基于FlightGear的無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境

李震華 陳志雄 朱曉飛

摘? 要：依據(jù)飛機(jī)無(wú)線電高度表功能驗(yàn)證的需要，本文利用FlightGear平臺(tái)資源和ALT-8000組成了無(wú)線電高度表系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境，可以模擬飛機(jī)起降過程，完成基于飛機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的無(wú)線電高度表功能驗(yàn)證。FlightGear提供了飛機(jī)模型及飛機(jī)環(huán)境模型，搭建無(wú)線電高度表的外部仿真環(huán)境，ALT-8000提供了無(wú)線電高度表的動(dòng)態(tài)激勵(lì)信號(hào)，整個(gè)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境可以完成基于場(chǎng)景的無(wú)線電高度表性能、指標(biāo)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電高度表? 場(chǎng)景驗(yàn)證? 系統(tǒng)集成驗(yàn)證? 試驗(yàn)環(huán)境

中圖分類號(hào)：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0017-04

Abstract： According to the requirements of verifying the functions of aircraft radio altimeter， this paper formed the dynamic test environment of radio altimeter system with resources from FlightGear platform and ALT-8000， which can simulate the taking off and landing process of aircraft， and complete the verification of functions of radio altimeter based on scene and aircraft radio altitude scene. FlightGear Provided models of the aircraft and the environment outside the aircraft， for building external simulation environment of radio altimeter.ALT-8000 provide dynamic excitation signal for the radio altimeter. The whole dynamic test environment can complete the dynamic verification of radio altimeter performance based on the scene.

Key Word： Radio altimeter; Scene verify;System integrated verify;Test environment

無(wú)線電高度表是飛機(jī)上必不可少的導(dǎo)航設(shè)備，用于測(cè)量飛機(jī)距離地面（海面）的真實(shí)高度，一般由發(fā)射天線、接收天線、收發(fā)機(jī)和指示器組成。無(wú)線電高度表是利用測(cè)量電磁波傳播延遲時(shí)間來確定地球表面上空飛行器的高度。無(wú)線電高度表利用機(jī)載發(fā)射天線發(fā)射一個(gè)探測(cè)信號(hào)，并接收由地面反射的回波信號(hào)。在測(cè)量至反射表面的高度H時(shí)（H為高度表在反射表面上空的高度），無(wú)線電高度表的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)放在同一運(yùn)載飛行器上，這時(shí)反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間為t，H=ct/2。其中c為電磁波傳播速度。本文介紹利用FlightGear和ALT-8000組成了無(wú)線電高度表系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境，可以模擬飛機(jī)在起降過程，完成基于場(chǎng)景的無(wú)線電高度表功能驗(yàn)證及飛機(jī)無(wú)線電高度功能場(chǎng)景驗(yàn)證。

1? 基于FlightGear的無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)背景

無(wú)線電高度表測(cè)試國(guó)內(nèi)外目前的測(cè)試方法發(fā)展趨勢(shì)由過去靜態(tài)測(cè)試逐漸發(fā)展為動(dòng)態(tài)激勵(lì)測(cè)試，靜態(tài)激勵(lì)雖然可以對(duì)設(shè)備大部分接口性能及功能進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，但是無(wú)法驗(yàn)證設(shè)備在真實(shí)復(fù)雜環(huán)境下的工作狀態(tài)。因此從飛機(jī)系統(tǒng)集成的角度，需要設(shè)計(jì)一種高度逼真的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境對(duì)無(wú)線電高度表進(jìn)行全面的測(cè)試驗(yàn)證。FlightGear作為航空界應(yīng)用較為廣泛的多平臺(tái)飛行模擬軟件，其目標(biāo)之一就是搭建先進(jìn)開源飛行模擬器框架，用于科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)踐。因此基于FlightGear開發(fā)復(fù)雜飛行環(huán)境仿真激勵(lì)環(huán)境來開展無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)驗(yàn)證在民機(jī)研發(fā)工作中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2? FlightGear簡(jiǎn)介

FlightGear主要由動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng)、駕駛艙系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、視景顯示系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、助航系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，顯示一個(gè)包括飛機(jī)、機(jī)艙儀表、天空狀態(tài)、機(jī)場(chǎng)跑道、地形環(huán)境等仿真圖形環(huán)境。可以準(zhǔn)確逼真地模擬真實(shí)的飛機(jī)環(huán)境，如：地圖場(chǎng)景，云雨，湍流等大氣環(huán)境模擬，支持多飛行器飛行，可以模擬真實(shí)的空中飛行交通環(huán)境等。軟件具備平顯、儀表板、電子導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)與跑道以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作等眾多的特性，還提供了空中交通管制，平行顯示系統(tǒng)，自動(dòng)飛行等功能。

3? 無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)飛行激勵(lì)系統(tǒng)工作原理

無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)飛行激勵(lì)系統(tǒng)主要由飛行仿真系統(tǒng)，射頻激勵(lì)系統(tǒng)和視景系統(tǒng)組成。飛行仿真軟件主要為無(wú)線電高度表提供飛行參數(shù)數(shù)據(jù)，飛行仿真軟件中的飛機(jī)模型可以按照選定的飛行剖面圖按固定航路點(diǎn)進(jìn)行模擬飛行，該軟件可以將配置好的航路點(diǎn)通過UDP/TCP網(wǎng)絡(luò)發(fā)給數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)打包后發(fā)給射頻激勵(lì)系統(tǒng)。射頻激勵(lì)系統(tǒng)可以通過同軸電纜將射頻信號(hào)注入到無(wú)線電高度表設(shè)備中，使無(wú)線電高度表輸出動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)。視景軟件可以將飛機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示出來，為測(cè)試人員提供良好的視覺效果，增強(qiáng)試驗(yàn)的可操作性。無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)飛行激勵(lì)系統(tǒng)顯示效果如圖1所示。

從圖1可知，飛行仿真軟件通過接受駕駛桿反饋的信號(hào)，進(jìn)行飛控模型結(jié)算，并將飛機(jī)姿態(tài)等特性參數(shù)傳輸?shù)揭暰胺抡婺Ｐ停?qū)動(dòng)飛機(jī)的動(dòng)作響應(yīng)和視景顯示。通過調(diào)取航線數(shù)據(jù)庫(kù)中航路點(diǎn)信息，計(jì)算飛行軌跡和方位，建立無(wú)線電高度表及其它相關(guān)系統(tǒng)仿真模型，并通過UDP/TCP協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴漕l激勵(lì)設(shè)備，驅(qū)動(dòng)通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備工作。

4? 無(wú)線電高度表激勵(lì)系統(tǒng)組成

無(wú)線電高度表的激勵(lì)采用艾法斯公司開發(fā)的無(wú)線電高度表激勵(lì)專用設(shè)備ALT-8000。ALT-8000已經(jīng)被用來測(cè)試多款的無(wú)線電高度表，可以面向4.3GHz FMCW（調(diào)頻連續(xù)載波）無(wú)線電高度表和脈沖式無(wú)線電高度表的測(cè)試，ALT-8000設(shè)備可以直接連接接收機(jī)或利用天線耦合器工作，仿真射頻環(huán)路測(cè)試，檢測(cè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、饋線故障，可編程多航段爬升/下降曲線測(cè)試，收發(fā)測(cè)試方面用于比率測(cè)試、跟蹤靈敏度、發(fā)射頻率測(cè)試、發(fā)射功率測(cè)試、發(fā)射機(jī)掃描速度測(cè)試、發(fā)射掃描偏頻測(cè)試、天線連接造成的TX-RX交互耦合問題檢測(cè)、高度變化曲線仿真、發(fā)射機(jī)脈沖寬度測(cè)試、發(fā)射機(jī)脈沖重復(fù)頻率測(cè)試。激勵(lì)設(shè)備與無(wú)線電高度表的連接關(guān)系如圖2所示，可以直接連接被測(cè)無(wú)線電高度表收發(fā)機(jī)或通過天線耦合測(cè)試。

5? 基于FlightGear 的無(wú)線電高度表仿真試驗(yàn)環(huán)境

經(jīng)過對(duì)于無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)飛行激勵(lì)系統(tǒng)以及無(wú)線電高度表激勵(lì)系統(tǒng)的研究最終搭建出了基于FlightGear的無(wú)線電高度表仿真試驗(yàn)環(huán)境，該試驗(yàn)環(huán)境主要利用FlightGear可以仿真測(cè)距機(jī)的外部數(shù)據(jù)環(huán)境，其中數(shù)字激勵(lì)信號(hào)（經(jīng)度、緯度、高度數(shù)據(jù)）可以通過以太網(wǎng)接口發(fā)送給ALT-8000設(shè)備，主要架構(gòu)如圖3所示。

ALT-8000設(shè)備可以通過網(wǎng)線與遠(yuǎn)程控制設(shè)備連接。遠(yuǎn)程控制設(shè)備可以接收飛行激勵(lì)系統(tǒng)發(fā)出的飛機(jī)的實(shí)時(shí)無(wú)線電高度數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將實(shí)時(shí)高度數(shù)據(jù)指令下達(dá)到ALT-8000，激勵(lì)無(wú)線電高度表輸出相應(yīng)高度數(shù)據(jù)，高度數(shù)據(jù)反饋回飛行仿真系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)無(wú)線電高度表返回?cái)?shù)據(jù)可以用來激勵(lì)真實(shí)飛機(jī)顯示器或者圖形開發(fā)軟件所開發(fā)的顯示畫面形成完整的閉環(huán)試驗(yàn)環(huán)境，如圖4所示。無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)激勵(lì)設(shè)備從飛行仿真系統(tǒng)中接收的數(shù)據(jù)參數(shù)為Altitude（RA）對(duì)應(yīng)飛行仿真數(shù)據(jù)為/position/gear-agl-ft。通過Python編寫接口通信程序，來接收FlightGear發(fā)出的飛行數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給ALT-8000設(shè)備用于仿真激勵(lì)。

基于該仿真驗(yàn)證環(huán)境架構(gòu)，在試驗(yàn)室連接真實(shí)的無(wú)線電高度進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，無(wú)線電高度表可以接收從FlightGear發(fā)出的參數(shù)信號(hào)并且顯示畫面上無(wú)線電高度表的值可以實(shí)時(shí)變化響應(yīng)。證明其可適用于無(wú)線電高度表接口性能驗(yàn)證、軟件功能驗(yàn)證以及模擬復(fù)雜飛行環(huán)境對(duì)無(wú)線電高度表造成的影響，可以全面模擬出無(wú)線電高度表在工作中所遇到的各類情況，便于設(shè)計(jì)維護(hù)人員進(jìn)行問題分析定位。

6? 對(duì)于未來展望

該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)也可以用于其他通信導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備測(cè)試激勵(lì)環(huán)境的研發(fā)，為測(cè)距儀設(shè)備、甚高頻設(shè)備、儀表著陸系統(tǒng)、自動(dòng)定向機(jī)、空中防撞告警系統(tǒng)設(shè)備等提供同樣的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境，從而建立起一套完整的通信導(dǎo)航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)飛行激勵(lì)環(huán)境。

7? 結(jié)語(yǔ)

本文概要介紹了基于FlightGear的無(wú)線電高度表動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)，該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境可以完成基于場(chǎng)景的無(wú)線電高度表功能集成驗(yàn)證試驗(yàn)。可以應(yīng)用于無(wú)線電高度表研發(fā)的各個(gè)階段，對(duì)無(wú)線電高度表進(jìn)行充分的集成驗(yàn)證，同時(shí)依據(jù)該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)提出未來展望，為后續(xù)通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)動(dòng)態(tài)飛行激勵(lì)提供了方向。

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