RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺架構(gòu)研究

摘 要：所需導航性能（RNP）運行是新航行系統(tǒng)的核心，其提出了航行方式從基于傳感器導航到基于性能導航的轉(zhuǎn)變，并且對飛機的系統(tǒng)架構(gòu)設計及系統(tǒng)性能提出了新的要求。在設計階段，對RNP系統(tǒng)的方案架構(gòu)、性能和功能的有效評估和驗證就顯得十分重要。基于RNP系統(tǒng)的設計架構(gòu)，該文主要介紹了RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺架構(gòu)的設計方案及對仿真軟件的設計要求，其將用于對RNP系統(tǒng)整體的功能和性能進行評估、分析和驗證，從而為飛機的系統(tǒng)研發(fā)提供重要的技術(shù)支持和驗證手段。

關(guān)鍵詞：飛行管理系統(tǒng) 綜合導航系統(tǒng) RNP 仿真平臺

中圖分類號：V249.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0082-02

隨著航空器機載設備能力的提高以及衛(wèi)星導航等先進技術(shù)的不斷發(fā)展，國際民航組織（ICAO）提出了基于性能的導航（Performance Based Navigation， PBN）概念。PBN包含導航設施、導航規(guī)范和導航應用等方面。其中導航規(guī)范規(guī)定了導航系統(tǒng)的功能、性能和傳感器等方面的要求，是PBN實施的關(guān)鍵。其包含所需導航性能（RNP）規(guī)范和區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）規(guī)范。RNP定義了飛機在一個確定的航路、空域或區(qū)域運行時所需的導航性能，對導航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性提出了要求。RNP是未來航行系統(tǒng)（Future Air Navigation System， FANS）和下一代航空運輸系統(tǒng)（Next Generation Air Transportation System， NexGen）的重要技術(shù)。RNP的引入體現(xiàn)了航行方式從基于傳感器導航到基于性能導航的轉(zhuǎn)變。RNP標準對包括飛行管理系統(tǒng)（FMS）、自動飛行系統(tǒng)、導航傳感器等航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能提出了新的要求。設計符合RNP規(guī)范與標準的飛機系統(tǒng)架構(gòu)，并開發(fā)對應的仿真平臺，用于RNP系統(tǒng)進行驗證和評估，將為現(xiàn)代客機的研發(fā)提供重要的輔助作用和技術(shù)支持。

1 RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺設計目標

RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺主要實現(xiàn)飛機RNP相關(guān)的核心子系統(tǒng)的功能仿真，包括飛行管理系統(tǒng)[1]、高性能綜合導航系統(tǒng)[2]、顯示系統(tǒng)[3]和飛控系統(tǒng)[4]等。再加上飛機模型和環(huán)境模型，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，來進行RNP系統(tǒng)的性能分析、評估和驗證。RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺通過飛行管理系統(tǒng)執(zhí)行飛行計劃、軌跡預測、性能計算以及飛行導引的核心功能，并與飛控系統(tǒng)和高性能綜合導航系統(tǒng)模塊進行數(shù)據(jù)通信和指令傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時閉環(huán)仿真。同時，高性能綜合導航系統(tǒng)融合各導航設備的數(shù)據(jù)，對RNP系統(tǒng)整體的性能評估、分析和驗證，實現(xiàn)RNP性能監(jiān)測和告警。RNP性能仿真驗證平臺應具備以下主要功能：

（1）仿真RNP核心子系統(tǒng)的功能。

（2）仿真飛機模型及運行環(huán)境模型。

（3）提供可視化、交互式的仿真環(huán)境。

（4）實現(xiàn)RNP系統(tǒng)整體性能的綜合評估、分析及驗證。

（5）實現(xiàn)RNP核心子系統(tǒng)模塊的功能性和原理性仿真與系統(tǒng)集成，輔助系統(tǒng)的設計及驗證。

2 RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺的架構(gòu)

2.1 RNP系統(tǒng)集成平臺架構(gòu)

RNP系統(tǒng)集成平臺的邏輯架構(gòu)如圖1所示。

飛機仿真模塊可以包括飛機模型、飛控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)和自動油門系統(tǒng)。

真實航電設備和數(shù)據(jù)采集設備可以為部分或全部的機載真實航電系統(tǒng)。

飛控系統(tǒng)仿真模塊包括自動飛行和飛行指引系統(tǒng)。

2.2 RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺架構(gòu)

2.2.1 RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺系統(tǒng)模型

為實現(xiàn)平臺設計目標，RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺需要由多個系統(tǒng)模型組成，見圖2。

（1）高性能綜合導航系統(tǒng)模型：是多傳感器的導航系統(tǒng)，主要實現(xiàn)：多種導航傳感器信息融合、導航模式管理、無線電導航臺的自動調(diào)諧和RNP性能評估與監(jiān)測告警等功能。

（2）飛行管理系統(tǒng)（FMS）模型：主要實現(xiàn)飛行計劃、軌跡預測、性能計算以及飛行導引的等核心功能。

（3）顯示模型：主要實現(xiàn)電子飛行儀表系統(tǒng)仿真（包括主飛行顯示、導航顯示、告警顯示等），人機交互界面仿真等功能。

（4）ISA模型：是國際標準大氣（ISA）的模型。主要仿真隨飛行高度變化的地球大氣的壓力、溫度、密度和粘稠度等數(shù)據(jù)。需符合ICAO Doc 7488規(guī)范。

（5）大氣擾動模型：主要仿真在各飛行階段的風和氣流擾動的影響，和在起飛和著落階段的下?lián)舯┝鞯挠绊憽?/p>

（6）飛機模型：是一個6自由度的飛機模型，主要仿真飛機的運動狀態(tài)。其輸出所有的飛機動態(tài)參數(shù)。

（7）發(fā)動機模型：主要仿真發(fā)動機性能和推力等參數(shù)。

（8）主飛行導引系統(tǒng)（AFGS）模型：其包括自動駕駛和自動油門功能的仿真。主要產(chǎn)生橫滾和俯仰姿態(tài)指令、航向指令和推力或速度指令等。

（9）飛行控制系統(tǒng)（FCS）模型：其用于控制飛機，主要實現(xiàn)將控制指令轉(zhuǎn)換成實際的飛機控制信號。

（10）氣象預測模型：用于仿真各種氣象環(huán)境。

2.2.2 RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺架構(gòu)

RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺架構(gòu)如圖3所示。該架構(gòu)描述了各系統(tǒng)模型間的邏輯關(guān)系和接口關(guān)系。

這里將對平臺的軟件設計做一些規(guī)范性的研究，不對硬件環(huán)境的要求進行闡述。

2.3 RNP仿真驗證平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.1 模塊化軟件設計

所有的仿真軟件需依據(jù)模塊化開發(fā)。模塊化的程度根據(jù)RNP系統(tǒng)各分解模塊來決定，使改變?nèi)我荒K對其他模塊的影響降到最低。模塊化軟件的設計是至上而下的軟件設計方法，其強調(diào)把RNP系統(tǒng)仿真軟件系統(tǒng)分解到獨立的、可互換的功能模塊，使每個模塊來執(zhí)行唯一的期望功能。模塊化軟件應該滿足下面一些要求：

（1）每個模塊的結(jié)構(gòu)應該簡單易理解。

（2）每個模塊的執(zhí)行易于改變，不會影響其他模塊的運行。

（3）每個模塊易于修改，不會對模塊間的接口產(chǎn)生變動，或盡可能的減少對接口的影響。

2.3.2 RNP仿真驗證平臺軟件架構(gòu)

RNP仿真驗證平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)由多個頂層軟件模塊組成，見圖4。每個頂層軟件模塊可以分解成多個底層軟件模塊。

3 結(jié)語

該文介紹了RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺架構(gòu)設計。隨著新航行系統(tǒng)的發(fā)展，RNP系統(tǒng)越來越顯示其重要性。RNP系統(tǒng)仿真驗證平臺的建設，有助于開展對RNP系統(tǒng)的設計、性能評估及驗證工作。同時對RNP系統(tǒng)的性能和功能需求提供了有效的仿真驗證手段。

參考文獻

[1]宗軍耀.大型客機飛行管理系統(tǒng)功能研究[J].科技創(chuàng)新導報，2011（32）：210-211.

[2]宗軍耀，鄭智明，張琛.基于RNP運行的機載綜合導航系統(tǒng)的架構(gòu)和功能分析研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014，（25）：7-8.

[3]Ian Moir，Allan G Seabridge. Civil Avionics Systems[M]. rofessional Engineering Publishing UK，2003.

[4]Ian Moir，Allan G Seabridge.飛機系統(tǒng)機械、電氣和航空電子分系統(tǒng)綜合[M].航空工業(yè)出版社，2001.