飛行模擬器中的大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計

樊諭涵，寧偉

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.北京藍天航空科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京100085）

飛行模擬器中的大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計

樊諭涵1，寧偉2

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.北京藍天航空科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京100085）

飛行模擬器的分系統(tǒng)建模不同于真實機載系統(tǒng)建模，它以地面件為載體，僅對座艙可見設(shè)備做實物仿真，目標(biāo)是能夠覆蓋地面及空中的飛行科目和訓(xùn)練任務(wù)。因此，對于大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須從原理上進行建模，才可滿足與飛行模擬器其他分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，逼真地呈現(xiàn)故障、特情等現(xiàn)象。通過闡述飛行模擬器系統(tǒng)框架，了解大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)軟件駐留及硬件驅(qū)動原理。以系統(tǒng)輸入和輸出的交聯(lián)關(guān)系整理出軟件運行流程，最后通過系統(tǒng)建模及設(shè)計實例和仿真輸出證明該仿真方法的實用性。該方法已通用于多型號的不同等級模擬器中，功能可覆蓋模擬飛行訓(xùn)練全任務(wù)要求。

大氣數(shù)據(jù)計算機；ADC；飛行模擬器；飛行訓(xùn)練

0 引言

在飛行模擬訓(xùn)練仿真領(lǐng)域，大氣數(shù)據(jù)仿真分系統(tǒng)的仿真任務(wù)是在僅有座艙可見硬件設(shè)備的仿真前提下，模擬飛機在空中的各種飛行姿態(tài)，并模擬在相應(yīng)飛行姿態(tài)下傳感器的量，并將上述模擬傳感器的量輸入給相應(yīng)的航空電子系統(tǒng)。使整個航空電子系統(tǒng)在地面實現(xiàn)“在空中”的工作。

該系統(tǒng)作為飛行器的主要系統(tǒng)之一，與發(fā)動機、自動控制、導(dǎo)航、火控、空中管制、顯示控制及告警系統(tǒng)等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。其響應(yīng)特性直接影響飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備的仿真度水準(zhǔn)。而該系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)與真實機載系統(tǒng)最大的不同點就是需要通過軟件模型仿真出傳感器特性參數(shù)。因此，本文結(jié)合某飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對ADC系統(tǒng)的精細化建模過程進行描述并給予準(zhǔn)確性論證。

1 系統(tǒng)組成

1.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

通常情況下，大氣數(shù)據(jù)計算機（Atmosphere Data Computer）就是在獲得全靜壓受感器、總溫傳感器和其他參數(shù)（如迎角傳感器）輸入后，經(jīng)解算后輸出大量的大氣數(shù)據(jù)信息提供給航電火控、飛行控制等系統(tǒng)，因此通常被稱為ADC。

以某型飛行模擬仿真訓(xùn)練設(shè)備為例，飛行運動學(xué)、動力學(xué)、飛行控制、電源、燃油、液壓等系統(tǒng)仿真軟件與ADC系統(tǒng)同時運行在同一臺計算機中，即圖1所示模擬器主機中，并同時接受主控實時系統(tǒng)調(diào)度運行；各系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)即主機數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或內(nèi)存反射方式與接口系統(tǒng)交聯(lián)。接口計算機再通過RS422串行總線激勵機載座艙設(shè)備，完成控制、驅(qū)動及顯示。

圖1 飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意

1.2 信號交聯(lián)

空速管、總溫傳感器及攻角傳感器是大氣數(shù)據(jù)計算機的激勵數(shù)據(jù)，作為大氣計算機的原始參數(shù)傳感器輸入信息，仍需要大氣數(shù)據(jù)仿真軟件實現(xiàn)模型內(nèi)容的仿真。該系統(tǒng)與各機載仿真分系統(tǒng)交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 ADC在飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的交聯(lián)示意圖

ADC輸出的信息主要包括：氣壓高度（Hp）、相對氣壓高度（Hc）、馬赫數(shù)（M）、大氣靜溫（Ts）、校正空速（Vc）、真空速（Vt）、升降速度（Vp）、壓力比（ρr）、真攻角（αt）、總溫（Tt）及大氣密度比（ρ/ρ0）、ADC狀態(tài)、速壓（qc）、失速告警等。

2 仿真軟件設(shè)計實現(xiàn)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

依據(jù)圖2的ADC總體結(jié)構(gòu)框圖信息，軟件算法流程圖如圖3所示。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)仿真模型

以國際標(biāo)準(zhǔn)大氣的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在高度32 km以內(nèi)、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，上述模擬傳感器數(shù)據(jù)具體獲取方法如下：

（1）溫度T（K），壓強p（N/m2）和密度ρ（kg/m3）對于Hp≤11 000的情況下：

圖3 軟件算法流程圖

2.3 大氣計算機解算模型

在獲取到上述傳感器參數(shù)后，進入大氣計算機，進行如圖4所示的解算流程。

圖4 ADC數(shù)據(jù)解算流程

流程中各參數(shù)解算可查閱資料獲得。例如：

其中，R為氣體常數(shù)。

3 應(yīng)用示例

在項目實施過程，ADC系統(tǒng)運行在模擬器主機中，主調(diào)用程序以100 Hz為運行周期進行調(diào)用，即時間常數(shù)τ=0.01 s，依據(jù)上述仿真設(shè)計方法應(yīng)用于該實時仿真系統(tǒng)，示例如圖5所示。

圖5 大氣計算機氣壓高度、升降速度的獲取

依據(jù)上述大氣計算機獲取氣壓高度和升降速度的方法，截取在包含側(cè)風(fēng)等氣象環(huán)境下，操作某型號飛行模擬器，完成一個起降過程的高度數(shù)據(jù)信息仿真，得到如圖6~圖8所示結(jié)果。

圖6 實時飛行高度記錄

圖7 大氣計算機輸出氣壓高度

圖8 大氣計算機輸出升降速度

4 結(jié)束語

該大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)仿真設(shè)計方法已應(yīng)用于一些型號全任務(wù)飛行模擬器和高等級模擬器中。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)建模方法及仿真思路著眼于工程實踐及應(yīng)用，具備嚴謹性的同時完成了“空中”飛行參數(shù)的生成，包括傳感器特性的儀表驅(qū)動顯示，能滿足各等級模擬器的飛行任務(wù)訓(xùn)練要求，并達到較為逼真的人機交互顯示效果。

[1]史國慶，張建東，高曉光，等．大氣數(shù)據(jù)計算機仿真系統(tǒng)可信度評估[J]．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，29（4）：295－299．

[2]袁梅，鮑鵬宇，董韶鵬，等．大氣數(shù)據(jù)實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．實驗技術(shù)與管理，2009，26（2）：62－66．

[3]姜華南．大氣數(shù)據(jù)計算機仿真系統(tǒng)設(shè)計與仿真可信度的評估[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007．

[4]馬娟．?dāng)?shù)字式大氣數(shù)據(jù)計算機的軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2012．

[5]李昕．大氣數(shù)據(jù)模擬器設(shè)計研究[J]．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2009（5）：35-38．

Design of air data simulation system in the flight simulator

Fan Yuhan1，Ning Wei2
（1.China Aero-polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.Beijing Bluesky Aviation Technology Co.LTD，Beijing 100085，China）

Flight simulator system modeling is different from real airborne system modeling，because we do real simulation only to the equipment that we can see in the cabin.Flight simulator system modeling is for complete air flight course and the training task.Therefore，the air data system，must carry on the modeling in principle，so as to meet with other subsystems of flight simulator data interaction，the malfunction phenomenon.Via elucidating the flight simulator system framework，we get knowledge of atmospheric data simulation system software resides and hardware drive principle.We collect the relationship of system input and output to finishing the software running processes.The method is widely used in many models of different levels in the simulator，and its functions cover simulated flight training mission requirements.

air data computer；flight simulator；flight training

V249.32

A

1674-7720（2015）13-0021-03

2015-05-01）

樊諭涵（1986-），男，碩士，主要研究方向：信息編碼。