民用飛機(jī)慣導(dǎo)信號仿真設(shè)計(jì)

金榮深， 惠光飛

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院， 上海 200120）

引言

慣導(dǎo)信號是飛機(jī)機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成之一，也是飛機(jī)飛控系統(tǒng)控制律解算的重要輸入。同時(shí)，慣導(dǎo)信號作為駕駛艙儀表顯示系統(tǒng)的原始輸入源，為飛行員執(zhí)行飛行任務(wù)安全飛行提供重要的、直接的參考信息。

某型民用飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）由獨(dú)立的多套傳感器構(gòu)成。該系統(tǒng)采用陀螺慣性導(dǎo)航技術(shù)，通過感受機(jī)體軸的角速率和軸向線性加速度，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理來為飛機(jī)飛行提供姿態(tài)、航向、速率、加速度和即時(shí)地理位置等信息。IRS還可以與飛行管理系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)接口來提供多傳感器組合導(dǎo)航[1]。

多套慣導(dǎo)傳感器IRS分別經(jīng)ARINC429總線將信號直接發(fā)送至飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行表決、修正、解算，進(jìn)而得到表決后的機(jī)體姿態(tài)信息、地速、航跡角等實(shí)時(shí)信號?；陲w控系統(tǒng)的地面模擬試驗(yàn)需求，需要靈活配置慣導(dǎo)傳感器的靜態(tài)值、故障注入等狀態(tài)，對慣導(dǎo)信號的仿真提出了直接需求。

1 方案

1.1 軟硬件組成

慣導(dǎo)信號仿真器主要由上位機(jī)和工控機(jī)組成，其中工控機(jī)內(nèi)配置若干總線類通訊板卡（如Arinc429、VMIC、DIO板卡等）。同時(shí)，設(shè)置故障注入接口管理設(shè)備，將設(shè)備輸出的總線信號、離散量信號統(tǒng)一梳理、配置，以滿足靈活設(shè)置故障狀態(tài)、故障快速恢復(fù)的功能。

上位機(jī)采用高性能計(jì)算機(jī)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，以VC++或其他軟件為平臺進(jìn)行定制軟件的開發(fā)，用于參數(shù)在線配置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、顯示和存儲。下位機(jī)采用PXI機(jī)箱，配備總線通訊板卡，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真器架構(gòu)

各冗余通道間應(yīng)保持高度同步，以避免觸發(fā)系統(tǒng)故障，同時(shí)在參數(shù)在線配置中，應(yīng)同步修改各通道數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)不同總線信號的仿真，選用相應(yīng)種類的接口卡以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的輸出，上下位機(jī)采用以太網(wǎng)方式連接?？捎靡蕴W(wǎng)形式接收試驗(yàn)管理系統(tǒng)的控制指令等，并可通過VMIC方式實(shí)現(xiàn)與飛行仿真系統(tǒng)的連接[2]。

1.2 故障注入接口管理設(shè)備

接口管理設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，各傳感器分別配置一個(gè)相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)K，主要包括系統(tǒng)互聯(lián)、信號切換、電氣信號故障模擬以及信號采集與監(jiān)測的功能。該設(shè)備與下位機(jī)之間以標(biāo)準(zhǔn)航空電纜連接，依據(jù)信號類型采用航空插頭分離，保證在信號傳輸正確性和完整性的前提下提供采集與監(jiān)控測試口[3]。

根據(jù)慣導(dǎo)信號的冗余管理特性，其故障注入手段必須能夠真實(shí)地模擬單一部件或模塊的異常情況；同時(shí)，需要兼顧多個(gè)部件同步并發(fā)故障，達(dá)到還原真實(shí)故障狀態(tài)模擬的效果。在系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中，還需兼顧ARINC429總線類故障，主要包括源識別碼SDI、SSM、ODD等數(shù)據(jù)位，以偏航角速率Yaw_Rate配置為例，提供如圖2所示的在線配置端口。

圖2 參數(shù)配置示意圖

1.3 接口模型

為了滿足試驗(yàn)中靈活配置參數(shù)的目的，需要建立飛機(jī)姿態(tài)值與各通道傳感器仿真的一一對應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，基于Matlab/Simulink平臺搭建底層總線板卡的驅(qū)動模塊[4]。

以慣導(dǎo)飛機(jī)IRS機(jī)體俯仰角速率掃頻信號仿真為例，基于Matlab/Simulink平臺搭建接口驅(qū)動模型，并編譯下載至下位機(jī)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和在線參數(shù)配置，如圖3所示。

圖3 接口驅(qū)動模型

2 驗(yàn)證

在控制律掃頻模擬試驗(yàn)中，利用慣導(dǎo)信號仿真器，飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收到仿真器設(shè)置的俯仰角速率Arinc429總線信號，經(jīng)系統(tǒng)采集和控制律表解算后的角速率值如圖4所示。

圖4 飛控系統(tǒng)俯仰角速率數(shù)據(jù)采集結(jié)果

結(jié)果表明，仿真器能夠準(zhǔn)確模擬慣導(dǎo)俯仰角速率掃頻，實(shí)現(xiàn)了多路慣導(dǎo)冗余傳感器同步在線仿真配置，滿足試驗(yàn)需求。

3 結(jié)論

從某型民機(jī)飛控地面模擬試驗(yàn)需求出發(fā)，介紹了慣導(dǎo)信號仿真器的軟硬件架構(gòu)和故障注入模塊，并將此仿真器成功應(yīng)用到慣導(dǎo)信號仿真中。在不具備IRS真件的前提下，利用該仿真器仿真了滿足需求的慣導(dǎo)俯仰角速率Arinc429總線掃頻信號，縮短時(shí)間周期，提高了試驗(yàn)效率。仿真器為故障類試驗(yàn)提供了一種可行、快捷的試驗(yàn)手段。