飛行模擬器中的大氣數據仿真系統設計

樊諭涵，寧偉

（1.中國航空綜合技術研究所，北京100028；2.北京藍天航空科技有限責任公司研發中心，北京100085）

飛行模擬器中的大氣數據仿真系統設計

樊諭涵1，寧偉2

（1.中國航空綜合技術研究所，北京100028；2.北京藍天航空科技有限責任公司研發中心，北京100085）

飛行模擬器的分系統建模不同于真實機載系統建模，它以地面件為載體，僅對座艙可見設備做實物仿真，目標是能夠覆蓋地面及空中的飛行科目和訓練任務。因此，對于大氣數據系統必須從原理上進行建模，才可滿足與飛行模擬器其他分系統的數據交互，逼真地呈現故障、特情等現象。通過闡述飛行模擬器系統框架，了解大氣數據仿真系統軟件駐留及硬件驅動原理。以系統輸入和輸出的交聯關系整理出軟件運行流程，最后通過系統建模及設計實例和仿真輸出證明該仿真方法的實用性。該方法已通用于多型號的不同等級模擬器中，功能可覆蓋模擬飛行訓練全任務要求。

大氣數據計算機；ADC；飛行模擬器；飛行訓練

0 引言

在飛行模擬訓練仿真領域，大氣數據仿真分系統的仿真任務是在僅有座艙可見硬件設備的仿真前提下，模擬飛機在空中的各種飛行姿態，并模擬在相應飛行姿態下傳感器的量，并將上述模擬傳感器的量輸入給相應的航空電子系統。使整個航空電子系統在地面實現“在空中”的工作。

該系統作為飛行器的主要系統之一，與發動機、自動控制、導航、火控、空中管制、顯示控制及告警系統等系統進行數據交互。其響應特性直接影響飛行模擬訓練設備的仿真度水準。而該系統作為仿真系統與真實機載系統最大的不同點就是需要通過軟件模型仿真出傳感器特性參數。因此，本文結合某飛行模擬訓練系統對ADC系統的精細化建模過程進行描述并給予準確性論證。

1 系統組成

1.1 仿真系統架構

通常情況下，大氣數據計算機（Atmosphere Data Computer）就是在獲得全靜壓受感器、總溫傳感器和其他參數（如迎角傳感器）輸入后，經解算后輸出大量的大氣數據信息提供給航電火控、飛行控制等系統，因此通常被稱為ADC。

以某型飛行模擬仿真訓練設備為例，飛行運動學、動力學、飛行控制、電源、燃油、液壓等系統仿真軟件與ADC系統同時運行在同一臺計算機中，即圖1所示模擬器主機中，并同時接受主控實時系統調度運行；各系統輸入輸出數據即主機數據通過以太網或內存反射方式與接口系統交聯。接口計算機再通過RS422串行總線激勵機載座艙設備，完成控制、驅動及顯示。

圖1 飛行仿真訓練系統結構框架示意

1.2 信號交聯

空速管、總溫傳感器及攻角傳感器是大氣數據計算機的激勵數據，作為大氣計算機的原始參數傳感器輸入信息，仍需要大氣數據仿真軟件實現模型內容的仿真。該系統與各機載仿真分系統交互關系如圖2所示。

圖2 ADC在飛行模擬訓練系統中的交聯示意圖

ADC輸出的信息主要包括：氣壓高度（Hp）、相對氣壓高度（Hc）、馬赫數（M）、大氣靜溫（Ts）、校正空速（Vc）、真空速（Vt）、升降速度（Vp）、壓力比（ρr）、真攻角（αt）、總溫（Tt）及大氣密度比（ρ/ρ0）、ADC狀態、速壓（qc）、失速告警等。

2 仿真軟件設計實現

2.1 軟件結構

依據圖2的ADC總體結構框圖信息，軟件算法流程圖如圖3所示。

2.2 傳感器數據仿真模型

以國際標準大氣的基準數據為基礎，在高度32 km以內、標準大氣條件下，上述模擬傳感器數據具體獲取方法如下：

（1）溫度T（K），壓強p（N/m2）和密度ρ（kg/m3）對于Hp≤11 000的情況下：

圖3 軟件算法流程圖

2.3 大氣計算機解算模型

在獲取到上述傳感器參數后，進入大氣計算機，進行如圖4所示的解算流程。

圖4 ADC數據解算流程

流程中各參數解算可查閱資料獲得。例如：

其中，R為氣體常數。

3 應用示例

在項目實施過程，ADC系統運行在模擬器主機中，主調用程序以100 Hz為運行周期進行調用，即時間常數τ=0.01 s，依據上述仿真設計方法應用于該實時仿真系統，示例如圖5所示。

圖5 大氣計算機氣壓高度、升降速度的獲取

依據上述大氣計算機獲取氣壓高度和升降速度的方法，截取在包含側風等氣象環境下，操作某型號飛行模擬器，完成一個起降過程的高度數據信息仿真，得到如圖6~圖8所示結果。

圖6 實時飛行高度記錄

圖7 大氣計算機輸出氣壓高度

圖8 大氣計算機輸出升降速度

4 結束語

該大氣數據系統仿真設計方法已應用于一些型號全任務飛行模擬器和高等級模擬器中。大氣數據系統建模方法及仿真思路著眼于工程實踐及應用，具備嚴謹性的同時完成了“空中”飛行參數的生成，包括傳感器特性的儀表驅動顯示，能滿足各等級模擬器的飛行任務訓練要求，并達到較為逼真的人機交互顯示效果。

[1]史國慶，張建東，高曉光，等．大氣數據計算機仿真系統可信度評估[J]．西北工業大學學報，2011，29（4）：295－299．

[2]袁梅，鮑鵬宇，董韶鵬，等．大氣數據實驗系統設計與實現[J]．實驗技術與管理，2009，26（2）：62－66．

[3]姜華南．大氣數據計算機仿真系統設計與仿真可信度的評估[D]．西安：西北工業大學，2007．

[4]馬娟．數字式大氣數據計算機的軟件設計與實現[D]．西安：西安電子科技大學，2012．

[5]李昕．大氣數據模擬器設計研究[J]．北京聯合大學學報，2009（5）：35-38．

Design of air data simulation system in the flight simulator

Fan Yuhan1，Ning Wei2
（1.China Aero-polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.Beijing Bluesky Aviation Technology Co.LTD，Beijing 100085，China）

Flight simulator system modeling is different from real airborne system modeling，because we do real simulation only to the equipment that we can see in the cabin.Flight simulator system modeling is for complete air flight course and the training task.Therefore，the air data system，must carry on the modeling in principle，so as to meet with other subsystems of flight simulator data interaction，the malfunction phenomenon.Via elucidating the flight simulator system framework，we get knowledge of atmospheric data simulation system software resides and hardware drive principle.We collect the relationship of system input and output to finishing the software running processes.The method is widely used in many models of different levels in the simulator，and its functions cover simulated flight training mission requirements.

air data computer；flight simulator；flight training

V249.32

A

1674-7720（2015）13-0021-03

2015-05-01）

樊諭涵（1986-），男，碩士，主要研究方向：信息編碼。