航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺設計技術研究

朱曉飛 李震華

摘? 要：設計實現(xiàn)航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺是為了能夠保證整個航電仿真系統(tǒng)成功研制的重要技術。本文中提出了一種適用多樣系統(tǒng)總線協(xié)議的航電模擬仿真系統(tǒng)集成驗證平臺的設計技術方案，解決了傳統(tǒng)式航電模擬仿真系統(tǒng)集成驗證平臺的單一性和擴展性的難題，滿足系統(tǒng)集成度高、交聯(lián)關系繁雜的航電系統(tǒng)集成驗證要求。該平臺可運用于航電系統(tǒng)的半物理集成、全數(shù)字集成以及全實物動態(tài)集成，確保試驗各環(huán)節(jié)的銜接、航電系統(tǒng)集成效率高和航電系統(tǒng)集成的質(zhì)量。

關鍵詞：航電仿真系統(tǒng)? 集成驗證? 總線激勵? 全數(shù)字仿真

中圖分類號：V243;TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0013-03

Abstract： The design and implementation of avionics simulation system integration verification platform is an important technology to ensure the successful development of the whole avionics simulation system. In this paper， a design technology scheme of avionics simulation system integration verification platform which is suitable for various system bus protocols is proposed， which solves the problems of single and expansibility of traditional avionics simulation system integration verification platform， and meets the requirements of avionics system integration verification with high system integration and complex cross-linking relationship. The platform can be used for semi physical integration， full digital integration and all physical dynamic integration of avionics system to ensure the connection of test links， high efficiency of avionics system integration and quality of avionics system integration.

Key Words： Avionic simulation system; Integration verification; Bus excitation; Digital simulation

綜合航空電子系統(tǒng)簡稱“航電系統(tǒng)”。是現(xiàn)代民用型飛機重要的構成部分，飛機的性能和飛機的安全性與航電系統(tǒng)息息相關。換句話說，沒有高性能的航電系統(tǒng)，就沒有高性能的飛機。因為民用型飛機的研發(fā)必須符合國際民航的飛行安全各類規(guī)章制度，滿足適航要求，因而針對飛機的各類核心技術，從系統(tǒng)設計再到商產(chǎn)研發(fā)，都要進行相對應的試驗室試驗驗證到試飛的試驗驗證工作，最終達到適航審定的每項標準。而在地面試驗室開展試驗室集成試驗，完成航電系統(tǒng)的試驗室集成，早已變成各航空科研單位、飛機生產(chǎn)制造單位的普遍選擇。

目前民用型飛機的航電系統(tǒng)之間利用A429總線和AFDX總線傳送數(shù)據(jù)，另外也有很多的離散量進行數(shù)據(jù)信息的傳送。飛機在飛行時，這些數(shù)據(jù)會頻密地輸入或輸出，而現(xiàn)階段，還沒有一種專門針對這類大量數(shù)據(jù)信息的頻密交換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和管理的專業(yè)集成化驗證平臺。文中對于傳統(tǒng)式航電模擬仿真系統(tǒng)集成驗證平臺的作用不多樣、擴展性不強和操作性不人性化的難題，提出一種適用于多種總線協(xié)議書的通用性航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺的設計技術方案。

1? 航電仿真系統(tǒng)集成驗證思路

為了高效地執(zhí)行逐層化集成策略， 需搭建航電模擬仿真系統(tǒng)集成驗證平臺。該試驗平臺既能夠用于航電系統(tǒng)仿真模型，支持航電系統(tǒng)研發(fā)試驗，具有接口數(shù)勵能力以外，還能有一整套高效率的配線系統(tǒng)，以便對系統(tǒng)進行真件/仿真件切換。

航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺的關鍵作用，就是對航電仿真部件或控制模塊進行集成驗證。如圖1，該平面圖為通信導航仿真系統(tǒng)試驗臺中各系統(tǒng)之間關系。該平臺由飛行模擬仿真系統(tǒng)、總線激勵系統(tǒng)和綜合性顯示系統(tǒng)構成，可對左、右航電系統(tǒng)的通信、導航、監(jiān)視模擬仿真部件或控制模塊進行測試。當其余的系統(tǒng)組件模塊需要進行驗證時，只需添加相應的總線激勵信號，即可進行。

2? 航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺結構設計

航空電子模擬仿真系統(tǒng)集成驗證服務平臺為航空電子系統(tǒng)總線接口模擬仿真，航空電子系統(tǒng)真件和航空電子系統(tǒng)模型提供了統(tǒng)一的軟件環(huán)境，在一樣的試驗構型配置條件下，構建一樣的試驗構型，并且能夠十分便捷地在半物理、全數(shù)字和全實物三種情況之間切換，適用于從設備到子系統(tǒng)、系統(tǒng)及飛機級不一樣要求的試驗。試驗平臺由機器設備架，飛行模擬仿真，工程駕駛室，布線系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和故障注入控制模塊等系統(tǒng)組合而成。該試驗平臺整合了航空電子系統(tǒng)及與其有交聯(lián)關系的飛機系統(tǒng)。上述系統(tǒng)有兩種不同工作模式，分別為：真實的航線可替換單元和該系統(tǒng)控制器的仿真器。仿真器使用模擬仿真驅動程序進行后臺管理，而仿真器的仿真是基于接口控制文件的接口仿真。飛行模擬仿真能顯示標準大氣仿真模型、無線通信導航站仿真模型、摩擦力和機場等。飛行模擬仿真和飛行環(huán)境模擬仿真分別提供環(huán)境數(shù)據(jù)信息激勵源和飛機飛行狀態(tài)，為航空電子系統(tǒng)的測試進行服務。

3? 航電系統(tǒng)的集成

航電系統(tǒng)集成起初是全數(shù)字集成，之后則用含有物理學系統(tǒng)總線接口的仿真件來取而代之，再將所有的仿真件換成真件，最后完成航電全系統(tǒng)情景的試驗。在飛機航電系統(tǒng)集成全過程中，利用Virtual Avionics Prototyping System（高效航空電子原型系統(tǒng)），設計了顯示系統(tǒng)模型及其有關的頂部控制版，用于對飛行員操作程序和顯示器接口邏輯進行虛擬集成。各系統(tǒng)模型統(tǒng)一運行在航電系統(tǒng)全數(shù)字網(wǎng)絡環(huán)境中，對航電系統(tǒng)開展集成，全面驗證系統(tǒng)間數(shù)據(jù)信號傳送和邏輯接口，并對每個仿真模型構成的航電系統(tǒng)功能和飛行員操作程序開展驗證。

根據(jù)航空電子系統(tǒng)仿真建模的規(guī)定標準，第一步是構建一套通用飛行仿真和飛行環(huán)境仿真模型。該套模型用于整個飛行過程中，飛機的動態(tài)仿真，并提供飛行仿真和飛行環(huán)境仿真接口;根據(jù)飛機設計規(guī)范和設計接口控制文件，第二步便是構建飛機系統(tǒng)和傳感器模型，利用面向數(shù)據(jù)的發(fā)布機制，來完成與飛行仿真和飛行環(huán)境仿真的集成。之后，集成過程逐漸演變成半物理仿真集成階段。在此階段，模型的輸入和輸出數(shù)據(jù)通過硬件板卡發(fā)送到用于與其它系統(tǒng)通信的真實的飛機網(wǎng)絡中。某型號飛機的航空電子系統(tǒng)主要采用了A429總線，A664總線和A825總線三種總線。系統(tǒng)模型和各種類型的總線板結合在一起形成一個半物理環(huán)境，系統(tǒng)在該環(huán)境中完成輸入/輸出接口和邏輯功能驗證。在半物理模擬集成階段完成之后，集成過程逐漸被全實物集成階段所取代。當處于全實物在環(huán)集成階段時，每個航空電子設備都通過激勵器激勵來工作。航空電子系統(tǒng)的激勵器和非航空電子系統(tǒng)的模擬仿真器的數(shù)據(jù)信息來源于統(tǒng)一的飛行仿真與飛行環(huán)境仿真。在這種構型情況下，完成基于真實飛行情景的航空電子系統(tǒng)全實物在環(huán)動態(tài)集成試驗。

4? 航電仿真系統(tǒng)總線激勵系統(tǒng)的實現(xiàn)

依據(jù)總線激勵系統(tǒng)所要完成的功能，根據(jù)設計原理，對總線激勵系統(tǒng)從大體上開展層級劃分，創(chuàng)建總線激勵系統(tǒng)的層級抽象模型。以離散量數(shù)據(jù)量和A429總線數(shù)據(jù)量的傳送為例子開展剖析?？偩€激勵系統(tǒng)被劃分成3個層級，即功能應用層、邏輯映射層和物理資源層。

功能應用層包含激勵控制模塊和響應顯示模塊。激勵控制功能模塊，在動態(tài)仿真時，剖析環(huán)境控制下的飛行參數(shù)，并轉成激勵參數(shù);最終把激勵參數(shù)編碼成總線數(shù)據(jù)即離散量信號或A429總線數(shù)據(jù)。航電仿真組件向總線激勵系統(tǒng)發(fā)出總線數(shù)據(jù)，經(jīng)過物理資源層、邏輯映射層后傳送到功能應用層的響應顯示功能模塊。在此功能模塊內(nèi)，對總線數(shù)據(jù)解碼，將解碼后的數(shù)據(jù)顯示出來。邏輯映射層選用緩沖區(qū)的方式，不管物理資源層選用何種板卡或驅動軟件程序，都是把采集到的A429總線數(shù)據(jù)及離散量數(shù)據(jù)置于“物理A429總線”緩沖區(qū)和“物理離散量”緩沖區(qū)域中，為物理資源層和功能應用層提供一致的接收和發(fā)送接口。

5? 航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺總線數(shù)據(jù)激勵測試

通過總線數(shù)據(jù)激勵測試來驗證航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺符合最初設計要求。以下是通信導航仿真系統(tǒng)的集成測試中的一條測試項：當測試仿真系統(tǒng)的A429總線輸入數(shù)據(jù)時，通過集成驗證平臺將相應的A429總線數(shù)據(jù)發(fā)送到不同的總線通道，并檢查接收到的數(shù)據(jù)是否與相應通信導航系統(tǒng)仿真的相應模塊中的測試數(shù)據(jù)一致。以通信導航系統(tǒng)的甚高頻模塊測試為例，測試步驟如下：

（1）將甚高頻模塊的總線切換至動態(tài)仿真狀態(tài);

（2）在A429總線上找到需要設置的總線，并設置該頻率為30Hz;

（3）發(fā)送端設置完成后，在A429總線接收窗口中找到相應的總線，觀察到接收端收到并最終顯示出的值與發(fā)送端上設置的值一致，為30Hz。

由上可知，實際測試值與理論值保持一致，說明航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺滿足要求。

6? 結語

本文提出了一種適用與多種總線協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诫姺抡嫦到y(tǒng)集成驗證平臺的設計與實現(xiàn)方案，并搭建了航電模擬仿真系統(tǒng)集成驗證平臺。該平臺可以靈活地切換各種試驗構型配置，以支持航電系統(tǒng)系統(tǒng)級別，子系統(tǒng)級別，原型原理級別和飛機級別的集成驗證。整項驗證在飛行仿真環(huán)境一致的情況下進行，向各系統(tǒng)真件和仿真模型提供了統(tǒng)一的動態(tài)集成環(huán)境。航電模擬仿真系統(tǒng)集成驗證平臺設計技術使各個階段集成的繼承性和集成效率得到了大大的提升，在確保了集成質(zhì)量的同時，更提高了航電系統(tǒng)集成驗證的有效性和可信度。

參考文獻

[1] 張瀟，王立松，讓濤.基于模型的綜合航電平臺初步設計[J].計算機與現(xiàn)代化，2016，250（6）：29-35.

[2] 叢帥，王明波，安田江，華思亮.基于模型的航電系統(tǒng)研發(fā)方法研究[J].測控技術，2015，34（1）：126-129.

[3] 李濤，葉波，羅鑫.基于RFLP模型的飛機復雜系統(tǒng)總裝工藝流程設計[J].航空制造技術，2020，63（6）：24-31.

[4] 彭妮娜.航電仿真評估系統(tǒng)動態(tài)飛行參數(shù)生成技術的研究[D].北京：中國民航大學，2015.

[5] 朱川，徐德勝，謝殿煌，等.民用飛機集成驗證平臺規(guī)劃研究[J].民用飛機設計與研究，2018，131（4）：50-55.

[6] 曹亞男.航電系統(tǒng)通用仿真平臺的設計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2018.

[7] 周德新，彭妮娜，馬騰達.航電仿真系統(tǒng)集成驗證平臺設計方法的研究[J].自動化與儀表，2015，30（3）：1-5.

[8] 張婧瑜.航電仿真評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時顯示技術研究[D].天津：中國民航大學，2015.

[9] 徐永強.航電系統(tǒng)集成測試技術應用研究[J].直升機技術，2019（4）：44-47.

[10] 張宇龍.航電全任務數(shù)字仿真系統(tǒng)架構設計與驗證[D].成都：電子科技大學，2015.