飛行模擬器中的大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊諭涵，寧偉

（1.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.北京藍(lán)天航空科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京100085）

飛行模擬器中的大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊諭涵1，寧偉2

（1.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.北京藍(lán)天航空科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京100085）

飛行模擬器的分系統(tǒng)建模不同于真實(shí)機(jī)載系統(tǒng)建模，它以地面件為載體，僅對(duì)座艙可見(jiàn)設(shè)備做實(shí)物仿真，目標(biāo)是能夠覆蓋地面及空中的飛行科目和訓(xùn)練任務(wù)。因此，對(duì)于大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須從原理上進(jìn)行建模，才可滿足與飛行模擬器其他分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，逼真地呈現(xiàn)故障、特情等現(xiàn)象。通過(guò)闡述飛行模擬器系統(tǒng)框架，了解大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)軟件駐留及硬件驅(qū)動(dòng)原理。以系統(tǒng)輸入和輸出的交聯(lián)關(guān)系整理出軟件運(yùn)行流程，最后通過(guò)系統(tǒng)建模及設(shè)計(jì)實(shí)例和仿真輸出證明該仿真方法的實(shí)用性。該方法已通用于多型號(hào)的不同等級(jí)模擬器中，功能可覆蓋模擬飛行訓(xùn)練全任務(wù)要求。

大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)；ADC；飛行模擬器；飛行訓(xùn)練

0 引言

在飛行模擬訓(xùn)練仿真領(lǐng)域，大氣數(shù)據(jù)仿真分系統(tǒng)的仿真任務(wù)是在僅有座艙可見(jiàn)硬件設(shè)備的仿真前提下，模擬飛機(jī)在空中的各種飛行姿態(tài)，并模擬在相應(yīng)飛行姿態(tài)下傳感器的量，并將上述模擬傳感器的量輸入給相應(yīng)的航空電子系統(tǒng)。使整個(gè)航空電子系統(tǒng)在地面實(shí)現(xiàn)“在空中”的工作。

該系統(tǒng)作為飛行器的主要系統(tǒng)之一，與發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)控制、導(dǎo)航、火控、空中管制、顯示控制及告警系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其響應(yīng)特性直接影響飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備的仿真度水準(zhǔn)。而該系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)與真實(shí)機(jī)載系統(tǒng)最大的不同點(diǎn)就是需要通過(guò)軟件模型仿真出傳感器特性參數(shù)。因此，本文結(jié)合某飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)ADC系統(tǒng)的精細(xì)化建模過(guò)程進(jìn)行描述并給予準(zhǔn)確性論證。

1 系統(tǒng)組成

1.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

通常情況下，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（Atmosphere Data Computer）就是在獲得全靜壓受感器、總溫傳感器和其他參數(shù)（如迎角傳感器）輸入后，經(jīng)解算后輸出大量的大氣數(shù)據(jù)信息提供給航電火控、飛行控制等系統(tǒng)，因此通常被稱為ADC。

以某型飛行模擬仿真訓(xùn)練設(shè)備為例，飛行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、飛行控制、電源、燃油、液壓等系統(tǒng)仿真軟件與ADC系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，即圖1所示模擬器主機(jī)中，并同時(shí)接受主控實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行；各系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)即主機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)或內(nèi)存反射方式與接口系統(tǒng)交聯(lián)。接口計(jì)算機(jī)再通過(guò)RS422串行總線激勵(lì)機(jī)載座艙設(shè)備，完成控制、驅(qū)動(dòng)及顯示。

圖1 飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意

1.2 信號(hào)交聯(lián)

空速管、總溫傳感器及攻角傳感器是大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的激勵(lì)數(shù)據(jù)，作為大氣計(jì)算機(jī)的原始參數(shù)傳感器輸入信息，仍需要大氣數(shù)據(jù)仿真軟件實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)容的仿真。該系統(tǒng)與各機(jī)載仿真分系統(tǒng)交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 ADC在飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的交聯(lián)示意圖

ADC輸出的信息主要包括：氣壓高度（Hp）、相對(duì)氣壓高度（Hc）、馬赫數(shù)（M）、大氣靜溫（Ts）、校正空速（Vc）、真空速（Vt）、升降速度（Vp）、壓力比（ρr）、真攻角（αt）、總溫（Tt）及大氣密度比（ρ/ρ0）、ADC狀態(tài)、速壓（qc）、失速告警等。

2 仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

依據(jù)圖2的ADC總體結(jié)構(gòu)框圖信息，軟件算法流程圖如圖3所示。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)仿真模型

以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在高度32 km以內(nèi)、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，上述模擬傳感器數(shù)據(jù)具體獲取方法如下：

（1）溫度T（K），壓強(qiáng)p（N/m2）和密度ρ（kg/m3）對(duì)于Hp≤11 000的情況下：

圖3 軟件算法流程圖

2.3 大氣計(jì)算機(jī)解算模型

在獲取到上述傳感器參數(shù)后，進(jìn)入大氣計(jì)算機(jī)，進(jìn)行如圖4所示的解算流程。

圖4 ADC數(shù)據(jù)解算流程

流程中各參數(shù)解算可查閱資料獲得。例如：

其中，R為氣體常數(shù)。

3 應(yīng)用示例

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程，ADC系統(tǒng)運(yùn)行在模擬器主機(jī)中，主調(diào)用程序以100 Hz為運(yùn)行周期進(jìn)行調(diào)用，即時(shí)間常數(shù)τ=0.01 s，依據(jù)上述仿真設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于該實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，示例如圖5所示。

圖5 大氣計(jì)算機(jī)氣壓高度、升降速度的獲取

依據(jù)上述大氣計(jì)算機(jī)獲取氣壓高度和升降速度的方法，截取在包含側(cè)風(fēng)等氣象環(huán)境下，操作某型號(hào)飛行模擬器，完成一個(gè)起降過(guò)程的高度數(shù)據(jù)信息仿真，得到如圖6~圖8所示結(jié)果。

圖6 實(shí)時(shí)飛行高度記錄

圖7 大氣計(jì)算機(jī)輸出氣壓高度

圖8 大氣計(jì)算機(jī)輸出升降速度

4 結(jié)束語(yǔ)

該大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于一些型號(hào)全任務(wù)飛行模擬器和高等級(jí)模擬器中。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)建模方法及仿真思路著眼于工程實(shí)踐及應(yīng)用，具備嚴(yán)謹(jǐn)性的同時(shí)完成了“空中”飛行參數(shù)的生成，包括傳感器特性的儀表驅(qū)動(dòng)顯示，能滿足各等級(jí)模擬器的飛行任務(wù)訓(xùn)練要求，并達(dá)到較為逼真的人機(jī)交互顯示效果。

[1]史國(guó)慶，張建東，高曉光，等．大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可信度評(píng)估[J]．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（4）：295－299．

[2]袁梅，鮑鵬宇，董韶鵬，等．大氣數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（2）：62－66．

[3]姜華南．大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真可信度的評(píng)估[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007．

[4]馬娟．?dāng)?shù)字式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2012．

[5]李昕．大氣數(shù)據(jù)模擬器設(shè)計(jì)研究[J]．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）：35-38．

Design of air data simulation system in the flight simulator

Fan Yuhan1，Ning Wei2
（1.China Aero-polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.Beijing Bluesky Aviation Technology Co.LTD，Beijing 100085，China）

Flight simulator system modeling is different from real airborne system modeling，because we do real simulation only to the equipment that we can see in the cabin.Flight simulator system modeling is for complete air flight course and the training task.Therefore，the air data system，must carry on the modeling in principle，so as to meet with other subsystems of flight simulator data interaction，the malfunction phenomenon.Via elucidating the flight simulator system framework，we get knowledge of atmospheric data simulation system software resides and hardware drive principle.We collect the relationship of system input and output to finishing the software running processes.The method is widely used in many models of different levels in the simulator，and its functions cover simulated flight training mission requirements.

air data computer；flight simulator；flight training

V249.32

A

1674-7720（2015）13-0021-03

2015-05-01）

樊諭涵（1986-），男，碩士，主要研究方向：信息編碼。