基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證技術(shù)研究

許光磊 劉永超 高 斌 鄭 凱 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證技術(shù)研究

許光磊 劉永超 高 斌 鄭 凱 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

為了滿足系統(tǒng)集成度高、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的航電系統(tǒng)集成驗證需求，提出了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證技術(shù)。詳細介紹了基于模型的航電系統(tǒng)仿真和測試方法，航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，以及基于模型運行的航電系統(tǒng)集成驗證平臺。通過在航電系統(tǒng)集成過程中的應(yīng)用，基于模型的集成方法有效地提高了航電系統(tǒng)集成效率，保證了航電系統(tǒng)集成準確度。該方法可應(yīng)用于航電系統(tǒng)全數(shù)字集成、半物理集成和全實物動態(tài)集成，保證各階段試驗的銜接，持續(xù)提升航電系統(tǒng)集成工作的技術(shù)水平。

基于模型；航電系統(tǒng)；系統(tǒng)集成

0 引言

現(xiàn)代民用客機航電系統(tǒng)已經(jīng)由原先的分立式、聯(lián)合式變?yōu)楝F(xiàn)在的集成模塊化、分布式的航電系統(tǒng)，由于先進科技在民用飛機航電系統(tǒng)上的應(yīng)用，使得航電系統(tǒng)功能越來越強大，交聯(lián)越來越復(fù)雜。同時，航電系統(tǒng)已經(jīng)成為機上最為關(guān)鍵的組成部分，對提高飛機的性能指標，確保飛機安全性和降低飛機全生命周期成本起到關(guān)鍵的作用[1-3]。由于民用飛機的研制必須符合各國或地區(qū)的適航規(guī)章，滿足飛行適航要求,因此對于飛機的各項技術(shù)需求及采用的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，從系統(tǒng)設(shè)計到產(chǎn)品研制，均需開展相應(yīng)的從試驗室驗證到飛行測試的驗證工作，來最終表明飛機滿足適航審定的各項條款，研制保證流程能夠被適航當局認可。由于試驗室試驗在成本、技術(shù)和安全性方面的優(yōu)勢，在地面試驗室進行充分的試驗室集成驗證試驗，完成航電系統(tǒng)的試驗室集成、驗證，已經(jīng)成為各航空產(chǎn)品研制單位、飛機主制造商的普遍選擇[4]。

本文研究了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證技術(shù)，并基于航電系統(tǒng)不同設(shè)計階段和集成驗證階段的需要，開發(fā)了航電系統(tǒng)模型，搭建了航電系統(tǒng)集成驗證平臺，進行了航電系統(tǒng)的試驗室集成和驗證測試。

1 基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證思路

民用飛機航電系統(tǒng)一般包括ATA23通信系統(tǒng)、ATA31指示/記錄系統(tǒng)、ATA34導(dǎo)航系統(tǒng)、ATA42航電核心處理系統(tǒng)、ATA44客艙系統(tǒng)、ATA45機載維護系統(tǒng)及ATA46信息系統(tǒng)。各系統(tǒng)又由大量設(shè)備構(gòu)成，且各系統(tǒng)間的交聯(lián)和協(xié)作關(guān)系復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)集成的效率, 減少人力和時間成本, 必須采用科學(xué)的方法, 以降低集成的復(fù)雜度[5-7]。

基于模型的航電系統(tǒng)集成采用增量式的集成策略，在全系統(tǒng)數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上，通過真實試驗件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成從核心處理、機載網(wǎng)絡(luò)集成開始，到完成通信導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他航電子系統(tǒng)集成的增量式集成驗證工作。這種分步集成的策略使得每一次集成的關(guān)注點從子系統(tǒng)級需求、系統(tǒng)級需求逐步轉(zhuǎn)移到最終的航電系統(tǒng)飛機級需求以及性能需求, 使得整個集成過程中充分驗證了飛機航電系統(tǒng)各層級需求, 確保最終整體系統(tǒng)集成的順利完成，降低了整體系統(tǒng)集成的復(fù)雜度。逐一替換的增量式集成方式如圖1所示。

為了很好地實施分步集成策略, 需要搭建航電系統(tǒng)集成驗證平臺，該試驗平臺既可以在設(shè)計研發(fā)的早期運行航電各系統(tǒng)仿真模型，支持航電系統(tǒng)研發(fā)測試，又具備接口數(shù)據(jù)仿真激勵能力，可以與模型一起構(gòu)建硬件在環(huán)的試驗場景，完成半物理集成測試。同時，試驗平臺還提供高效的配線系統(tǒng)，可以方便地進行仿真件與真實試驗件的切換，保證數(shù)字模型試驗、半物理試驗以及全實物試驗的構(gòu)型順利切換。通過這樣的方法, 使得設(shè)計階段的模型和測試用例可以被反復(fù)地應(yīng)用到后續(xù)各層級的系統(tǒng)集成測試當中，提高了系統(tǒng)研制的效率，保證了測試的一致性，最終提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

該集成策略需要將各個系統(tǒng)開發(fā)的仿真模型集成到統(tǒng)一的硬件平臺，并接受統(tǒng)一的人機界面控制。仿真試驗運行過程中，模型與模型之間、或模型與其他試驗分系統(tǒng)之間需要配合工作，通過試驗網(wǎng)絡(luò)進行控制指令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)的相互收發(fā)，所以在模型開發(fā)之初，必須從仿真系統(tǒng)總體設(shè)計的角度，提出航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，對模型的外部接口形式進行規(guī)范化約束，以保證模型能夠被集成到試驗系統(tǒng)中。航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范如圖2所示。

2 基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證實施

模型化、自動化和分布化的航電系統(tǒng)集成驗證方法已經(jīng)在某型號飛機航電系統(tǒng)集成驗證活動中得到了充分的實施和應(yīng)用。在航電集成驗證工作中，搭建了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證環(huán)境，并基于航電系統(tǒng)集成驗證環(huán)境，完成了全數(shù)字、半物理到全實物在環(huán)的航電系統(tǒng)集成驗證。

2.1 基于模型驅(qū)動的航電系統(tǒng)集成驗證平臺

基于模型驅(qū)動的航電系統(tǒng)集成驗證平臺為航電系統(tǒng)模型、航電系統(tǒng)總線接口仿真和航電系統(tǒng)真實試驗件提供了統(tǒng)一的運行環(huán)境，可以方便地進行全數(shù)字、半物理、全實物的切換，在不同試驗構(gòu)型需求下，搭建/切換不同的試驗構(gòu)型，支持從設(shè)備到子系統(tǒng)、系統(tǒng)以及飛機級不同試驗需求的試驗。試驗平臺由工程駕駛艙(安裝了飛機駕駛艙的顯示器和控制組件)、設(shè)備架(安裝了飛機E-E艙設(shè)備架的LRU)、飛行仿真與飛行環(huán)境仿真、仿真激勵器、配線系統(tǒng)(真件/仿真件切換)、數(shù)據(jù)采集/記錄系統(tǒng)、故障注入模塊等子系統(tǒng)組成。試驗平臺將集成航電系統(tǒng)以及與航電系統(tǒng)有交聯(lián)關(guān)系的飛機系統(tǒng)控制器部分。這些系統(tǒng)有兩種模式：使用真實的LRU或者該系統(tǒng)控制器的仿真器。仿真器采用基于ICD的接口仿真，并在后臺采用仿真模型驅(qū)動。飛行仿真提供一個6自由度的飛機模型用于模擬一個完整的飛行起落過程以及飛行員的操作接口。飛行環(huán)境仿真提供標準大氣仿真，風(fēng)和紊流仿真，無線電導(dǎo)航臺站仿真，地面地效(摩擦力)及機場等。飛行仿真和飛行環(huán)境仿真為航電系統(tǒng)的測試提供飛行狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)激勵源，要求飛行仿真能夠進行全飛行包線的仿真。在試驗過程中，飛行仿真模型將解算出的飛行參數(shù)共享給各參試系統(tǒng)，使整個試驗環(huán)境協(xié)調(diào)在一個共同的飛行場景下，構(gòu)成基于模型的全動態(tài)試驗環(huán)境，滿足航電系統(tǒng)基于場景測試的全動態(tài)試驗要求。基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證平臺設(shè)計如圖3所示。

2.2 基于模型的航電系統(tǒng)集成

基于模型的航電系統(tǒng)集成從全數(shù)字集成開始，逐步替換為帶有物理總線接口的仿真件，再全部替換為真實試驗件，最終完成航電系統(tǒng)實物構(gòu)型的場景試驗，試驗過程如圖4所示。在某型飛機航電系統(tǒng)集成過程中，首先基于VAPS開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了顯示系統(tǒng)模型以及相關(guān)的控制板、頂部版、中央操縱臺模型，用以對POP(飛行員操作程序)和顯示器接口邏輯進行虛擬集成。同時基于simulink模型開發(fā)了大氣數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)等子系統(tǒng)仿真模型，基于C++開發(fā)了飛行管理系統(tǒng)模型。各系統(tǒng)模型統(tǒng)一運行于航電系統(tǒng)全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對航電系統(tǒng)進行基于模型的集成，充分驗證各個系統(tǒng)間信號和數(shù)據(jù)流傳輸和邏輯接口，并對各個仿真模型組成的航電系統(tǒng)功能以及飛行員操作程序進行驗證。

系統(tǒng)模型開發(fā)的流程以及基于模型的航電系統(tǒng)集成過程如下：

依據(jù)航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，首先搭建了通用的飛行仿真和飛行環(huán)境仿真模型，可以模擬飛機的整個飛行過程，并提供了飛行仿真、飛行環(huán)境仿真接口；依據(jù)仿真規(guī)范定義的接口規(guī)范和設(shè)計ICD文件，開發(fā)和集成飛機系統(tǒng)和傳感器模型，并通過面向數(shù)據(jù)訂閱/發(fā)布機制，與飛行仿真和飛行環(huán)境仿真實現(xiàn)一體化集成，在此過程中，如果可以協(xié)調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)商提交高精度系統(tǒng)與設(shè)備功能模型，則可逐一替換和迭代，提高仿真功能和性能的逼真度，完成基于模型的航電系統(tǒng)全數(shù)字集成。圖5說明了供應(yīng)商提交的發(fā)動機模型和飛機操穩(wěn)專業(yè)提供的飛機氣動模型對通用發(fā)動機和飛機模型的替換過程。在完成基于模型的全數(shù)字集成后，集成過程逐步過渡到半物理仿真集成階段。在這一階段，模型的輸入、輸出數(shù)據(jù)通過硬件板卡發(fā)送到真實的飛機網(wǎng)絡(luò)，利用真實的飛機網(wǎng)絡(luò)與其它系統(tǒng)進行通信。某型飛機航電系統(tǒng)使用的飛機總線包括ARINC664、ARINC429、ARINC825、AD、DA、DIO等總線，系統(tǒng)模型與各型總線板卡結(jié)合，形成了半物理環(huán)境，在半物理環(huán)境下完成對系統(tǒng)功能、輸入/輸出接口、邏輯功能的驗證。

在完成基于模型的半物理仿真集成階段后，集成過程逐步替換到實物集成階段，如圖6所示。在全實物在環(huán)集成階段，通過激勵器的方式激勵各個航電傳感器設(shè)備工作，其中艾法斯公司提供的激勵設(shè)備完成對通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)的激勵，采用總靜壓模擬器完成對大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的激勵，采用三軸轉(zhuǎn)臺和加速度轉(zhuǎn)臺同時激勵并融合慣導(dǎo)參數(shù)完成對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的激勵，其余非航電系統(tǒng)采用仿真模型的方式進行激勵。航電系統(tǒng)的激勵器和非航電系統(tǒng)的仿真器數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)一的飛行仿真與飛行環(huán)境仿真，可以在此構(gòu)型下完成基于真實飛行場景的航電系統(tǒng)全實物在環(huán)動態(tài)集成試驗。

3 結(jié)論

在某型飛機航電系統(tǒng)集成驗證過程中，采用了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證方法。在該方法的指導(dǎo)下，提出和編制了航電系統(tǒng)仿真建模規(guī)范，搭建了基于模型驅(qū)動的航電系統(tǒng)集成驗證平臺，集成了航電系統(tǒng)仿真模型、航電系統(tǒng)仿真件、航電系統(tǒng)藍標簽、紅標簽試驗件，完成了基于模型集成的全數(shù)字集成階段，基于仿真器集成的半物理集成階段，基于系統(tǒng)實物件集成的全實物在環(huán)集成階段，最終完成了航電系統(tǒng)集成活動。它們不僅支持了航電系統(tǒng)研發(fā)各個階段的需求確認和方案論證等研發(fā)活動所必需的測試，同時完成了飛機系統(tǒng)和產(chǎn)品的集成和驗證試驗。在整個集成過程中，各種試驗構(gòu)型可以靈活切換，支持航電系統(tǒng)原型與原理級研發(fā)測試，支持子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級和飛機級集成驗證活動，整個活動在統(tǒng)一的飛行仿真環(huán)境下進行，為各系統(tǒng)試驗件和模型的動態(tài)集成提供了統(tǒng)一的動態(tài)集成環(huán)境。基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證方法提升了各個階段集成的繼承性，提高了集成工作效率，保證了集成的質(zhì)量，大大提升了某型飛機航電系統(tǒng)集成驗證的有效性和置信度。

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Research on Model-based Integration and Verification Technology of Avionics System

XU Guanglei LIU Yongchao GAO Bin ZHENG Kai

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

In order to meet the integration/verification requirement of high integrated and more complex avionics system, this paper proposes model-based integration and verification technology of avionics system. The model-based system simulation and test solution, simulation model specification, and model-based working system integration and verification platform are described in detail. Through the application in the integration of avionics system, the integration efficiency is enhanced and the accuracy is assured by using the model-based system integration method. This method can be used in the full-digital integration phase, hardware-in-loop integration phase and full system dynamic integration phase, it will improve the joined technical work among the three phases, and keep on enhancing the technology level of the avionics integration.

model-based; avionic system; system integration

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.004

許光磊男，碩士，高級工程師。主要研究方向：航電系集成驗證。Tel: 20864853,E-mail: xuguanglei@comac.cc

V243

：A

劉永超男，學(xué)士，研究員。主要研究方向：航電系統(tǒng)設(shè)計、集成與驗證。Tel: 20864760,E-mail: liuyongchao@comac.cc

高斌男碩士，高級工程師。主要研究方向：航電系統(tǒng)集成驗證。Tel: 20864851,E-mail: gaoino@comac.cc

鄭凱男碩士，工程師。主要研究方向：航電系統(tǒng)集成驗證。Tel: 20864850,E-mail:zhengkai@comac.cc