民用飛機慣導信號仿真設計

金榮深， 惠光飛

（上海飛機設計研究院， 上海 200120）

引言

慣導信號是飛機機載導航系統的重要組成之一，也是飛機飛控系統控制律解算的重要輸入。同時，慣導信號作為駕駛艙儀表顯示系統的原始輸入源，為飛行員執行飛行任務安全飛行提供重要的、直接的參考信息。

某型民用飛機慣性基準系統（IRS）由獨立的多套傳感器構成。該系統采用陀螺慣性導航技術，通過感受機體軸的角速率和軸向線性加速度，并對這些數據進行數字化處理來為飛機飛行提供姿態、航向、速率、加速度和即時地理位置等信息。IRS還可以與飛行管理系統和全球定位系統接口來提供多傳感器組合導航[1]。

多套慣導傳感器IRS分別經ARINC429總線將信號直接發送至飛控計算機進行表決、修正、解算，進而得到表決后的機體姿態信息、地速、航跡角等實時信號。基于飛控系統的地面模擬試驗需求，需要靈活配置慣導傳感器的靜態值、故障注入等狀態，對慣導信號的仿真提出了直接需求。

1 方案

1.1 軟硬件組成

慣導信號仿真器主要由上位機和工控機組成，其中工控機內配置若干總線類通訊板卡（如Arinc429、VMIC、DIO板卡等）。同時，設置故障注入接口管理設備，將設備輸出的總線信號、離散量信號統一梳理、配置，以滿足靈活設置故障狀態、故障快速恢復的功能。

上位機采用高性能計算機，運行Windows操作系統，以VC++或其他軟件為平臺進行定制軟件的開發，用于參數在線配置、數據監控、顯示和存儲。下位機采用PXI機箱，配備總線通訊板卡，運行實時操作系統，其架構如圖1所示。

圖1 仿真器架構

各冗余通道間應保持高度同步，以避免觸發系統故障，同時在參數在線配置中，應同步修改各通道數據。

為了實現不同總線信號的仿真，選用相應種類的接口卡以實現數據總線的輸出，上下位機采用以太網方式連接。可用以太網形式接收試驗管理系統的控制指令等，并可通過VMIC方式實現與飛行仿真系統的連接[2]。

1.2 故障注入接口管理設備

接口管理設備采用模塊化設計，各傳感器分別配置一個相應的試驗模塊，主要包括系統互聯、信號切換、電氣信號故障模擬以及信號采集與監測的功能。該設備與下位機之間以標準航空電纜連接，依據信號類型采用航空插頭分離，保證在信號傳輸正確性和完整性的前提下提供采集與監控測試口[3]。

根據慣導信號的冗余管理特性，其故障注入手段必須能夠真實地模擬單一部件或模塊的異常情況；同時，需要兼顧多個部件同步并發故障，達到還原真實故障狀態模擬的效果。在系統地面模擬試驗中，還需兼顧ARINC429總線類故障，主要包括源識別碼SDI、SSM、ODD等數據位，以偏航角速率Yaw_Rate配置為例，提供如圖2所示的在線配置端口。

圖2 參數配置示意圖

1.3 接口模型

為了滿足試驗中靈活配置參數的目的，需要建立飛機姿態值與各通道傳感器仿真的一一對應關系。同時，基于Matlab/Simulink平臺搭建底層總線板卡的驅動模塊[4]。

以慣導飛機IRS機體俯仰角速率掃頻信號仿真為例，基于Matlab/Simulink平臺搭建接口驅動模型，并編譯下載至下位機工控機，實現實時仿真和在線參數配置，如圖3所示。

圖3 接口驅動模型

2 驗證

在控制律掃頻模擬試驗中，利用慣導信號仿真器，飛控系統實時接收到仿真器設置的俯仰角速率Arinc429總線信號，經系統采集和控制律表解算后的角速率值如圖4所示。

圖4 飛控系統俯仰角速率數據采集結果

結果表明，仿真器能夠準確模擬慣導俯仰角速率掃頻，實現了多路慣導冗余傳感器同步在線仿真配置，滿足試驗需求。

3 結論

從某型民機飛控地面模擬試驗需求出發，介紹了慣導信號仿真器的軟硬件架構和故障注入模塊，并將此仿真器成功應用到慣導信號仿真中。在不具備IRS真件的前提下，利用該仿真器仿真了滿足需求的慣導俯仰角速率Arinc429總線掃頻信號，縮短時間周期，提高了試驗效率。仿真器為故障類試驗提供了一種可行、快捷的試驗手段。