真度的系统技术。北约伙伴国家以前的科技组织（STO）活动（AGARD）开发并比较了时域和频域系统识别（SID）方法，以从飞行测试动作中提取三种不同旋翼机的精确模型--AH-64、Bo-105和SA-330[2]。每个国家的飞行识别模型被相互比较，但不与基于物理学的非线性模拟数学模型比较。自从最初的AGARD活动以来，成员国已经独立地使用系统识别和逆向模拟方法取得了相当大的进展，利用飞行测试数据更新他们基于物理学的飞行模型。每个国家使用的模型更新在方法、复杂性和相关的技术努力/成本方面有很大不同（例如，参考文献[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]）。这些研究活动展示了不同的更新方法，为模型的保真度提供了显著的改进，并展示了自Hamel等人[2]报告的开创性工作以来，旋翼机SID是如何进步的。

在STO应用飞行器技术（AVT）小组（STO AVT-296）研究任务组（RTG）下，每个成员国都完善并记录了他们自己的特定方法，以及其他国家使用其独特的飞行测试数据库的方法。更新方法之间的比较已被调查，以找到最佳做法和对不同应用的适用性，包括先进的旋翼机配置。本讲座系列强调了在STO AVT-296工作期间完成的工作。

1.2 目标

本系列讲座的主要目标是应用和比较基于飞行试验案例研究的飞行仿真模型更新和保真度评估方法。首先，讨论采用模型保真度的指标，这些指标将在其余的演讲中使用。从STO AVT-296中选择了一些案例研究来演示更新方法。这些方法被应用于RTG报告中的一个飞机子集。

使这种更新方法、衡量标准和做法更容易被工业和政府使用，是RTG和本系列讲座的一个强烈动机。仿真保真度评估和模型更新策略的文件将使北约国家受益，因为它允许共同的、商定的最佳做法和建议，确保每个国家的飞行动力学和仿真模型具有尽可能高的水平。军方将能够使用所提出的方法和指标来设定标准，这些标准将支撑建模和仿真在认证中的使用，以加速开发和采购，降低新飞机系统和传统系统升级的成本。这些标准也可以为训练设备设定标准，用于支持扩大训练的合成环境，以抵消飞行小时的高成本。

1.3 系列讲座概述和组织

首先，从研究人员、原始设备制造商（OEM）工程师、学者和模拟器开发商的角度，概述了过去几十年在模拟保真度和模型评估方面的技术工作。随着未来旋翼机设计的复杂性不断增加，这项工作可作为模型验证工作的启动点，也是当前用于提高模型保真度的最先进方法的一个缩影。从组织的角度来看，在注释的每一节或每一章的末尾都给出了参考文献，以帮助读者快速找到更多的技术内容。讲座系列的整体结构如下。

概述小组成员、时间表和举行的技术会议。然后介绍每个参与者的动机。简要总结每个组织目前采用的数学模型更新方法，以及他们开发的模型的最终应用（仿真、工程设计、控制法开发等）。讨论了当前在模型保真度改进方面的研究领域和过去在系统识别和建模方面的工作。
介绍了各种定量和定性的仿真模型保真度指标。旋翼机飞行动力学仿真模型服务于各种目的，并根据最终的应用以不同的指标进行评估。讨论这些指标及其背景是为了让与会者对如何评价模型有一个印象。介绍了许多指标，并向下选择了几个指标，然后用来评估更新方法的功效。
模型更新方法按其复杂性和所需的技术努力程度进行了广泛分类。方法的范围从总的经验修正到更复杂的方法，需要详细的旋翼机动力学和空气动力学知识。
在本研究中，我们提供了应用模拟更新方法的旋翼机数据库。提供的信息包括飞机配置、可用的飞行测试数据、飞行仿真建模工具、系统识别方法以及模型保真度评估和更新的结果。我们努力包括大量的旋翼机配置：从传统的到先进的高速配置，从部分授权到完全授权的飞行控制系统考虑，以及飞行员与无人机。这种大范围的旋翼机配置提供了对每个模型的细微差别的洞察力，并对新设计中可能遇到的缺陷有一个印象。
提出了模型更新的案例研究组织。同样的方法一般由来自不同组织的研究人员应用于多架飞机，以便对每种方法提供不同的观点。每个案例研究的简洁性被强调，以使读者能够掌握每种方法的概念。其他技术细节留给AVT-296报告和文献中引用的技术论文。图1-1是更新方法和案例研究的简明摘要。
接下来，模拟公司、OEM和飞行控制研究人员就每种更新方法对其行业的适用性以及如何和何时使用每种方法提出了各种观点。对目前的模拟机认证过程以及如何根据本报告的结果进行改进提出了建议。最后，对讲座系列的主要发现进行了总结。