飛行仿真系統(tǒng)

1.系統(tǒng)組成

飛行仿真系統(tǒng)主要配置如下表所示。

2.系統(tǒng)功能

a) 飛行參數(shù)仿真功能。為航電仿真中的子系統(tǒng)提供大氣、慣導等飛行參數(shù)數(shù)據(jù)，模擬飛機在飛行狀態(tài)中大氣、慣導等系統(tǒng)數(shù)據(jù)；

b) 飛行航路點配置功能。從地圖中配置飛機的飛行航路點，按照配置好的航路點進行模擬飛行，判斷成品是否按規(guī)定顯示飛行線路；

c) 虛擬三維視景仿真功能。以虛擬三維視景的形式顯示飛機的飛行狀態(tài)，并可進行各種氣象環(huán)境等條件切換和多種視角的切換；

d) 虛擬儀表顯示功能。模擬飛機在飛行狀態(tài)中各種儀表的顯示數(shù)據(jù)，將其與真實儀表數(shù)據(jù)進行比較，以判斷儀表通信是否正常；

e) 數(shù)據(jù)交互通信功能。通過采集數(shù)據(jù)庫中的ICD配置文件，通過網(wǎng)絡發(fā)送給數(shù)據(jù)通信軟件，實現(xiàn)與信號仿真系統(tǒng)，以完成飛行參數(shù)的仿真。

  3. 工作原理

4.實現(xiàn)方法

a) 結(jié)構(gòu)設計

1) 采用琴鍵式操作臺的形式；

2) 將仿真模型計算機、儀表顯示計算機、模擬飛行計算機的啟動開關、LAN、USB等接口引至控制面板上，以方便操作。

b) 選型設計

1) 仿真模型計算機、儀表顯示計算機、模擬飛行計算機、工業(yè)顯示器、VGA切換裝置、交換機選用國內(nèi)外比較的廠家生產(chǎn)的通用、成熟及市場保有量大的產(chǎn)品；

2) 仿真模型計算機、儀表顯示計算機、模擬飛行計算機采用高性能工作站。

c) 功能設計

1) 通過飛行仿真軟件實現(xiàn)飛行參數(shù)的仿真、飛行航路點的配置、儀表數(shù)據(jù)的顯示和虛擬三維視景的仿真；

2) 通過以太網(wǎng)（TCP協(xié)議）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；

3) 通過高清投影儀的投射（VGA切換裝置）實現(xiàn)虛擬三維視景的顯示；

4) 通過光纖交換機實現(xiàn)各計算機之間的連接同時保證飛行仿真系統(tǒng)和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

5.飛行仿真軟件

a) 概述

飛行仿真軟件主要為航電仿真中的子系統(tǒng)提供飛行參數(shù)數(shù)據(jù)、飛行航路點數(shù)據(jù)，飛行仿真軟件中的飛機模型可以按照選定的飛行剖面圖按固定航路點進行模擬飛行，該軟件可以將配置好的航路點通過TCP網(wǎng)絡發(fā)給數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)打包后發(fā)給成品件，判斷成品件是否按規(guī)定顯示飛行路線。飛行仿真軟件可以將飛行數(shù)據(jù)以虛擬儀表的形式顯示出來，并能與實際儀表數(shù)據(jù)進行比對，判斷成品件的正確性。飛行仿真系統(tǒng)軟件顯示效果如圖17所示。

飛行仿真軟件基于flight gear開源軟件進行定制開發(fā)，通過flight gear軟件二次開發(fā)接口進行將飛行仿真功能進行系統(tǒng)集成，可以真實模擬教練機的飛行特性和場景,并通過TCP協(xié)議訪問存儲ICD文件的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與數(shù)據(jù)通信軟件的數(shù)據(jù)交互，并實現(xiàn)與其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交聯(lián)功能。從而實現(xiàn)在環(huán)飛行仿真以及全數(shù)字飛行仿真功能。飛行仿真軟件的總體架構(gòu)如下圖所示。

從上圖可知,飛行仿真軟件通過接受駕駛桿反饋的信號,進行飛控模型結(jié)算,并將飛機姿態(tài)等特性參數(shù)傳輸?shù)揭暰胺抡婺Ｐ?驅(qū)動飛機的動作響應和視景顯示。通過調(diào)取航線數(shù)據(jù)庫中航路點信息,計算飛行軌跡和方位,建立航電系統(tǒng)大氣數(shù)據(jù)和慣性基準系統(tǒng)仿真模型,并通過TCP協(xié)議實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)通信軟件,形成符合ICD規(guī)范的航空電子總線數(shù)據(jù),并按照飛機ICD定義仿真輸出各類航電參數(shù),以驅(qū)動被測系統(tǒng)的輸出和顯示。

飛行仿真軟件功能模塊主要由以下幾個部分組成：

1) 6自由度的飛機仿真模型，可以模擬飛機在不同場景下的飛行狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)，能逼真模擬教練機的氣動特性，為待測系統(tǒng)輸出各種飛行參數(shù)。

2) 飛機非航電系統(tǒng)的各類仿真模型，可以提供飛機機載系統(tǒng)的動態(tài)模型庫，包括飛行控制系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等。支持飛機的動態(tài)模擬和仿真。

3) 逼真的飛機外形和機體模型，該模型可以仿真飛機外表形態(tài)以及真實的飛行、格斗過程，為試驗人員提供逼真的動態(tài)飛行效果。

4) 逼真的3D視景仿真模型，可以為飛行仿真軟件提供可視化程度*的視景畫面的仿真，至少包括機外視角、前視角、內(nèi)部視角等多種視角的視景輸出，提供機場、地面塔臺、地面地形的仿真模型。為試驗人員提供舒適、直觀的可視化界面。

5) 豐富的環(huán)境仿真模型，可以模擬不同天氣、地形、時間、季節(jié)、云層等多種多樣的環(huán)境系統(tǒng)仿真，可以保證試驗人員選取優(yōu)的試驗環(huán)境場景進行試驗。

6) 接口仿真模型，可以與外部其它系統(tǒng)通過TCP通信協(xié)議傳輸各種數(shù)據(jù)，保證飛行仿真軟件與其它軟件的協(xié)同工作。

具體模型調(diào)度關系如圖19所示。

b) 工作流程

飛行仿真軟件運行和使用遵從以下的主要工作流程。

飛行仿真軟件工作流程圖

1) 根據(jù)飛機模型配置其飛行參數(shù)，通過地圖配置飛行航路點；

2) 將飛行參數(shù)配置信號和飛行航路點配置信息生成xml的可識別配置文件；

3) 從xml文件中讀取飛行參數(shù)數(shù)據(jù)和飛行航路點信息，通過TCP協(xié)議下發(fā)到數(shù)據(jù)通信軟件；同時通過虛擬儀表模塊顯示飛行參數(shù)，通過虛擬三維視景模塊顯示飛機的飛行過程；

4) 數(shù)據(jù)通信軟件通過網(wǎng)絡傳輸接收到模型實時仿真的飛行參數(shù)后，根據(jù)ICD配置文件進行封裝相應的仿真信號，并調(diào)用相應的仿真模塊進行信號仿真；

5) 聯(lián)試儀表設備通過數(shù)據(jù)通信軟件的傳輸和硬件交聯(lián)實現(xiàn)飛行過程中飛行數(shù)據(jù)的實時顯示，通過虛擬儀表數(shù)據(jù)和實際儀表數(shù)據(jù)進行對比，判斷通信是否正常。

c) 軟件設計

1) 飛行參數(shù)配置

飛行仿真軟件可以選擇飛機模型，然后在選擇的飛機模型中進行飛行參數(shù)配置，主要實現(xiàn)機載系統(tǒng)（大氣系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)）參數(shù)的初始化配置（如經(jīng)度、緯度、高度、空速、側(cè)滑角、俯仰角、爬升率、俯仰角速率、偏航角速率等）。

將飛行參數(shù)配置為xml配置文檔，對飛行模型的配置參數(shù)進行定制化封裝與處理， xml文件解析器通過對應屬性的逐層解析將配置參數(shù)依此加載于模型當中，具體解析流程如下圖所示。

XML文檔解析流程圖

2) 飛行航路點規(guī)劃

飛行仿真系統(tǒng)的飛行航路點規(guī)劃是利用kelpie飛行規(guī)劃軟件進行定制開發(fā)實現(xiàn)?？梢越崟r地圖，選擇起降機場和途徑機場后，將規(guī)劃好的航路點信息（包括機場和航路點的經(jīng)度、緯度信息等）配置成相應格式的數(shù)據(jù)，并對配置好的數(shù)據(jù)進行定制化封裝與處理，后通過TCP協(xié)議下發(fā)給數(shù)據(jù)通信軟件。數(shù)據(jù)通信軟件將依據(jù)ICD格式打包該數(shù)據(jù)，并發(fā)送給待測系統(tǒng)。圖1為飛行計劃設置界面示意圖，圖2為飛行計劃起飛/著陸機場設置界面示意圖。

圖1飛行計劃設置界面

圖2 飛行計劃起飛/著陸機場設置界面

3) 飛機飛行過程仿真

飛行仿真軟件主要仿真教練機飛機特性，能模擬飛機飛行中的各個飛行階段，包括：

l 機場選擇階段

l 飛行準備階段

l 飛機啟動|發(fā)動機點火階段

l 滑行階段

l 起飛階段

l 巡航階段

l 下降階段

l 進近階段

l 著陸階段

FlightGear仿真軟件提供包含大量的飛機和航電系統(tǒng)仿真模型，如表2所示。本飛行仿真軟件選用了其中的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)模型和慣性導航系統(tǒng)模型。并提供了飛行仿真軟件的升級兼容功能，可以方便的將其它系統(tǒng)模型集成，在原有的基礎上進行二次開發(fā)。

4) 飛機飛行環(huán)境仿真及飛行參數(shù)設置

飛行仿真軟件可以提供如表3所示的飛機飛行環(huán)境系統(tǒng)，飛行仿真軟件可以利用易于操作的設置界面對各種飛行環(huán)境系統(tǒng)進行設置，模擬各種各樣的飛行場景，為試驗人員提供充足的試驗場景。

所有飛行環(huán)境系統(tǒng)的設置都是通過HMI（人機交換配置界面）或者命令行形式完成。下面是一些HMI設置界面的實例。

初始位置設置界面

初始位置設置

天氣設置界面，可以通過此窗口設置不同的氣象條件。

天氣設置界面

 主設置界面

5) 虛擬儀表顯示

針對飛機模型所能提供的儀表參數(shù)和格式通過Visual Studio 2012和VAPS軟件實現(xiàn)，在保證數(shù)據(jù)真實以及通信順暢的前提下實現(xiàn)儀表狀態(tài)的實時還原，預警信息功能的完善。實現(xiàn)參試部品和虛擬儀表的同時顯示，保證仿真生成的參數(shù)可以及時與參試部品進行核對檢驗。

6) 虛擬地圖顯示

飛行仿真軟件采用國際上較通用的Atlas地圖軟件實現(xiàn)，并將其集成到飛行仿真軟件中，實現(xiàn)實時顯示飛機飛行路徑三維地理地圖。圖1為飛機飛行實時地圖顯示。圖2為進近階段機場附近飛機飛行顯示。

圖1飛機飛行實時地圖顯示

圖2為進近階段飛機飛行顯示

7) 虛擬三維視景仿真

飛行仿真軟件可以根據(jù)飛行參數(shù)和飛行航路點配置信息進行自動和手動飛行，飛行過程中加載飛機與視景并按照配置的航路點進行模擬飛行，同時生成三維、多視角的飛行動畫，并將三維效果實時顯示在屏幕上，可以顯示真實地景和設定的航路點，從而檢驗飛機是否按照規(guī)定顯示飛行。虛擬三維視景的效果如下圖所示。

圖31 虛擬三維視景仿真效果圖

8) 數(shù)據(jù)交互功能

數(shù)據(jù)交互功能首先完成對ICD信息的配置，數(shù)據(jù)交互軟件訪問ICD配置信息數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫中的ICD信息讀入數(shù)據(jù)交互軟件，完成軟件對ICD信息的配置，在使用該軟件時，首先應完成軟件對ICD信息的配置。

在完成ICD配置信息讀入后，數(shù)據(jù)交互軟件負責接收Flight-Gear生成的飛行參數(shù)，飛行航路點規(guī)劃數(shù)據(jù)進行解析，依據(jù)配置好的ICD信息對數(shù)據(jù)格式進行封裝，并以TCP協(xié)議的通信方式將其下發(fā)給數(shù)據(jù)通信軟件，數(shù)據(jù)通信軟件將接收到的數(shù)據(jù)信息，通過仿真模塊發(fā)送給聯(lián)試部件。數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)與其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸關系如下圖所示。

數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)與其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸關系

飛行仿真軟件生成的飛行參數(shù)及相關信息如表4所示

表4 仿真軟件發(fā)出的數(shù)據(jù)及相關信息

備注：

        1.關于圖15中的信號監(jiān)控系統(tǒng)可以暫不考慮與其交聯(lián)的細節(jié)；

        2.在原平臺中，數(shù)據(jù)通信軟件與聯(lián)試測試的通信時用TCP，所以，在考慮飛行仿真軟件與數(shù)據(jù)通信軟件的通信也采用TCP的形式；