RNP系統仿真驗證平臺架構研究

摘 要：所需導航性能（RNP）運行是新航行系統的核心，其提出了航行方式從基于傳感器導航到基于性能導航的轉變，并且對飛機的系統架構設計及系統性能提出了新的要求。在設計階段，對RNP系統的方案架構、性能和功能的有效評估和驗證就顯得十分重要。基于RNP系統的設計架構，該文主要介紹了RNP系統仿真驗證平臺架構的設計方案及對仿真軟件的設計要求，其將用于對RNP系統整體的功能和性能進行評估、分析和驗證，從而為飛機的系統研發提供重要的技術支持和驗證手段。

關鍵詞：飛行管理系統 綜合導航系統 RNP 仿真平臺

中圖分類號：V249.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0082-02

隨著航空器機載設備能力的提高以及衛星導航等先進技術的不斷發展，國際民航組織（ICAO）提出了基于性能的導航（Performance Based Navigation， PBN）概念。PBN包含導航設施、導航規范和導航應用等方面。其中導航規范規定了導航系統的功能、性能和傳感器等方面的要求，是PBN實施的關鍵。其包含所需導航性能（RNP）規范和區域導航（RNAV）規范。RNP定義了飛機在一個確定的航路、空域或區域運行時所需的導航性能，對導航的精度、完好性、連續性和可用性提出了要求。RNP是未來航行系統（Future Air Navigation System， FANS）和下一代航空運輸系統（Next Generation Air Transportation System， NexGen）的重要技術。RNP的引入體現了航行方式從基于傳感器導航到基于性能導航的轉變。RNP標準對包括飛行管理系統（FMS）、自動飛行系統、導航傳感器等航空電子系統的結構與性能提出了新的要求。設計符合RNP規范與標準的飛機系統架構，并開發對應的仿真平臺，用于RNP系統進行驗證和評估，將為現代客機的研發提供重要的輔助作用和技術支持。

1 RNP系統仿真驗證平臺設計目標

RNP系統仿真驗證平臺主要實現飛機RNP相關的核心子系統的功能仿真，包括飛行管理系統[1]、高性能綜合導航系統[2]、顯示系統[3]和飛控系統[4]等。再加上飛機模型和環境模型，構成一個閉環系統，來進行RNP系統的性能分析、評估和驗證。RNP系統仿真驗證平臺通過飛行管理系統執行飛行計劃、軌跡預測、性能計算以及飛行導引的核心功能，并與飛控系統和高性能綜合導航系統模塊進行數據通信和指令傳輸，實現系統的實時閉環仿真。同時，高性能綜合導航系統融合各導航設備的數據，對RNP系統整體的性能評估、分析和驗證，實現RNP性能監測和告警。RNP性能仿真驗證平臺應具備以下主要功能：

（1）仿真RNP核心子系統的功能。

（2）仿真飛機模型及運行環境模型。

（3）提供可視化、交互式的仿真環境。

（4）實現RNP系統整體性能的綜合評估、分析及驗證。

（5）實現RNP核心子系統模塊的功能性和原理性仿真與系統集成，輔助系統的設計及驗證。

2 RNP系統仿真驗證平臺的架構

2.1 RNP系統集成平臺架構

RNP系統集成平臺的邏輯架構如圖1所示。

飛機仿真模塊可以包括飛機模型、飛控系統、電源系統、液壓系統、發動機系統和自動油門系統。

真實航電設備和數據采集設備可以為部分或全部的機載真實航電系統。

飛控系統仿真模塊包括自動飛行和飛行指引系統。

2.2 RNP系統仿真驗證平臺架構

2.2.1 RNP系統仿真驗證平臺系統模型

為實現平臺設計目標，RNP系統仿真驗證平臺需要由多個系統模型組成，見圖2。

（1）高性能綜合導航系統模型：是多傳感器的導航系統，主要實現：多種導航傳感器信息融合、導航模式管理、無線電導航臺的自動調諧和RNP性能評估與監測告警等功能。

（2）飛行管理系統（FMS）模型：主要實現飛行計劃、軌跡預測、性能計算以及飛行導引的等核心功能。

（3）顯示模型：主要實現電子飛行儀表系統仿真（包括主飛行顯示、導航顯示、告警顯示等），人機交互界面仿真等功能。

（4）ISA模型：是國際標準大氣（ISA）的模型。主要仿真隨飛行高度變化的地球大氣的壓力、溫度、密度和粘稠度等數據。需符合ICAO Doc 7488規范。

（5）大氣擾動模型：主要仿真在各飛行階段的風和氣流擾動的影響，和在起飛和著落階段的下擊暴流的影響。

（6）飛機模型：是一個6自由度的飛機模型，主要仿真飛機的運動狀態。其輸出所有的飛機動態參數。

（7）發動機模型：主要仿真發動機性能和推力等參數。

（8）主飛行導引系統（AFGS）模型：其包括自動駕駛和自動油門功能的仿真。主要產生橫滾和俯仰姿態指令、航向指令和推力或速度指令等。

（9）飛行控制系統（FCS）模型：其用于控制飛機，主要實現將控制指令轉換成實際的飛機控制信號。

（10）氣象預測模型：用于仿真各種氣象環境。

2.2.2 RNP系統仿真驗證平臺架構

RNP系統仿真驗證平臺架構如圖3所示。該架構描述了各系統模型間的邏輯關系和接口關系。

這里將對平臺的軟件設計做一些規范性的研究，不對硬件環境的要求進行闡述。

2.3 RNP仿真驗證平臺軟件系統架構

2.3.1 模塊化軟件設計

所有的仿真軟件需依據模塊化開發。模塊化的程度根據RNP系統各分解模塊來決定，使改變任一模塊對其他模塊的影響降到最低。模塊化軟件的設計是至上而下的軟件設計方法，其強調把RNP系統仿真軟件系統分解到獨立的、可互換的功能模塊，使每個模塊來執行唯一的期望功能。模塊化軟件應該滿足下面一些要求：

（1）每個模塊的結構應該簡單易理解。

（2）每個模塊的執行易于改變，不會影響其他模塊的運行。

（3）每個模塊易于修改，不會對模塊間的接口產生變動，或盡可能的減少對接口的影響。

2.3.2 RNP仿真驗證平臺軟件架構

RNP仿真驗證平臺軟件系統架構由多個頂層軟件模塊組成，見圖4。每個頂層軟件模塊可以分解成多個底層軟件模塊。

3 結語

該文介紹了RNP系統仿真驗證平臺架構設計。隨著新航行系統的發展，RNP系統越來越顯示其重要性。RNP系統仿真驗證平臺的建設，有助于開展對RNP系統的設計、性能評估及驗證工作。同時對RNP系統的性能和功能需求提供了有效的仿真驗證手段。

參考文獻

[1]宗軍耀.大型客機飛行管理系統功能研究[J].科技創新導報，2011（32）：210-211.

[2]宗軍耀，鄭智明，張琛.基于RNP運行的機載綜合導航系統的架構和功能分析研究[J].中國高新技術企業，2014，（25）：7-8.

[3]Ian Moir，Allan G Seabridge. Civil Avionics Systems[M]. rofessional Engineering Publishing UK，2003.

[4]Ian Moir，Allan G Seabridge.飛機系統機械、電氣和航空電子分系統綜合[M].航空工業出版社，2001.