綜合監視系統仿真器研究

摘 要綜合監視系統作為機載航空電子系統主要的傳感器和信息源之一，能夠保證飛機在整個飛行過程中避免惡劣氣象環境、空域內其它飛機與本機距離過近以及可控飛行撞地事故等威脅，對飛行安全起到至關重要的作用。本文研究了綜合監視系統仿真器的開發，論述了綜合監視系統仿真器總體設計和各部分功能軟件設計，開發的綜合監視系統仿真器可以支持飛機型號研制初期的系統需求確認、架構確認和接口確認。

【關鍵詞】綜合監視系統 仿真器 TAWS TCAS

1 引言

綜合監視系統作為機載航空電子系統主要的傳感器和信息源之一，通過探測飛行航路上的地形、氣象以及空域交通狀況信息，幫助機組人員對周邊空域的交通狀況有全面、詳細的了解，規避惡劣氣象條件及可控飛行撞地、撞機事故，同時配合地面二次雷達詢問機，實現合理的空中交通管制。當今機載監視系統已不再是傳統意義上的單功能設備，而是對TCAS、XPDR、WXR及TAWS等功能進行了綜合化設計和數據融合，并根據機型用途、飛行空域、安全要求及成本的不同可實現多種組合與配置，它代表了一種嶄新的設計思想、技術潮流和發展方向。ARINC 公司2006年發布了ARINC768-1《綜合監視系統（ISS）》標準，2011年發布了更新版本ARINC768-22。該標準給出了ISS設計規范，定義了4 種構型的綜合監視系統，全球主要航空電子系統供應商根據自身的技術優勢和市場需求，推出了不同構型的綜合監視系統產品。

本文以采用ARINC664總線接口形式的綜合模塊化綜合監視系統為仿真對象，基于航電系統總體設計、集成、驗證的實際應用需求，總體介紹了一種綜合監視系統（ISS）仿真器設計方法。

2 綜合監視系統仿真器總體要求

綜合監視系統仿真器主要用于民用飛機型號研制初期的系統功能確認、接口確認、架構設計及航電系統集成驗證環境的設計、調試工作。基于這一應用需求，在仿真器的總體設計中，仿真器需重點滿足以下總體設計要求：

（1）便捷的系統接口定義數據（ICD）的重構功能；

（2）便捷的硬件接口通道配置更改功能；

（3）仿真模型、軟件模塊應具備可移植性；

（4）具備實時的仿真數據采集、顯示能力；

（5）提供典型的靜態氣象目標仿真能力；

（6）盡量提供與型號試飛場地一致或類似的典型近地告警場景仿真能力；

（7）提供典型的空域交通目標仿真能力，能夠模擬TCAS的各種工作模式。

3 綜合監視系統仿真器硬件架構和軟件設計

仿真器軟件主要由綜合處理I/O模塊、子功能仿真模塊、轉接單元、仿真器人機界面、千兆交換機、機柜及電纜組成，如圖1所示。其中，子功能仿真模塊由氣象雷達仿真器主機、TAWS仿真器主機和TCAS/XPDR仿真器主機三部分組成。

綜合監視系統仿真器軟件設計以WINDOWS XP為編程環境，以Microsoft Visual C++ 6.0為編程工具。仿真器軟件設計充分利用Windows操作系統的事件響應機制和多任務特性，應用多任務編程技術，提高軟件系統運行效率和響應時間；在系統設計和實現上，采用面向對象的編程思想，系統設計自上而下按功能劃分子系統和子模塊，每個子系統模塊由若干個封裝設計類來實現其功能，方便系統的重構、功能擴展和可移植性。

綜合監視系統仿真器軟件主要分為綜合處理I/O軟件、WXR（氣象雷達）仿真軟件、TAWS仿真軟件和TCAS/XPDR仿真軟件四個軟件模塊。軟件模塊之間運行相對獨立，通過以太網進行相互之間的數據交換。整體軟件框架如圖2所示。

4 氣象雷達模塊仿真設計

從飛機系統集成的角度，氣象雷達（WXR）仿真主要用于支持氣象雷達與顯示及機組告警系統交聯相關的接口、功能確認分析工作。因此對氣象雷達仿真的最主要要求就是：提供氣象、湍流、風切變、地圖等顯示系統所需的仿真數據，及與顯示數據相匹配的文字及音頻告警信息。

WXR仿真軟件的控制輸入源有監視系統控制面板和人機界面兩個，軟件啟動時默認為控制板輸入。切換策略為逐Label切換。數據自控制面板輸入后根據綜合監視系統仿真器內總線定義，按照地址分發到狀態切換和航電數據判斷。狀態切換用于切換場景，運行時可以在三個場景間進行切換，場景使用獨立的文件系統進行存儲。狀態切換輸出全部場景數據至探測模式切換。配合獨立的場景設置軟件可以進行場景設置。探測模式切換根據探測模式的不同，抽取出不同的氣象數據至目標和告警信息輸出，抽取數據規則待自動反饋邏輯落實后決定。航電數據判斷識別出不滿足合理性/合法性要求數據時，在人機界面上顯示錯誤類型；輸出數據保持最后一個正確的數據。航電數據判斷后的數據輸入目標和告警信息輸出。參數設置為目標和告警信息輸出提供必要參數，具體參數待自動反饋邏輯落實后決定。目標和告警信息輸出有自動反饋和人工設置兩種方式，啟動時默認為自動反饋。故障模擬和顯示輸入源有監視系統控制板和人機界面兩個。

5 TCAS模塊仿真設計

TCAS仿真模塊，響應綜合處理I/O模塊、監視系統控制板的控制輸入；接收航電數據輸入，判斷數據有效性，并根據特定的數據給出相應的響應；輸出TCAS目標信息（四個等級目標：無威脅（OTHER）、接近威脅（PROX）、交通咨詢（TA）和決斷咨詢（RA））；輸出TA、RA視頻和音頻告警信息；提供仿真器人機界面。

對TCAS軟件功能組成說明如下：

5.1 場景顯示

模擬顯示器顯示羅盤、距離環、TCAS目標、主機狀態和故障狀態等信息。本模塊將模擬場景中本機與目標機位置關系對應顯示到人機界面，并根據目標的威脅度等級確定目標的顯示方式。當有RA目標時，將顯示RA相關的視頻告警。輸入數據包括本機信息，目標信息，控制輸入信息，故障狀態信息等，包括整個模擬顯示界面的畫面截圖。

5.2 控制輸入

通過網絡數據接收線程，接收來自外部的網絡數據，然后根據接口協議定義，解析并獲取輸入的控制信息。通過接收來自人機界面用戶輸入獲取控制信息?？刂菩畔ń煌ㄐ畔@示開關、顯示器量程、垂直方向顯示范圍和本機狀態控制信息等。輸入數據包括外部網絡數據，用戶輸入等。輸出數據包括綜合處理I/O軟件控制信息等。

5.3 場景設置

提供典型場景選擇功能，當選擇某一典型場景后，軟件將根據選擇取出當前的場景和目標數據。顯示畫面中的模擬目標將按照預定的軌跡運動，軟件根據目標機與本機之間的關系，將對目標機與本機的空中撞擊可能性進行評估，并產生相應的視頻和音頻告警。提供靜態目標輸入工具，用戶可根據需要在當前場景中設置靜態目標，顯示畫面將顯示用戶輸入的目標信息。軟件將目標信息、告警信息等按照接口協議形式封裝后發送到綜合處理I/O軟件。輸入數據包括目標數據等。輸出數據包括目標信息、告警信息等。

5.4 故障模擬

根據用戶在軟件人機界面上進行的故障模擬操作，收集模擬故障信息，并按照接口協議形式封裝后發送到綜合處理I/O軟件。輸入數據包括人機界面數據。輸出數據包括故障信息。

6 TAWS模塊仿真設計

TAWS仿真軟件按照接口數據定義規范接收航電數據輸入（數字量與離散量接口數據），判斷輸入數據有效性，并根據特定的數據輸出特定的TAWS地形畫面信息，判斷告警模式并輸出與告警模式相匹配的告警信息。TAWS仿真軟件的輸入、輸出數據都按照以太網口通訊協議經綜合處理I/O模塊進行統一的接口數據處理。

TAWS仿真的關鍵在于根據七種近地告警模式、基于數據庫的前視地形警戒（FLTA）以及基于數據庫的過早下降（PDA）告警等目標測試場景開展典型的飛行環境及飛行模式仿真。TAWS仿真的另一個關鍵技術是解決大量地形數據的載入問題。TAWS仿真軟件在飛機定位和軌跡預估的基礎上，區域掃描讀取地圖數據，動態顯示地形情況。仿真所用環境地形選用的是我國一部分的陸地（包括常見試飛區域）的真實地形高度數據，數據包含當前地理位置的高精度緯度、經度、高度數據。讀入的地形數據是一個1001×1001的數組，以每個元素的下標值作為地形的橫縱坐標，元素值作為地形高度值，建立一個二維1000×1000的地形數據庫。TAWS軟件讀入的地形數據可以是無限的，但在真實飛行中，飛機并不關心距離自己過遠的地形狀況，因此還設計了一個前視地形的顯示數組，數組大小可調，最小范圍為175×85的前視地形數組。軟件功能框圖如圖3所示。

7 結束語

本文概要介紹了一種綜合監視系統仿真器的總體設計情況，該仿真器充分考慮了民用飛機研發過程的通用需求，具有靈活的系統邏輯架構及接口數據重構能力。經過早期研發試驗的應用證明該仿真器適用于型號研制初期的系統需求確認、功能架構確認、接口確認及航電系統集成驗證環境的設計、調試工作。

參考文獻

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作者簡介

郭曉燕，女，河南省洛陽市人。曾經獲得上海大學碩士學位?，F在供職于上海飛機設計研究院國家重點實驗室，從事大型客機航空電子系統集成與測試技術研究。

作者單位

上海飛機設計研究院國家重點實驗室 上海市浦東新區 201210