民用飛機慣性基準系統功能建模研究

劉利朝　鄭智明

摘 要：民用飛機系統設計過程中，通過功能建模可以體現系統功能的追溯性和交聯關系。EA軟件可以完成從需求收集到模型設計到測試和維護的整個系統開發過程。該文以EA為平臺詳細分析了慣性基準系統的功能建模過程，建立了功能層級圖和數據流圖，對慣性基準系統的系統設計工作有重要的參考意義。

關鍵詞：慣性基準系統 功能建模 功能分解

中圖分類號：V214 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0043-02

慣性基準系統（Inertial Reference System，IRS）作為一種高精度的自主式導航系統在現代大型民用飛機上已經得到了廣泛的應用。在早期的飛機系統研制和設計過程中，通過功能建模的手段不僅可以清楚地呈現慣性基準系統與飛機各系統的交聯關系，使得系統與子系統之間的追溯關系清晰、完整。同時功能建模過程中系統功能的迭代和嵌套可以作為飛機后續詳細設計階段參考。

基于以上分析，該文以EA軟件作為功能建模平臺，論述了飛機慣性基準系統的功能建模方法。

1 功能分解

飛機級功能主要來源于市場需求和飛機的操作理念。進行飛機級功能的定義和分解時一般要遵循以下原則：（1）以需求為牽引，從上級功能分解到下級功能，以下級功能支撐上級功能；（2）確保功能的完整性；（3）盡量減少功能的重疊和交叉；（4）盡量提升功能級別，減少功能層次；（5）應將功能分解到合適的層次，便于進行飛機級的功能危害性分析。

根據功能分解的一般原則，可以將飛機的功能按照基礎功能、主要功能，功能、子功能的層級順序進行逐步分解，最終分配到責任系統。根據飛機級功能定義，最終有3項飛機級子功能分配到IRS，分別是：提供姿態、提供航向和提供位置，其追溯過程如下。

“從起點運動到終點”功能定義為：首先要提供導航和導引，明確目前的位置并指示設定軌跡，然后控制飛機的姿態、速度、高度及其他相關功能，使飛機沿預定軌跡飛行。此功能分解為“控制飛機”和“導航與導引功能”兩個主要功能。

“控制飛機”即通過控制飛機的系統或部件，使飛機以預定的姿態、速度、高度等，完成在空中和地面的運動，可以分解為：“為控制飛機提供信息”的功能，繼而分解出“提供姿態”的子功能。

“導航與導引”即提供飛機在地球坐標系的位置信息，為自動飛行系統提供導引指令信息。包括導航和導引功能，導航功能可以分解出“提供航向”和“提供位置”的子功能。

2 EA建模

2.1 建模目標

EA是一個基于UML的設計和分析工具，通過EA可以完成從需求收集到模型設計到測試和維護的整個系統開發過程，而且使整個系統建模具有可追溯性。

該文主要通過功能層級圖（BDD）和數據流圖（IBD）的建模以在系統設計過程中輔助實現以下目標：（1）確保系統的架構可以完成飛機任務；（2）確保所有航線可更換元件（LRU）的接口被明確定義；（3）確保系統架構滿足安全性和可靠性要求。

2.2 功能層級圖

根據系統的功能分解和IRS的功能追溯過程，在系統建模過程中通過單元框來代表特定功能，通過系統的功能分解過程，可以建立IRS的功能層級圖。功能層級圖可以用來捕獲所有相關系統的功能，并將其按分組形式進行管理以確保所有功能不遺漏且不重復。根據功能分解過程，圖1給出了IRS的功能層級圖。

2.3 數據流圖

通過IBD可以建立IRS的各個功能與其他系統功能之間的數據接口，同時可以驗證每個功能所具有的數據的完整性。功能端口用來定義數據流的輸入或輸出，命名規則為： p代表數據端口，i/o代表數據輸入或輸出，XXXData代表具體數據信息。例如：poAttitudeData表示輸出姿態數據的端口。

2.3.1 提供姿態

IRS的提供姿態功能與其他系統的功能交聯關系包括：輸出姿態信息給指示記錄系統作為主要飛行信息進行顯示；輸出姿態信息給飛行管理系統（FMS）用于實現飛行計劃、導航計算、水平和垂直導引、軌跡預測和性能管理和所需到達時間（RTA）功能；輸出姿態信息給綜合監視系統（ISS）用以實現地形預測告警、氣象信息和預測型風切變告警、交通防撞、應答機、廣播式自動相關監視發送和接收功能；輸出姿態信息給自動飛行系統（AFCS）用于實現飛行導引和控制功能功能；輸出姿態信息給飛控系統用于在三軸方向控制飛機。

2.3.2 提供航向

IRS的提供航向功能與指示記錄系統的顯示功能、FMS、ISS、AFCS和飛控系統統的相關功用都有數據交互關系。與提供姿態功能比較，主要差異體現在為：FMS的所需到達時間功能實現不需要航向信息，飛控系統使用航向信息以控制飛機進行滾轉、偏航。

2.3.3 提供位置

IRS的提供位置功能與其他系統的功能交聯關系包括：接收GNSS的位置信息進行處理輸出高精度的組合位置信息給FMS和ISS，同時輸出位置信息給通信系統用以實現數據鏈通信功能。

3 結語

在飛機的研發設計過程中，對系統的功能進行建模對后續的系統設計有很大幫助。該文主要論述了IRS系統的功能分解過程，并以EA軟件為平臺建立了IRS的功能層級圖和功能數據流圖，體現了IRS功能的可追溯和功能之間的交互關系。

參考文獻

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