機載航空電子通信導航監視系統數字建模研究

倪翔 鄭海

摘 要：機載航空電子導航設備為飛機的正確航行提供指導，關系著飛機飛行的安全性和穩定性，從而影響著人們的生命財產安全。本文將針對機載航空電子通信導航監視系統數字建模展開研究，通過仿真模型的建立測試系統的功能和性能，不斷優化通信導航監視系統的架構設計，提高空中交通運行水平，更好的為國家社會服務。

關鍵詞：機載航空；電子通信設備；導航監視系統；數字建模；研究分析

Communication Navigation and Surveillance簡稱CNS，即通信導航監視系統，它是機載航空電子系統的基本組成部分，主要可以分為通信子系統、綜合監視系統、導航子系統三個部分，其中通信子系統可以實現飛機與地面、飛機與飛機之間的數據通信和可靠通話，綜合監視系統可以實現氣象告警、近地、防撞等功能，導航子系統可以實現起飛、巡航、著陸的導航和定位功能。下面我們將針對CNS系統數字建模展開研究。

一、簡析機載航空電子通信導航監視系統數字建模的內涵

1. CNS系統數字建模的重要意義

機載航空電子通信導航監視系統數字建模仿真具有如下作用：實現CNS系統的架構定義、架構優化和分解安全性指標；實現系統性能、功能、接口仿真；進行系統內外總線傳輸延遲分析以及使用率分析，等等。通信導航監視系統數字建模可以為新型飛機研發先進航空電子系統提供數據和理論支持，提高飛機飛行的安全性、穩定性、高效性，從而維護空中交通的正常運行，保證人們生命財產安全。

2. CNS系統數字建模的基本框架

CNS系統數字建模可以采用SIMULINK軟件，它是一種可視化的仿真工具，可以提供動態系統建模、仿真、綜合分析的設計環境，而且不需要編寫大量程序便可以構造出復雜的系統。然后我們應用自上而下的設計方法、模塊化的建模方法、分離式仿真技術以及分布式仿真技術等方法和技術，實現一體化架構設計，提高系統集成度、靈活性、可維護性，同時實現CNS仿真系統的人機功效【1】。

二、研究機載航空電子通信導航監視系統數字建模的重點環節

1.通信導航監視系統設備仿真建模

通信導航監視系統設備仿真建模是CNS系統數字建模的核心部分，可以實現仿真通信、導航、監視系統各種設備的數據與功能通信，從而檢測各種設備的仿真運行狀態。通信導航監測系統設備仿真模型是通過航空電子雙向以太網（AFDX）、離散、ARINC429總線等信號進行通信的，而且可以交換通信導航監視系統內部數據。

1.1 CNS通信子系統仿真模型

CNS通信子系統仿真模型主要用來實現仿真無線電通信收發機的話音通信功能、輸入輸出數據傳輸功能、數據鏈功能、接受調諧控制功能、離散控制功能、VHF應急調諧功能等等，通信子系統主要由高頻收發機仿真模型（HF）、衛星通信仿真模型（SATCOM）、甚高頻收發機仿真模型（VHF）等部分組成。

1.2 CNS導航子系統仿真模型

CNS導航子系統仿真模型需要實現仿真無線電導航收發機的離散控制功能、導航功能、自檢功能、接受飛管調諧控制功能、接受調諧控制功能、ILS應急調節功能等等，導航子系統主要由GPS即全球定位系統接收機、多模導航接收機（NAV）、無線電高度表（RA）、測距儀（DME）、北斗定位系統（BDS）等仿真模型組成。

1.3 CNS監視子系統仿真模型

CNS監視子系統仿真模型包括了綜合監視系統（ISS）模型，用來滿足防撞及近地警告、氣象雷達等多樣化監視需求，監視子系統主要由空中交通防撞系統（TCAS）、異步接收機（XPDR）、地形識別和預警系統（TAWS）、氣象雷達（WXR）等仿真設備組成

1.4 CNS系統數字建模的其他仿真模型

除了上述三個子系統仿真模型，我們還要建立調諧控制面板仿真模型（TCP）和無線電數據接口單元（RDIU）仿真模型，其中調諧控制面板仿真模型用來實現仿真調諧控制設備對通信導航監視設備的應急調諧功能、調諧控制功能、飛管調諧數據同步功能、多個調諧控制面板之間的數據同步功能等，而無線電數據接口單元仿真模型用來實現外部與CNS系統數據交互，它分為左右兩側，用來實現CNS外部與CNS系統左右兩側各仿真模型的數據收發，同時無線電數據接口單元仿真模型具備航空電子雙向以太網和ARINC429之間的協議轉換功能，從而保證CNS對外數據交互接口統一。

2.通信導航監視系統激勵仿真建模

通信導航監視系統激勵仿真模型主要功能有飛行管理系統調諧控制功能、起落架信號功能、多功能顯示導航數據功能、慣導輔助GPS快速定位功能等。通信導航監視系統激勵仿真模型可以分為左右兩側，根據兩側預定的軌跡生成飛行路線，然后依據航線產生飛行狀態信息，從而激勵通信導航監視系統各設備仿真模型，并且顯示各仿真模型的輸出數據。設備激勵仿真模型和設備仿真模型共同組成了通信導航監視系統仿真模型，有利于系統順利進行測試工作，我們可以對系統其中某一設備仿真模型進行測試，并且實時修改設備激勵仿真模型的激勵參數，觀察測試結果。

3.通信導航監視系統仿真建模的優點

通信導航監視系統仿真模型應用了模塊化設計結構和標準化的開放體系架構，各設備模型符合相關規范標準，有利于設備的按需組合和重復使用。模塊化建模方便CNS系統設計不同架構，比較性能差異，實現快速定義和設計。同時模型接口特性符合真實設備接口需求，因此該仿真模型具備良好的功能擴充和系統擴展性能，方便日后維護，滿足未來發展需求。CNS系統仿真模型的建立是以TSO標準、ARINC標準以及國內外適航產品為基礎，所以具備高度的復原性，能夠真實反映機載航空電子設備的相互關系、功能、輸入輸出接口數據傳輸邏輯，該模型可以使用真實航空飛行數據包進行激勵，保證了仿真模型的系統功能和性能得到了充分的檢驗。另外，該仿真模型是根據未來通信技術的發展趨勢建立的，拓展了AFDX的數據借口和功能，利用該模型設計完善系統架構，可以提升機載電子系統的開發效率和質量，并且有效降低了研發成本【2】。

綜上所述，我們對機載航空電子通信導航監視系統數字建模展開了研究，首先明確了CNS系統數字建模的重要意義和基本框架，然后分析了通信導航監視系統設備仿真模型和激勵仿真模型的建立，二者共同構成了通信導航監視系統仿真模型閉環，從而使整個系統更具可測試性，最后分析了CNS系統仿真建模的優點，便于現代航行系統的功能驗證、接口定義、架構設計、總線數據分析等，為日后的機載航空電子通信導航監視系統設計提供參考。

參考文獻：

[1]趙育良，許兆林. 飛機導航數據仿真系統設計[J]. 飛機設計，2007（01）：40-42.

[2]馮眾保，馮曉波. 機載航空電子通信導航監視系統數字建模[J]. 兵工自動化，2018，37（08）：83-86.