試飛數(shù)據(jù)在飛行模擬器上的應(yīng)用

趙旭東

(北京藍(lán)天航空科技股份有限公司,北京 100085)

隨著航空飛行器的迅猛發(fā)展,大量軍用、民用飛機(jī)投入使用和運(yùn)營(yíng),因此飛行模擬訓(xùn)練得到各國(guó)軍隊(duì)、民航的普遍重視。利用飛行模擬器進(jìn)行飛行訓(xùn)練,具有提高訓(xùn)練效率、節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、保證飛行安全、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。

飛行模擬器和風(fēng)洞、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備并列為航空四大試驗(yàn)研究設(shè)施,涉及到飛行仿真、機(jī)電控制、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、計(jì)算機(jī)控制、圖形圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)、人體工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí),是多學(xué)科交叉集成的高科技產(chǎn)品,它能夠逼真地再現(xiàn)飛機(jī)的飛行特性,在民用和軍事上發(fā)揮著重要作用[2-3]。

飛行仿真中的數(shù)據(jù)處理、建模及數(shù)據(jù)擬合等專業(yè)技術(shù)是研制高等級(jí)飛行模擬器的核心所在,特別是試飛數(shù)據(jù)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)包的生成技術(shù),已成為研制高等級(jí)飛行模擬器的關(guān)鍵技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

在飛行過(guò)程中,飛機(jī)各系統(tǒng)、各部件的工作狀態(tài)總能通過(guò)相應(yīng)的參數(shù)表現(xiàn)出來(lái)。20世紀(jì)中期,美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家研制出了飛行參數(shù)(下文簡(jiǎn)稱飛參)記錄系統(tǒng),該系統(tǒng)能記錄并保存飛機(jī)的一些重要飛參[4]。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,飛參記錄系統(tǒng)由最初記錄幾個(gè)或十幾個(gè)數(shù)據(jù),發(fā)展到今天能同時(shí)記錄上千個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)的利用也不再是局限于事故調(diào)查,而是拓展到飛機(jī)研制、試飛、飛行模擬訓(xùn)練、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、飛機(jī)故障診斷與預(yù)報(bào)、飛機(jī)視情維修及飛行模擬器研制等諸多方面。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始我國(guó)研制飛參記錄系統(tǒng),雖然起步較晚,但是發(fā)展迅速、技術(shù)日臻成熟。當(dāng)前,我國(guó)機(jī)載飛參記錄系統(tǒng)已能記錄幾十乃至上百個(gè)參數(shù),主要應(yīng)用于利用飛參數(shù)據(jù)測(cè)試和驗(yàn)證飛機(jī)的設(shè)計(jì)性能、調(diào)查失事原因、對(duì)飛機(jī)進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)控、評(píng)估飛行考核等方面。自飛參記錄系統(tǒng)大規(guī)模列裝國(guó)產(chǎn)軍機(jī)后,如何充分利用飛參數(shù)據(jù)已成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)飛參數(shù)據(jù)中飛行員操縱信息及實(shí)時(shí)航向和姿態(tài)等六自由度參數(shù)的智能分析,實(shí)現(xiàn)飛行員操作水平的評(píng)估[5-7]。

以飛參數(shù)據(jù)為輸入,對(duì)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析、截取、加工及圖形化處理,所得結(jié)果可作為高等級(jí)飛行模擬器性能的客觀評(píng)價(jià)依據(jù)[8-9]。

2 試飛數(shù)據(jù)的分析和處理

試飛數(shù)據(jù)的分析和處理工作包括:①分析工作,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試飛數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行判斷,主要由人工完成;②處理工作,通過(guò)技術(shù)手段提取數(shù)據(jù)或調(diào)整文件格式,主要依賴程序?qū)崿F(xiàn)。

2.1 試飛數(shù)據(jù)的分析和處理流程

試飛數(shù)據(jù)的分析和處理是循環(huán)迭代的過(guò)程。處理和分析的服務(wù)對(duì)象是后續(xù)的擬合工作。根據(jù)擬合工作的需求,需要反復(fù)與客戶協(xié)商,獲取補(bǔ)充數(shù)據(jù)。試飛數(shù)據(jù)分析和處理流程如圖1所示。

圖1 試飛數(shù)據(jù)分析和處理流程Fig.1 Flow chart of test flight data analysis and processing

(1)客戶提供試飛數(shù)據(jù)

試飛數(shù)據(jù)由客戶提供。試飛數(shù)據(jù)應(yīng)至少包括以下3種文件:試飛數(shù)據(jù)文件、飛行日志、參數(shù)對(duì)照表。

(2)數(shù)據(jù)提取

數(shù)據(jù)提取是指從原始試飛數(shù)據(jù)文件中選取測(cè)試所需的數(shù)據(jù),生成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件并畫(huà)圖。

原始試飛數(shù)據(jù)文件包含的內(nèi)容較多,測(cè)試中需要識(shí)別并截取有效部分。根據(jù)客戶提供的說(shuō)明文件,可確認(rèn)原始試飛數(shù)據(jù)文件中各列的含義;若客戶提供的原始試飛數(shù)據(jù)沒(méi)有分科目截取,則需要參照飛行日志,按時(shí)間段截取原始試飛數(shù)據(jù)。

原始試飛數(shù)據(jù)也稱為直接數(shù)據(jù),通過(guò)在航空總線上抓取串行數(shù)據(jù)電氣信號(hào)的方式獲取,以Label號(hào)為列記錄下來(lái)。同一Label號(hào)可包含多個(gè)物理信息。數(shù)據(jù)提取的目的是使原始試飛數(shù)據(jù)具有可讀性,為數(shù)據(jù)處理工作奠定基礎(chǔ)。

(3)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

原始試飛數(shù)據(jù)的單位、符號(hào)需要與飛行模擬器中的定義一致。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)原始試飛數(shù)據(jù)文件進(jìn)行再處理,從而生成飛行模擬器測(cè)試所需的鑒定測(cè)試指南(QTG)數(shù)據(jù)文件和初始化文件。

(4)初步擬合

初步擬合需要達(dá)到以下2個(gè)目的:對(duì)氣動(dòng)模型進(jìn)行初步調(diào)整,檢驗(yàn)試飛數(shù)據(jù)的正確性。

與初步分析階段不同,本階段加入了飛行模擬器測(cè)試,可以更客觀地對(duì)原始試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的矛盾。

(5)數(shù)據(jù)優(yōu)選

根據(jù)初步擬合結(jié)果,確定用于QTG測(cè)試的試飛數(shù)據(jù)。這項(xiàng)工作包括以下2個(gè)步驟:①對(duì)于同一個(gè)科目提供多組試飛數(shù)據(jù)的,選擇擬合效果最好的一組數(shù)據(jù);②根據(jù)鑒定標(biāo)準(zhǔn)和擬合效果,對(duì)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行截取。

通過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)選,能夠確定用于QTG測(cè)試的試飛數(shù)據(jù)。將測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題反饋至試飛數(shù)據(jù)的提供方,從而確保選取的數(shù)據(jù)段可以得到認(rèn)證。

通過(guò)以上工作,理論上已經(jīng)可以發(fā)布數(shù)據(jù)包,之后若沒(méi)有重大問(wèn)題,則不再對(duì)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果無(wú)法找到合適數(shù)據(jù)段,就需要與客戶協(xié)商,請(qǐng)客戶重新提供試飛數(shù)據(jù)。

2.2 試飛數(shù)據(jù)的處理方法

數(shù)據(jù)處理工作的輸入包括以下3種文件:原始試飛數(shù)據(jù)文件、飛行日志、參數(shù)對(duì)照表。

數(shù)據(jù)處理工作的輸出包括以下3種文件:標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件、QTG測(cè)試文件、初始化文件。

(1)原始試飛數(shù)據(jù)文件

試飛過(guò)程中傳感器采集的數(shù)據(jù)被記錄在原始試飛數(shù)據(jù)文件中。原始試飛數(shù)據(jù)文件的格式為“1+n”的形式,其具體含義為:第1行為變量名稱,以空格作為分隔符;第1行以后為數(shù)據(jù)行,每一行代表一幀數(shù)據(jù),以空格作為數(shù)據(jù)列分隔符,數(shù)據(jù)列的列數(shù)與變量名的個(gè)數(shù)相同。

原始試飛數(shù)據(jù)的形式如圖2所示,列標(biāo)題為數(shù)據(jù)在航空總線的Label號(hào)。其中,TIME列為相對(duì)時(shí)間,TTTT列為絕對(duì)時(shí)間。

圖2 原始試飛數(shù)據(jù)文件Fig.2 Original test flight data file

(2)飛行日志

飛行日志記錄了試飛時(shí)的基本信息。飛行日志中至少需要包含以下信息:日期、架次、天氣、起飛重量、燃油重量、飛機(jī)重心、試飛科目、科目對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件名、科目的開(kāi)始和終止時(shí)間。

日期、架次等信息是試飛數(shù)據(jù)檢索和歸檔的重要依據(jù)。在向試飛單位反饋問(wèn)題時(shí),需要按日期和架次確定試飛數(shù)據(jù)的來(lái)源,使得試飛科目、試飛條件等影響試飛數(shù)據(jù)的因素可追溯。試飛數(shù)據(jù)中的起飛重量、燃油重量和飛機(jī)重心需要參與運(yùn)算,這些數(shù)據(jù)將直接影響測(cè)試結(jié)果。

(3)參數(shù)對(duì)照表

在提供試飛數(shù)據(jù)的同時(shí),試飛單位需要提供參數(shù)對(duì)照表或數(shù)據(jù)字典,用于解析數(shù)據(jù)文件中的內(nèi)容。參數(shù)對(duì)照表記錄了各傳感器測(cè)量的參數(shù)名、單位以及數(shù)值的含義,如圖3所示。對(duì)于測(cè)量值為0或1的參數(shù),必須注明所代表的含義。

圖3 參數(shù)對(duì)照表節(jié)選Fig.3 Extraction from parameter label list

(4)標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件

標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件包含95列數(shù)據(jù),又稱95列文件,如圖4所示。95個(gè)參數(shù)可以描述飛機(jī)的工作狀態(tài),滿足鑒定工作需要。如果機(jī)型改變,部分內(nèi)容就會(huì)被調(diào)整。文件末尾有7列預(yù)留,可以根據(jù)需要添加數(shù)據(jù)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件Fig.4 Standard format data file

標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件的生成依據(jù)Excel工作簿中的客觀測(cè)試95列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)選取表,如表1所示。在表格中需要填寫(xiě)原始試飛數(shù)據(jù)文件中列名與95列文件中各列的對(duì)應(yīng)關(guān)系。處理程序會(huì)自動(dòng)讀取該表格,并依據(jù)所填內(nèi)容進(jìn)行處理。填寫(xiě)時(shí),必須區(qū)分不同架次。

表1客觀測(cè)試95列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)選取表格式

Tab.1Formatofobjectivetest95lablestandarddataselectionlist

列名內(nèi)容No數(shù)字編號(hào)Variable In QTG DataOutput[95] Array95列文件中的列名中文含義參數(shù)的中文名稱Parameter Name客戶文檔中記錄的參數(shù)名101架次101架次中的Label號(hào)103架次103架次中的Label號(hào)104架次104架次中的Label號(hào)Unit單位

(5)QTG測(cè)試文件

QTG測(cè)試文件用于飛行模擬器主機(jī)端和繪圖軟件讀取。QTG測(cè)試文件與標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件的列數(shù)相同,但標(biāo)題行不同。QTG測(cè)試文件采用6行標(biāo)題格式,具體內(nèi)容如圖5所示,數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)文件(95列文件)的內(nèi)容完全相同。

圖5 QTG測(cè)試文件Fig.5 QTG test file

(6)初始化文件

初始化文件記錄了飛機(jī)在測(cè)試開(kāi)始時(shí)的初始化狀態(tài),包括姿態(tài)、起飛重量、大氣環(huán)境等。每個(gè)科目都需要一個(gè)初始化文件。在測(cè)試開(kāi)始時(shí),模擬器會(huì)讀取文件內(nèi)容。同時(shí),初始化文件也可用于編寫(xiě)客觀測(cè)試指南。

初始化文件具有較好的可讀性,但格式復(fù)雜。圖6所示為初始化文件的一部分。初始化文件的生成方法采用模板化思路。將初始化文件中固定的文本寫(xiě)在模板(見(jiàn)圖7)中,數(shù)字的位置和來(lái)源記錄在Excel表格中。處理程序根據(jù)每條記錄找到這些數(shù)據(jù)的來(lái)源,并填寫(xiě)在模板的特定位置,最終生成新文件。

圖6 初始化文件Fig.6 Initialization file

圖7 初始化文件模板Fig.7 Template for initialization file

初始化參數(shù)對(duì)照表的格式如圖8所示。在生成初始化文件時(shí),處理程序首先讀取參考文件列,從而獲知該參數(shù)來(lái)源于哪種數(shù)據(jù)文件。隨后,在客觀測(cè)試95例標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)及科目匯總表中查找到文件的路徑并讀取。最后,通過(guò)對(duì)應(yīng)的重量文件或95列文件,獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)文件中的列名,找到相應(yīng)數(shù)據(jù)。圖8中的行和列表示數(shù)據(jù)在初始化文件中的位置,處理程序會(huì)根據(jù)這2個(gè)信息將數(shù)據(jù)插入到文件模板的相應(yīng)位置。

使用模板生成初始化文件的優(yōu)勢(shì)在于,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文件格式的任意修改。只需修改初始化參數(shù)對(duì)照表和模板文件的內(nèi)容,就可完成修改工作。

圖8 初始化參數(shù)對(duì)照表Fig.8 Comparison table of initialization parameters

2.3 試飛數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)

由于傳感器誤差、機(jī)載電壓不穩(wěn)等因素造成原始試飛數(shù)據(jù)與噪聲數(shù)據(jù)雜糅,因此需要使用正確的方式對(duì)原始試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,同時(shí)抽取真實(shí)有效的試飛數(shù)據(jù)。

試飛數(shù)據(jù)處理宗旨是找出試飛數(shù)據(jù)處理的最優(yōu)方法,目的是在去除噪聲數(shù)據(jù)的同時(shí),獲取最真實(shí)有效的試飛數(shù)據(jù),并且對(duì)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。試飛數(shù)據(jù)處理主要包括以下工作:

(1)對(duì)原始傳感器數(shù)據(jù)的格式、單位、值域、符號(hào)等進(jìn)行轉(zhuǎn)換及濾波。

(2)對(duì)轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查,評(píng)估不滿足要求的科目,從而確認(rèn)是否需要重新試飛。

(3)按照客觀測(cè)試要求,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選提取,形成滿足鑒定測(cè)試要求的數(shù)據(jù)。

(4)按照標(biāo)準(zhǔn)格式建立數(shù)據(jù)文件,并選取試飛驗(yàn)證數(shù)據(jù)和模型校核數(shù)據(jù)。

3 試飛數(shù)據(jù)擬合方法

試飛數(shù)據(jù)擬合的目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整仿真模型,保證所有試飛數(shù)據(jù)符合容差要求。根據(jù)CCAR-60規(guī)章對(duì)客觀測(cè)試的相關(guān)規(guī)定,試飛數(shù)據(jù)擬合需要保證飛行模擬器仿真結(jié)果與試飛數(shù)據(jù)的誤差在一定范圍內(nèi)。CCAR-60規(guī)章中對(duì)容差的規(guī)定比較嚴(yán)格,即使理論模型與實(shí)際情況存在微小偏差,也會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果超過(guò)容差要求,所以擬合工作在飛行模擬器客觀測(cè)試中是必不可少的。

3.1 試飛數(shù)據(jù)擬合方法的工作流程

國(guó)外公司在客觀測(cè)試方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn),以KSR公司的客觀測(cè)試準(zhǔn)備工作流程(見(jiàn)圖9)為例,客觀測(cè)試準(zhǔn)備工作包括以下3個(gè)重要部分:理論模型構(gòu)建、試飛數(shù)據(jù)處理、氣動(dòng)模型辨識(shí)。

對(duì)比國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目客觀測(cè)試準(zhǔn)備工作流程(見(jiàn)圖10),可以發(fā)現(xiàn):雖然國(guó)內(nèi)在這方面的工作經(jīng)驗(yàn)有限,但是與國(guó)外公司的基本工作框架一致。這說(shuō)明現(xiàn)階段工作的整體方向是正確的,只是在實(shí)現(xiàn)方法上存在差距。圖9中的“氣動(dòng)模型辨識(shí)”即為本文所述的數(shù)據(jù)擬合工作。

圖9 KSR公司的客觀測(cè)試準(zhǔn)備工作流程Fig.9 Objective test preparation working flow of KSR Company

圖10 國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目客觀測(cè)試準(zhǔn)備工作流程Fig.10 Objective test preparation working flow of a project in China

在國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目中,氣動(dòng)模型由客戶提供,符合國(guó)際通用的飛行模擬器建模方式,氣動(dòng)模型的完備程度也是迄今為止所有項(xiàng)目中最高的。之后的數(shù)據(jù)擬合工作是對(duì)理論模型的調(diào)整。如果沒(méi)有理論模型,而完全通過(guò)試飛數(shù)據(jù)構(gòu)造模型,就幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有科目的擬合。

國(guó)外公司在強(qiáng)調(diào)理論模型重要性的同時(shí),采用氣動(dòng)模型辨識(shí)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。氣動(dòng)模型辨識(shí)技術(shù)依然需要原始模型作為支撐,如果理論模型與試飛數(shù)據(jù)差別很大,就很難辨識(shí)出正確結(jié)果[10]。

理論模型需要符合飛機(jī)的飛行包線,以及具有正確的動(dòng)態(tài)特性。最終,理論模型還需要通過(guò)飛行員的主觀測(cè)試。

國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目中的氣動(dòng)模型,曾在工程模擬器上得到飛行員驗(yàn)證。用于飛行模擬器仿真的氣動(dòng)力理論模型,可以參考國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)的相關(guān)文檔。氣動(dòng)模型需要輸出6個(gè)全機(jī)氣動(dòng)力系數(shù),對(duì)應(yīng)空間內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)[11]。

3.2 試飛數(shù)據(jù)擬合方法的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)擬合是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,通過(guò)一輪工作很難使所有結(jié)果符合容差。因此,利用數(shù)據(jù)擬合方法,逐步修正氣動(dòng)模型和試飛數(shù)據(jù)之間存在的問(wèn)題,最終達(dá)到鑒定要求。

在初步擬合階段,不要求測(cè)試結(jié)果符合容差規(guī)定,只要與試飛數(shù)據(jù)近似即可。調(diào)整氣動(dòng)模型的手段為整體對(duì)氣動(dòng)系數(shù)增加偏移量,或修改氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。初步擬合階段主要關(guān)注舵效、配平以及動(dòng)態(tài)特性的運(yùn)動(dòng)周期和阻尼。

圖11和圖12展現(xiàn)了初步擬合前后的測(cè)試效果。雖然圖12中的曲線擬合效果很好,但是局部放大后(見(jiàn)圖13),與試飛數(shù)據(jù)間的誤差依然很大,不符合容差要求。然而,這樣的結(jié)果已經(jīng)達(dá)到初步擬合的目的,可以開(kāi)始后續(xù)工作。

圖11 初步擬合前的測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results before preliminary fitting

圖12 初步擬合后的測(cè)試結(jié)果Fig.12 Test results after preliminary fitting

圖13 初步擬合后測(cè)試結(jié)果放大圖(俯仰角)Fig.13 Detailed test results after preliminary fitting(angle of pitch)

客觀測(cè)試中的科目可分為地面科目和飛行科目,與氣動(dòng)相關(guān)的是飛行科目。飛行器的氣動(dòng)特性可分為縱向特性和橫向特性;飛行器的飛行狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,其中動(dòng)態(tài)特性又包括了長(zhǎng)周期特性和短周期特性。

對(duì)氣動(dòng)模型的調(diào)整,需要遵循一定順序,可將調(diào)整順序簡(jiǎn)單概括為:先縱向再橫向,先穩(wěn)態(tài)后動(dòng)態(tài)。

4 展望

在飛行模擬器試飛數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)際高等級(jí)飛行模擬器數(shù)據(jù)包的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求,對(duì)高等級(jí)飛行模擬器數(shù)據(jù)包的開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入研究,形成符合國(guó)際飛行模擬行業(yè)的完整規(guī)范的數(shù)據(jù)包,實(shí)現(xiàn)全面掌握飛行模擬器數(shù)據(jù)包開(kāi)發(fā)技術(shù),進(jìn)而打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的各種機(jī)型的高等級(jí)飛行模擬器。