面向半實物仿真飛行平臺的通用型飛行參數測試系統設計*

王 健，張會新

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

1 引言

隨著我國現代化航空技術的飛速發展，應用于航空領域的機載儀表和設備種類日益增多。更多先進機載設備的使用為飛行員、作戰員提供了更快速、更全面的飛行器位置和狀態信息以及戰場態勢信息，與此同時也對我們掌握各類機載設備使用操作與原理提出了更高的要求。各飛行學校和部隊航校在培養飛行員的過程中，考慮到飛行安全、教學成本和學習效率等因素，不能完全滿足飛行學員在實際飛行過程中學習和掌握各類航空儀表使用方法的條件。而半實物仿真飛行平臺的出現為上述問題提供了新時代下的解決方案，尤其是得益于當代5G技術的超大帶寬和超低延時[1]2大特點，基于增強現實性虛擬現實技術的半實物仿真飛行平臺成為各國競相發展的重點項目。除此之外，半實物仿真飛行平臺[2]及其記錄系統在縮短飛機研發時間，降低研發成本，建立虛擬學習環境[3]、進行夜航單飛模擬訓練[4]和錘煉戰士全時段作戰能力等方面扮演著不可替代的角色。

Figure 1 Design of universal flight parameter testing system based on LabVIEW

2 系統總體設計

基于LabVIEW的通用型飛行參數測試系統信源發生模塊模擬飛機實際飛行過程的模擬量、數字量和離散混合量等參數的產生，其中參數個數、參數類型和參數名稱等均可通過操作界面進行添加、刪除和配置等操作。設備總線互聯模塊包括總線設備初始化、設備連接和設備斷開3個子模塊，通過設備ID、端口號對不同設備進行識別，設備連接完成之后會返回連接狀態指示表明是否連接成功，如果設備連接超時則重新發起連接請求。信源參數配置模塊包括配置文件操作和配置參數操作2個子模塊，配置文件具有編輯、調用、保存和刪除等功能模塊。信號數據發生模塊包括信號數據加噪模塊和發生使能操作模塊，使能操作模塊包括信號發生使能控制模塊和信號停止控制模塊。基于LabVIEW的通用型飛行參數測試系統總體設計如圖1所示。

3 系統主控模塊設計

3.1 主控模塊決策及處理流程

主控模塊是飛行參數測試系統的主體，用于協調各個模塊正常運行，是各個模塊正常運行的平臺。該模塊采用圖形化編程語言G語言(Graphical Programing Language)[5]編寫，主控模塊提供系統操作主界面，能夠獨立啟動，系統參數可從配置文件中獲得，從而對系統各模塊初始化并進行調用，同時支持對各模塊操作界面進行通道切換。

在切換到特定通道后，主控模塊首先加載各個功能子模塊，通過讀取相應配置獲取相應參數，創建文件并顯示程序主界面。由操作員選擇系統工作狀態。操作員針對相應的工作狀態調用系統相應子模塊進行模擬指令輸入并對相應操作動作編碼進行存儲模型仿真，最后由主控模塊完成程序的退出并關閉系統。

3.2 主控模塊數據元素及仿真設計

主控模塊包含視景顯示接口、系統主界面配置、系統初始化界面設定、飛行數據分析接口[6，7]及配置參數讀取等內部數據仿真元素。其中數據分析模塊一方面用于實時監測系統仿真過程中的各種狀態參數，另一方面用于事后分析系統飛行狀態，分析模塊包括數據解碼、實時監測[8]和事后分析處理3個子模塊。數據解碼模塊包括數據解壓縮、有效數據挑選和數據通道分離3個子模塊，實時監測模塊包括數據抽取、數據刷新、參數量化和異常報警4個子模塊，事后分析處理模塊包括文件調取、數據解碼、參數量化和日志分析4個子模塊。

主控模塊中的解壓縮子模塊是壓縮編碼的逆過程，用來盡可能還原原始數據；數據挑選子模塊根據幀標志將原始數據中的無效數據剔除；通道分離子模塊是在原始數據中剔除無效數據之后，按照參數波道將表示不同通道的數據進行分離[9]。數據抽取子模塊是在大量原始數據中抽取一部分進行解碼，這樣做的目的是可以在不影響監測狀況的前提下減少飛控計算機的工作量，有利于飛行記錄系統仿真平臺的運行。飛行記錄系統仿真平臺組成框圖如圖2所示。

Figure 2 Block diagram of the simulation platform of the flight recording system

4 系統接口與主要功能

系統接口通過AFDX總線與實時仿真機進行數據交互和數據刷新，數據刷新子模塊在監測人員視覺觀察能力之內刷新顯示數據，當接口數據出現異常時，報警模塊會將標定后參數值和參考參數值進行比較，如果接口傳輸異常則發出報警信號；在進行數據傳輸的同時可以通過文件調取子模塊選擇并打開之前從實時仿真機[10]回讀的數據文件，并根據幀計數的連續性情況分析在系統接口傳輸過程中是否存在數據丟失的情況，同時在測試結束時生成data格式的測試報告[11]和txt格式的操作評估報告。系統測試接口數據對齊示例如圖3所示。

Figure 3 Example of system data alignment

本文系統作為飛控操縱參數記錄的工程級驗證設備，能將包括模擬座艙[12]操控輸入信息、各種告警信號、飛行員通話信息和座艙語音信息[13]在內的55種飛行仿真數據進行實時監測并循環記錄，具體參數如表1所示。

5 系統測試

啟動系統后仿真模型自動進行設備連接，配置無誤情況下右側列表顯示 “設備連接成功”，若顯示“設備連接失敗”，需點擊菜單欄“設備連接”項，選擇子菜單項“配置”，修改IP地址和端口號后重新連接。圖4所示為平臺啟動首頁。

Figure 4 Launch home page of platform

進入飛行參數信源設置模塊，按照設計需要依次設置55種飛行參數，在本次測試中把經緯度分別設置為42.439 6°和314.688°，把存儲位置設置為第6塊的第62頁(每塊共64頁)，剩余參數不一一列舉。點擊菜單欄“實時監測”項，彈出并點擊子菜單項“開始監測”，軟件界面切換至實時監測界面并開始實時監測，消息列表顯示相應的狀態消息，而監測界面數字顯示各參數數據。圖5所示為實時采集界面,圖6所示為監測界面，圖7所示為記錄界面。

Figure 5 Real-time acquisition interface of total pressure parameters

圖6中飛行經度顯示為42.439 5°，設置值為42.439 6°，依次分析飛行數據且對比飛行參數信源設定值，可判定本文系統實現了模擬環境下的飛行參數測試，為復雜環境下的飛行狀態評估、飛行狀態監測及飛行故障復現提供了有效的工具。

Table 1 Flight data record parameters

Figure 6 Monitoring interface of real-time flight data

Figure 7 Recording interface of flight data

6 結束語

本文提出了一種基于LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的通用型飛行參數測試平臺設計，通過平臺操作員不僅可以在不受任何天氣、場地、環境、執照和空管等多種因素制約的情況下熟悉儀器儀表的基本界面、使用原理、操作方法、告警條件和處置方式等，更重要的是飛行仿真平臺記錄系統能如實記錄操作員在模擬飛行過程中的空中技戰術動作[14]，監控飛機發動機各種參數[15]變化，對于提高訓練質量和預防飛行安全事故意義重大。