RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)研究

摘 要：所需導(dǎo)航性能（RNP）運(yùn)行是新航行系統(tǒng)的核心，其提出了航行方式從基于傳感器導(dǎo)航到基于性能導(dǎo)航的轉(zhuǎn)變，并且對飛機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)性能提出了新的要求。在設(shè)計(jì)階段，對RNP系統(tǒng)的方案架構(gòu)、性能和功能的有效評估和驗(yàn)證就顯得十分重要。基于RNP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，該文主要介紹了RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案及對仿真軟件的設(shè)計(jì)要求，其將用于對RNP系統(tǒng)整體的功能和性能進(jìn)行評估、分析和驗(yàn)證，從而為飛機(jī)的系統(tǒng)研發(fā)提供重要的技術(shù)支持和驗(yàn)證手段。

關(guān)鍵詞：飛行管理系統(tǒng) 綜合導(dǎo)航系統(tǒng) RNP 仿真平臺

中圖分類號：V249.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0082-02

隨著航空器機(jī)載設(shè)備能力的提高以及衛(wèi)星導(dǎo)航等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，國際民航組織（ICAO）提出了基于性能的導(dǎo)航（Performance Based Navigation， PBN）概念。PBN包含導(dǎo)航設(shè)施、導(dǎo)航規(guī)范和導(dǎo)航應(yīng)用等方面。其中導(dǎo)航規(guī)范規(guī)定了導(dǎo)航系統(tǒng)的功能、性能和傳感器等方面的要求，是PBN實(shí)施的關(guān)鍵。其包含所需導(dǎo)航性能（RNP）規(guī)范和區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）規(guī)范。RNP定義了飛機(jī)在一個(gè)確定的航路、空域或區(qū)域運(yùn)行時(shí)所需的導(dǎo)航性能，對導(dǎo)航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性提出了要求。RNP是未來航行系統(tǒng)（Future Air Navigation System， FANS）和下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)（Next Generation Air Transportation System， NexGen）的重要技術(shù)。RNP的引入體現(xiàn)了航行方式從基于傳感器導(dǎo)航到基于性能導(dǎo)航的轉(zhuǎn)變。RNP標(biāo)準(zhǔn)對包括飛行管理系統(tǒng)（FMS）、自動飛行系統(tǒng)、導(dǎo)航傳感器等航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能提出了新的要求。設(shè)計(jì)符合RNP規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，并開發(fā)對應(yīng)的仿真平臺，用于RNP系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和評估，將為現(xiàn)代客機(jī)的研發(fā)提供重要的輔助作用和技術(shù)支持。

1 RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)目標(biāo)

RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺主要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)RNP相關(guān)的核心子系統(tǒng)的功能仿真，包括飛行管理系統(tǒng)[1]、高性能綜合導(dǎo)航系統(tǒng)[2]、顯示系統(tǒng)[3]和飛控系統(tǒng)[4]等。再加上飛機(jī)模型和環(huán)境模型，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，來進(jìn)行RNP系統(tǒng)的性能分析、評估和驗(yàn)證。RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺通過飛行管理系統(tǒng)執(zhí)行飛行計(jì)劃、軌跡預(yù)測、性能計(jì)算以及飛行導(dǎo)引的核心功能，并與飛控系統(tǒng)和高性能綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和指令傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真。同時(shí)，高性能綜合導(dǎo)航系統(tǒng)融合各導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)，對RNP系統(tǒng)整體的性能評估、分析和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)RNP性能監(jiān)測和告警。RNP性能仿真驗(yàn)證平臺應(yīng)具備以下主要功能：

（1）仿真RNP核心子系統(tǒng)的功能。

（2）仿真飛機(jī)模型及運(yùn)行環(huán)境模型。

（3）提供可視化、交互式的仿真環(huán)境。

（4）實(shí)現(xiàn)RNP系統(tǒng)整體性能的綜合評估、分析及驗(yàn)證。

（5）實(shí)現(xiàn)RNP核心子系統(tǒng)模塊的功能性和原理性仿真與系統(tǒng)集成，輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

2 RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺的架構(gòu)

2.1 RNP系統(tǒng)集成平臺架構(gòu)

RNP系統(tǒng)集成平臺的邏輯架構(gòu)如圖1所示。

飛機(jī)仿真模塊可以包括飛機(jī)模型、飛控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和自動油門系統(tǒng)。

真實(shí)航電設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以為部分或全部的機(jī)載真實(shí)航電系統(tǒng)。

飛控系統(tǒng)仿真模塊包括自動飛行和飛行指引系統(tǒng)。

2.2 RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)

2.2.1 RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺系統(tǒng)模型

為實(shí)現(xiàn)平臺設(shè)計(jì)目標(biāo)，RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺需要由多個(gè)系統(tǒng)模型組成，見圖2。

（1）高性能綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模型：是多傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)：多種導(dǎo)航傳感器信息融合、導(dǎo)航模式管理、無線電導(dǎo)航臺的自動調(diào)諧和RNP性能評估與監(jiān)測告警等功能。

（2）飛行管理系統(tǒng)（FMS）模型：主要實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃、軌跡預(yù)測、性能計(jì)算以及飛行導(dǎo)引的等核心功能。

（3）顯示模型：主要實(shí)現(xiàn)電子飛行儀表系統(tǒng)仿真（包括主飛行顯示、導(dǎo)航顯示、告警顯示等），人機(jī)交互界面仿真等功能。

（4）ISA模型：是國際標(biāo)準(zhǔn)大氣（ISA）的模型。主要仿真隨飛行高度變化的地球大氣的壓力、溫度、密度和粘稠度等數(shù)據(jù)。需符合ICAO Doc 7488規(guī)范。

（5）大氣擾動模型：主要仿真在各飛行階段的風(fēng)和氣流擾動的影響，和在起飛和著落階段的下?lián)舯┝鞯挠绊憽?/p>

（6）飛機(jī)模型：是一個(gè)6自由度的飛機(jī)模型，主要仿真飛機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)。其輸出所有的飛機(jī)動態(tài)參數(shù)。

（7）發(fā)動機(jī)模型：主要仿真發(fā)動機(jī)性能和推力等參數(shù)。

（8）主飛行導(dǎo)引系統(tǒng)（AFGS）模型：其包括自動駕駛和自動油門功能的仿真。主要產(chǎn)生橫滾和俯仰姿態(tài)指令、航向指令和推力或速度指令等。

（9）飛行控制系統(tǒng)（FCS）模型：其用于控制飛機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)將控制指令轉(zhuǎn)換成實(shí)際的飛機(jī)控制信號。

（10）氣象預(yù)測模型：用于仿真各種氣象環(huán)境。

2.2.2 RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)

RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)如圖3所示。該架構(gòu)描述了各系統(tǒng)模型間的邏輯關(guān)系和接口關(guān)系。

這里將對平臺的軟件設(shè)計(jì)做一些規(guī)范性的研究，不對硬件環(huán)境的要求進(jìn)行闡述。

2.3 RNP仿真驗(yàn)證平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.1 模塊化軟件設(shè)計(jì)

所有的仿真軟件需依據(jù)模塊化開發(fā)。模塊化的程度根據(jù)RNP系統(tǒng)各分解模塊來決定，使改變?nèi)我荒K對其他模塊的影響降到最低。模塊化軟件的設(shè)計(jì)是至上而下的軟件設(shè)計(jì)方法，其強(qiáng)調(diào)把RNP系統(tǒng)仿真軟件系統(tǒng)分解到獨(dú)立的、可互換的功能模塊，使每個(gè)模塊來執(zhí)行唯一的期望功能。模塊化軟件應(yīng)該滿足下面一些要求：

（1）每個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單易理解。

（2）每個(gè)模塊的執(zhí)行易于改變，不會影響其他模塊的運(yùn)行。

（3）每個(gè)模塊易于修改，不會對模塊間的接口產(chǎn)生變動，或盡可能的減少對接口的影響。

2.3.2 RNP仿真驗(yàn)證平臺軟件架構(gòu)

RNP仿真驗(yàn)證平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)由多個(gè)頂層軟件模塊組成，見圖4。每個(gè)頂層軟件模塊可以分解成多個(gè)底層軟件模塊。

3 結(jié)語

該文介紹了RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著新航行系統(tǒng)的發(fā)展，RNP系統(tǒng)越來越顯示其重要性。RNP系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺的建設(shè)，有助于開展對RNP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、性能評估及驗(yàn)證工作。同時(shí)對RNP系統(tǒng)的性能和功能需求提供了有效的仿真驗(yàn)證手段。

參考文獻(xiàn)

[1]宗軍耀.大型客機(jī)飛行管理系統(tǒng)功能研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（32）：210-211.

[2]宗軍耀，鄭智明，張琛.基于RNP運(yùn)行的機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的架構(gòu)和功能分析研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014，（25）：7-8.

[3]Ian Moir，Allan G Seabridge. Civil Avionics Systems[M]. rofessional Engineering Publishing UK，2003.

[4]Ian Moir，Allan G Seabridge.飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)械、電氣和航空電子分系統(tǒng)綜合[M].航空工業(yè)出版社，2001.