基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證技術(shù)研究

許光磊 劉永超 高 斌 鄭 凱 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證技術(shù)研究

許光磊 劉永超 高 斌 鄭 凱 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

為了滿足系統(tǒng)集成度高、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證需求，提出了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證技術(shù)。詳細(xì)介紹了基于模型的航電系統(tǒng)仿真和測試方法，航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，以及基于模型運(yùn)行的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)。通過在航電系統(tǒng)集成過程中的應(yīng)用，基于模型的集成方法有效地提高了航電系統(tǒng)集成效率，保證了航電系統(tǒng)集成準(zhǔn)確度。該方法可應(yīng)用于航電系統(tǒng)全數(shù)字集成、半物理集成和全實(shí)物動(dòng)態(tài)集成，保證各階段試驗(yàn)的銜接，持續(xù)提升航電系統(tǒng)集成工作的技術(shù)水平。

基于模型；航電系統(tǒng)；系統(tǒng)集成

0 引言

現(xiàn)代民用客機(jī)航電系統(tǒng)已經(jīng)由原先的分立式、聯(lián)合式變?yōu)楝F(xiàn)在的集成模塊化、分布式的航電系統(tǒng)，由于先進(jìn)科技在民用飛機(jī)航電系統(tǒng)上的應(yīng)用，使得航電系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，交聯(lián)越來越復(fù)雜。同時(shí)，航電系統(tǒng)已經(jīng)成為機(jī)上最為關(guān)鍵的組成部分，對(duì)提高飛機(jī)的性能指標(biāo)，確保飛機(jī)安全性和降低飛機(jī)全生命周期成本起到關(guān)鍵的作用[1-3]。由于民用飛機(jī)的研制必須符合各國或地區(qū)的適航規(guī)章，滿足飛行適航要求,因此對(duì)于飛機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)需求及采用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品研制，均需開展相應(yīng)的從試驗(yàn)室驗(yàn)證到飛行測試的驗(yàn)證工作，來最終表明飛機(jī)滿足適航審定的各項(xiàng)條款，研制保證流程能夠被適航當(dāng)局認(rèn)可。由于試驗(yàn)室試驗(yàn)在成本、技術(shù)和安全性方面的優(yōu)勢(shì)，在地面試驗(yàn)室進(jìn)行充分的試驗(yàn)室集成驗(yàn)證試驗(yàn)，完成航電系統(tǒng)的試驗(yàn)室集成、驗(yàn)證，已經(jīng)成為各航空產(chǎn)品研制單位、飛機(jī)主制造商的普遍選擇[4]。

本文研究了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證技術(shù)，并基于航電系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)階段和集成驗(yàn)證階段的需要，開發(fā)了航電系統(tǒng)模型，搭建了航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)，進(jìn)行了航電系統(tǒng)的試驗(yàn)室集成和驗(yàn)證測試。

1 基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證思路

民用飛機(jī)航電系統(tǒng)一般包括ATA23通信系統(tǒng)、ATA31指示/記錄系統(tǒng)、ATA34導(dǎo)航系統(tǒng)、ATA42航電核心處理系統(tǒng)、ATA44客艙系統(tǒng)、ATA45機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)及ATA46信息系統(tǒng)。各系統(tǒng)又由大量設(shè)備構(gòu)成，且各系統(tǒng)間的交聯(lián)和協(xié)作關(guān)系復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)集成的效率, 減少人力和時(shí)間成本, 必須采用科學(xué)的方法, 以降低集成的復(fù)雜度[5-7]。

基于模型的航電系統(tǒng)集成采用增量式的集成策略，在全系統(tǒng)數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上，通過真實(shí)試驗(yàn)件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成從核心處理、機(jī)載網(wǎng)絡(luò)集成開始，到完成通信導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他航電子系統(tǒng)集成的增量式集成驗(yàn)證工作。這種分步集成的策略使得每一次集成的關(guān)注點(diǎn)從子系統(tǒng)級(jí)需求、系統(tǒng)級(jí)需求逐步轉(zhuǎn)移到最終的航電系統(tǒng)飛機(jī)級(jí)需求以及性能需求, 使得整個(gè)集成過程中充分驗(yàn)證了飛機(jī)航電系統(tǒng)各層級(jí)需求, 確保最終整體系統(tǒng)集成的順利完成，降低了整體系統(tǒng)集成的復(fù)雜度。逐一替換的增量式集成方式如圖1所示。

為了很好地實(shí)施分步集成策略, 需要搭建航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)既可以在設(shè)計(jì)研發(fā)的早期運(yùn)行航電各系統(tǒng)仿真模型，支持航電系統(tǒng)研發(fā)測試，又具備接口數(shù)據(jù)仿真激勵(lì)能力，可以與模型一起構(gòu)建硬件在環(huán)的試驗(yàn)場景，完成半物理集成測試。同時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)還提供高效的配線系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行仿真件與真實(shí)試驗(yàn)件的切換，保證數(shù)字模型試驗(yàn)、半物理試驗(yàn)以及全實(shí)物試驗(yàn)的構(gòu)型順利切換。通過這樣的方法, 使得設(shè)計(jì)階段的模型和測試用例可以被反復(fù)地應(yīng)用到后續(xù)各層級(jí)的系統(tǒng)集成測試當(dāng)中，提高了系統(tǒng)研制的效率，保證了測試的一致性，最終提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

該集成策略需要將各個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的仿真模型集成到統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，并接受統(tǒng)一的人機(jī)界面控制。仿真試驗(yàn)運(yùn)行過程中，模型與模型之間、或模型與其他試驗(yàn)分系統(tǒng)之間需要配合工作，通過試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制指令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)的相互收發(fā)，所以在模型開發(fā)之初，必須從仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的角度，提出航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，對(duì)模型的外部接口形式進(jìn)行規(guī)范化約束，以保證模型能夠被集成到試驗(yàn)系統(tǒng)中。航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范如圖2所示。

2 基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證實(shí)施

模型化、自動(dòng)化和分布化的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證方法已經(jīng)在某型號(hào)飛機(jī)航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證活動(dòng)中得到了充分的實(shí)施和應(yīng)用。在航電集成驗(yàn)證工作中，搭建了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證環(huán)境，并基于航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證環(huán)境，完成了全數(shù)字、半物理到全實(shí)物在環(huán)的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證。

2.1 基于模型驅(qū)動(dòng)的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)

基于模型驅(qū)動(dòng)的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)為航電系統(tǒng)模型、航電系統(tǒng)總線接口仿真和航電系統(tǒng)真實(shí)試驗(yàn)件提供了統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境，可以方便地進(jìn)行全數(shù)字、半物理、全實(shí)物的切換，在不同試驗(yàn)構(gòu)型需求下，搭建/切換不同的試驗(yàn)構(gòu)型，支持從設(shè)備到子系統(tǒng)、系統(tǒng)以及飛機(jī)級(jí)不同試驗(yàn)需求的試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)由工程駕駛艙(安裝了飛機(jī)駕駛艙的顯示器和控制組件)、設(shè)備架(安裝了飛機(jī)E-E艙設(shè)備架的LRU)、飛行仿真與飛行環(huán)境仿真、仿真激勵(lì)器、配線系統(tǒng)(真件/仿真件切換)、數(shù)據(jù)采集/記錄系統(tǒng)、故障注入模塊等子系統(tǒng)組成。試驗(yàn)平臺(tái)將集成航電系統(tǒng)以及與航電系統(tǒng)有交聯(lián)關(guān)系的飛機(jī)系統(tǒng)控制器部分。這些系統(tǒng)有兩種模式：使用真實(shí)的LRU或者該系統(tǒng)控制器的仿真器。仿真器采用基于ICD的接口仿真，并在后臺(tái)采用仿真模型驅(qū)動(dòng)。飛行仿真提供一個(gè)6自由度的飛機(jī)模型用于模擬一個(gè)完整的飛行起落過程以及飛行員的操作接口。飛行環(huán)境仿真提供標(biāo)準(zhǔn)大氣仿真，風(fēng)和紊流仿真，無線電導(dǎo)航臺(tái)站仿真，地面地效(摩擦力)及機(jī)場等。飛行仿真和飛行環(huán)境仿真為航電系統(tǒng)的測試提供飛行狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)激勵(lì)源，要求飛行仿真能夠進(jìn)行全飛行包線的仿真。在試驗(yàn)過程中，飛行仿真模型將解算出的飛行參數(shù)共享給各參試系統(tǒng)，使整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境協(xié)調(diào)在一個(gè)共同的飛行場景下，構(gòu)成基于模型的全動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境，滿足航電系統(tǒng)基于場景測試的全動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求?；谀Ｐ偷暮诫娤到y(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 基于模型的航電系統(tǒng)集成

基于模型的航電系統(tǒng)集成從全數(shù)字集成開始，逐步替換為帶有物理總線接口的仿真件，再全部替換為真實(shí)試驗(yàn)件，最終完成航電系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)型的場景試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖4所示。在某型飛機(jī)航電系統(tǒng)集成過程中，首先基于VAPS開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了顯示系統(tǒng)模型以及相關(guān)的控制板、頂部版、中央操縱臺(tái)模型，用以對(duì)POP(飛行員操作程序)和顯示器接口邏輯進(jìn)行虛擬集成。同時(shí)基于simulink模型開發(fā)了大氣數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)等子系統(tǒng)仿真模型，基于C++開發(fā)了飛行管理系統(tǒng)模型。各系統(tǒng)模型統(tǒng)一運(yùn)行于航電系統(tǒng)全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)航電系統(tǒng)進(jìn)行基于模型的集成，充分驗(yàn)證各個(gè)系統(tǒng)間信號(hào)和數(shù)據(jù)流傳輸和邏輯接口，并對(duì)各個(gè)仿真模型組成的航電系統(tǒng)功能以及飛行員操作程序進(jìn)行驗(yàn)證。

系統(tǒng)模型開發(fā)的流程以及基于模型的航電系統(tǒng)集成過程如下：

依據(jù)航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，首先搭建了通用的飛行仿真和飛行環(huán)境仿真模型，可以模擬飛機(jī)的整個(gè)飛行過程，并提供了飛行仿真、飛行環(huán)境仿真接口；依據(jù)仿真規(guī)范定義的接口規(guī)范和設(shè)計(jì)ICD文件，開發(fā)和集成飛機(jī)系統(tǒng)和傳感器模型，并通過面向數(shù)據(jù)訂閱/發(fā)布機(jī)制，與飛行仿真和飛行環(huán)境仿真實(shí)現(xiàn)一體化集成，在此過程中，如果可以協(xié)調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)商提交高精度系統(tǒng)與設(shè)備功能模型，則可逐一替換和迭代，提高仿真功能和性能的逼真度，完成基于模型的航電系統(tǒng)全數(shù)字集成。圖5說明了供應(yīng)商提交的發(fā)動(dòng)機(jī)模型和飛機(jī)操穩(wěn)專業(yè)提供的飛機(jī)氣動(dòng)模型對(duì)通用發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)模型的替換過程。在完成基于模型的全數(shù)字集成后，集成過程逐步過渡到半物理仿真集成階段。在這一階段，模型的輸入、輸出數(shù)據(jù)通過硬件板卡發(fā)送到真實(shí)的飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)，利用真實(shí)的飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信。某型飛機(jī)航電系統(tǒng)使用的飛機(jī)總線包括ARINC664、ARINC429、ARINC825、AD、DA、DIO等總線，系統(tǒng)模型與各型總線板卡結(jié)合，形成了半物理環(huán)境，在半物理環(huán)境下完成對(duì)系統(tǒng)功能、輸入/輸出接口、邏輯功能的驗(yàn)證。

在完成基于模型的半物理仿真集成階段后，集成過程逐步替換到實(shí)物集成階段，如圖6所示。在全實(shí)物在環(huán)集成階段，通過激勵(lì)器的方式激勵(lì)各個(gè)航電傳感器設(shè)備工作，其中艾法斯公司提供的激勵(lì)設(shè)備完成對(duì)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)的激勵(lì)，采用總靜壓模擬器完成對(duì)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的激勵(lì)，采用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和加速度轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)激勵(lì)并融合慣導(dǎo)參數(shù)完成對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的激勵(lì)，其余非航電系統(tǒng)采用仿真模型的方式進(jìn)行激勵(lì)。航電系統(tǒng)的激勵(lì)器和非航電系統(tǒng)的仿真器數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)一的飛行仿真與飛行環(huán)境仿真，可以在此構(gòu)型下完成基于真實(shí)飛行場景的航電系統(tǒng)全實(shí)物在環(huán)動(dòng)態(tài)集成試驗(yàn)。

3 結(jié)論

在某型飛機(jī)航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證過程中，采用了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證方法。在該方法的指導(dǎo)下，提出和編制了航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，搭建了基于模型驅(qū)動(dòng)的航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證平臺(tái)，集成了航電系統(tǒng)仿真模型、航電系統(tǒng)仿真件、航電系統(tǒng)藍(lán)標(biāo)簽、紅標(biāo)簽試驗(yàn)件，完成了基于模型集成的全數(shù)字集成階段，基于仿真器集成的半物理集成階段，基于系統(tǒng)實(shí)物件集成的全實(shí)物在環(huán)集成階段，最終完成了航電系統(tǒng)集成活動(dòng)。它們不僅支持了航電系統(tǒng)研發(fā)各個(gè)階段的需求確認(rèn)和方案論證等研發(fā)活動(dòng)所必需的測試，同時(shí)完成了飛機(jī)系統(tǒng)和產(chǎn)品的集成和驗(yàn)證試驗(yàn)。在整個(gè)集成過程中，各種試驗(yàn)構(gòu)型可以靈活切換，支持航電系統(tǒng)原型與原理級(jí)研發(fā)測試，支持子系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和飛機(jī)級(jí)集成驗(yàn)證活動(dòng)，整個(gè)活動(dòng)在統(tǒng)一的飛行仿真環(huán)境下進(jìn)行，為各系統(tǒng)試驗(yàn)件和模型的動(dòng)態(tài)集成提供了統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)集成環(huán)境?；谀Ｐ偷暮诫娤到y(tǒng)集成驗(yàn)證方法提升了各個(gè)階段集成的繼承性，提高了集成工作效率，保證了集成的質(zhì)量，大大提升了某型飛機(jī)航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證的有效性和置信度。

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Research on Model-based Integration and Verification Technology of Avionics System

XU Guanglei LIU Yongchao GAO Bin ZHENG Kai

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

In order to meet the integration/verification requirement of high integrated and more complex avionics system, this paper proposes model-based integration and verification technology of avionics system. The model-based system simulation and test solution, simulation model specification, and model-based working system integration and verification platform are described in detail. Through the application in the integration of avionics system, the integration efficiency is enhanced and the accuracy is assured by using the model-based system integration method. This method can be used in the full-digital integration phase, hardware-in-loop integration phase and full system dynamic integration phase, it will improve the joined technical work among the three phases, and keep on enhancing the technology level of the avionics integration.

model-based; avionic system; system integration

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.004

許光磊男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：航電系集成驗(yàn)證。Tel: 20864853,E-mail: xuguanglei@comac.cc

V243

：A

劉永超男，學(xué)士，研究員。主要研究方向：航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成與驗(yàn)證。Tel: 20864760,E-mail: liuyongchao@comac.cc

高斌男碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證。Tel: 20864851,E-mail: gaoino@comac.cc

鄭凱男碩士，工程師。主要研究方向：航電系統(tǒng)集成驗(yàn)證。Tel: 20864850,E-mail:zhengkai@comac.cc