試飛數據在飛行模擬器上的應用

趙旭東

(北京藍天航空科技股份有限公司,北京 100085)

隨著航空飛行器的迅猛發展,大量軍用、民用飛機投入使用和運營,因此飛行模擬訓練得到各國軍隊、民航的普遍重視。利用飛行模擬器進行飛行訓練,具有提高訓練效率、節省訓練經費、保證飛行安全、減少環境污染等優點[1]。

飛行模擬器和風洞、噴氣發動機試驗臺、結構環境試驗設備并列為航空四大試驗研究設施,涉及到飛行仿真、機電控制、導航制導與控制、計算機控制、圖形圖像、虛擬現實、人體工程學等多個學科知識,是多學科交叉集成的高科技產品,它能夠逼真地再現飛機的飛行特性,在民用和軍事上發揮著重要作用[2-3]。

飛行仿真中的數據處理、建模及數據擬合等專業技術是研制高等級飛行模擬器的核心所在,特別是試飛數據的應用及數據包的生成技術,已成為研制高等級飛行模擬器的關鍵技術。

1 國內外研究現狀與發展趨勢

在飛行過程中,飛機各系統、各部件的工作狀態總能通過相應的參數表現出來。20世紀中期,美國、德國、法國等國家研制出了飛行參數(下文簡稱飛參)記錄系統,該系統能記錄并保存飛機的一些重要飛參[4]。經過近半個世紀的發展,飛參記錄系統由最初記錄幾個或十幾個數據,發展到今天能同時記錄上千個數據。對這些數據的利用也不再是局限于事故調查,而是拓展到飛機研制、試飛、飛行模擬訓練、飛機狀態監控、飛機故障診斷與預報、飛機視情維修及飛行模擬器研制等諸多方面。

從20世紀70年代開始我國研制飛參記錄系統,雖然起步較晚,但是發展迅速、技術日臻成熟。當前,我國機載飛參記錄系統已能記錄幾十乃至上百個參數,主要應用于利用飛參數據測試和驗證飛機的設計性能、調查失事原因、對飛機進行維護和監控、評估飛行考核等方面。自飛參記錄系統大規模列裝國產軍機后,如何充分利用飛參數據已成為研究熱點。通過對飛參數據中飛行員操縱信息及實時航向和姿態等六自由度參數的智能分析,實現飛行員操作水平的評估[5-7]。

以飛參數據為輸入,對試飛數據進行一系列的分析、截取、加工及圖形化處理,所得結果可作為高等級飛行模擬器性能的客觀評價依據[8-9]。

2 試飛數據的分析和處理

試飛數據的分析和處理工作包括:①分析工作,結合經驗和標準對試飛數據的可用性進行判斷,主要由人工完成;②處理工作,通過技術手段提取數據或調整文件格式,主要依賴程序實現。

2.1 試飛數據的分析和處理流程

試飛數據的分析和處理是循環迭代的過程。處理和分析的服務對象是后續的擬合工作。根據擬合工作的需求,需要反復與客戶協商,獲取補充數據。試飛數據分析和處理流程如圖1所示。

圖1 試飛數據分析和處理流程Fig.1 Flow chart of test flight data analysis and processing

(1)客戶提供試飛數據

試飛數據由客戶提供。試飛數據應至少包括以下3種文件:試飛數據文件、飛行日志、參數對照表。

(2)數據提取

數據提取是指從原始試飛數據文件中選取測試所需的數據,生成標準格式數據文件并畫圖。

原始試飛數據文件包含的內容較多,測試中需要識別并截取有效部分。根據客戶提供的說明文件,可確認原始試飛數據文件中各列的含義;若客戶提供的原始試飛數據沒有分科目截取,則需要參照飛行日志,按時間段截取原始試飛數據。

原始試飛數據也稱為直接數據,通過在航空總線上抓取串行數據電氣信號的方式獲取,以Label號為列記錄下來。同一Label號可包含多個物理信息。數據提取的目的是使原始試飛數據具有可讀性,為數據處理工作奠定基礎。

(3)數據標準化

原始試飛數據的單位、符號需要與飛行模擬器中的定義一致。數據標準化是對原始試飛數據文件進行再處理,從而生成飛行模擬器測試所需的鑒定測試指南(QTG)數據文件和初始化文件。

(4)初步擬合

初步擬合需要達到以下2個目的:對氣動模型進行初步調整,檢驗試飛數據的正確性。

與初步分析階段不同,本階段加入了飛行模擬器測試,可以更客觀地對原始試飛數據進行分析,并發現數據中存在的矛盾。

(5)數據優選

根據初步擬合結果,確定用于QTG測試的試飛數據。這項工作包括以下2個步驟:①對于同一個科目提供多組試飛數據的,選擇擬合效果最好的一組數據;②根據鑒定標準和擬合效果,對試飛數據進行截取。

通過數據優選,能夠確定用于QTG測試的試飛數據。將測試過程中發現的問題反饋至試飛數據的提供方,從而確保選取的數據段可以得到認證。

通過以上工作,理論上已經可以發布數據包,之后若沒有重大問題,則不再對試飛數據進行處理。如果無法找到合適數據段,就需要與客戶協商,請客戶重新提供試飛數據。

2.2 試飛數據的處理方法

數據處理工作的輸入包括以下3種文件:原始試飛數據文件、飛行日志、參數對照表。

數據處理工作的輸出包括以下3種文件:標準格式數據文件、QTG測試文件、初始化文件。

(1)原始試飛數據文件

試飛過程中傳感器采集的數據被記錄在原始試飛數據文件中。原始試飛數據文件的格式為“1+n”的形式,其具體含義為:第1行為變量名稱,以空格作為分隔符;第1行以后為數據行,每一行代表一幀數據,以空格作為數據列分隔符,數據列的列數與變量名的個數相同。

原始試飛數據的形式如圖2所示,列標題為數據在航空總線的Label號。其中,TIME列為相對時間,TTTT列為絕對時間。

圖2 原始試飛數據文件Fig.2 Original test flight data file

(2)飛行日志

飛行日志記錄了試飛時的基本信息。飛行日志中至少需要包含以下信息:日期、架次、天氣、起飛重量、燃油重量、飛機重心、試飛科目、科目對應的數據文件名、科目的開始和終止時間。

日期、架次等信息是試飛數據檢索和歸檔的重要依據。在向試飛單位反饋問題時,需要按日期和架次確定試飛數據的來源,使得試飛科目、試飛條件等影響試飛數據的因素可追溯。試飛數據中的起飛重量、燃油重量和飛機重心需要參與運算,這些數據將直接影響測試結果。

(3)參數對照表

在提供試飛數據的同時,試飛單位需要提供參數對照表或數據字典,用于解析數據文件中的內容。參數對照表記錄了各傳感器測量的參數名、單位以及數值的含義,如圖3所示。對于測量值為0或1的參數,必須注明所代表的含義。

圖3 參數對照表節選Fig.3 Extraction from parameter label list

(4)標準格式數據文件

標準格式數據文件包含95列數據,又稱95列文件,如圖4所示。95個參數可以描述飛機的工作狀態,滿足鑒定工作需要。如果機型改變,部分內容就會被調整。文件末尾有7列預留,可以根據需要添加數據。

圖4 標準格式數據文件Fig.4 Standard format data file

標準格式數據文件的生成依據Excel工作簿中的客觀測試95列標準數據選取表,如表1所示。在表格中需要填寫原始試飛數據文件中列名與95列文件中各列的對應關系。處理程序會自動讀取該表格,并依據所填內容進行處理。填寫時,必須區分不同架次。

表1客觀測試95列標準數據選取表格式

Tab.1Formatofobjectivetest95lablestandarddataselectionlist

列名內容No數字編號Variable In QTG DataOutput[95] Array95列文件中的列名中文含義參數的中文名稱Parameter Name客戶文檔中記錄的參數名101架次101架次中的Label號103架次103架次中的Label號104架次104架次中的Label號Unit單位

(5)QTG測試文件

QTG測試文件用于飛行模擬器主機端和繪圖軟件讀取。QTG測試文件與標準格式數據文件的列數相同,但標題行不同。QTG測試文件采用6行標題格式,具體內容如圖5所示,數據部分的內容與標準格式數據文件(95列文件)的內容完全相同。

圖5 QTG測試文件Fig.5 QTG test file

(6)初始化文件

初始化文件記錄了飛機在測試開始時的初始化狀態,包括姿態、起飛重量、大氣環境等。每個科目都需要一個初始化文件。在測試開始時,模擬器會讀取文件內容。同時,初始化文件也可用于編寫客觀測試指南。

初始化文件具有較好的可讀性,但格式復雜。圖6所示為初始化文件的一部分。初始化文件的生成方法采用模板化思路。將初始化文件中固定的文本寫在模板(見圖7)中,數字的位置和來源記錄在Excel表格中。處理程序根據每條記錄找到這些數據的來源,并填寫在模板的特定位置,最終生成新文件。

圖6 初始化文件Fig.6 Initialization file

圖7 初始化文件模板Fig.7 Template for initialization file

初始化參數對照表的格式如圖8所示。在生成初始化文件時,處理程序首先讀取參考文件列,從而獲知該參數來源于哪種數據文件。隨后,在客觀測試95例標準數據及科目匯總表中查找到文件的路徑并讀取。最后,通過對應的重量文件或95列文件,獲得相應數據文件中的列名,找到相應數據。圖8中的行和列表示數據在初始化文件中的位置,處理程序會根據這2個信息將數據插入到文件模板的相應位置。

使用模板生成初始化文件的優勢在于,可以實現對文件格式的任意修改。只需修改初始化參數對照表和模板文件的內容,就可完成修改工作。

圖8 初始化參數對照表Fig.8 Comparison table of initialization parameters

2.3 試飛數據處理的關鍵技術

由于傳感器誤差、機載電壓不穩等因素造成原始試飛數據與噪聲數據雜糅,因此需要使用正確的方式對原始試飛數據進行濾波,同時抽取真實有效的試飛數據。

試飛數據處理宗旨是找出試飛數據處理的最優方法,目的是在去除噪聲數據的同時,獲取最真實有效的試飛數據,并且對試飛數據進行平滑處理。試飛數據處理主要包括以下工作:

(1)對原始傳感器數據的格式、單位、值域、符號等進行轉換及濾波。

(2)對轉換后的傳感器數據進行質量檢查,評估不滿足要求的科目,從而確認是否需要重新試飛。

(3)按照客觀測試要求,對數據進行篩選提取,形成滿足鑒定測試要求的數據。

(4)按照標準格式建立數據文件,并選取試飛驗證數據和模型校核數據。

3 試飛數據擬合方法

試飛數據擬合的目標是通過調整仿真模型,保證所有試飛數據符合容差要求。根據CCAR-60規章對客觀測試的相關規定,試飛數據擬合需要保證飛行模擬器仿真結果與試飛數據的誤差在一定范圍內。CCAR-60規章中對容差的規定比較嚴格,即使理論模型與實際情況存在微小偏差,也會導致仿真結果超過容差要求,所以擬合工作在飛行模擬器客觀測試中是必不可少的。

3.1 試飛數據擬合方法的工作流程

國外公司在客觀測試方面具有豐富的經驗,以KSR公司的客觀測試準備工作流程(見圖9)為例,客觀測試準備工作包括以下3個重要部分:理論模型構建、試飛數據處理、氣動模型辨識。

對比國內某項目客觀測試準備工作流程(見圖10),可以發現:雖然國內在這方面的工作經驗有限,但是與國外公司的基本工作框架一致。這說明現階段工作的整體方向是正確的,只是在實現方法上存在差距。圖9中的“氣動模型辨識”即為本文所述的數據擬合工作。

圖9 KSR公司的客觀測試準備工作流程Fig.9 Objective test preparation working flow of KSR Company

圖10 國內某項目客觀測試準備工作流程Fig.10 Objective test preparation working flow of a project in China

在國內某項目中,氣動模型由客戶提供,符合國際通用的飛行模擬器建模方式,氣動模型的完備程度也是迄今為止所有項目中最高的。之后的數據擬合工作是對理論模型的調整。如果沒有理論模型,而完全通過試飛數據構造模型,就幾乎無法實現所有科目的擬合。

國外公司在強調理論模型重要性的同時,采用氣動模型辨識技術進行數據擬合。氣動模型辨識技術依然需要原始模型作為支撐,如果理論模型與試飛數據差別很大,就很難辨識出正確結果[10]。

理論模型需要符合飛機的飛行包線,以及具有正確的動態特性。最終,理論模型還需要通過飛行員的主觀測試。

國內某項目中的氣動模型,曾在工程模擬器上得到飛行員驗證。用于飛行模擬器仿真的氣動力理論模型,可以參考國際航空運輸協會(IATA)的相關文檔。氣動模型需要輸出6個全機氣動力系數,對應空間內的六自由度運動[11]。

3.2 試飛數據擬合方法的實現

數據擬合是一個循序漸進的過程,通過一輪工作很難使所有結果符合容差。因此,利用數據擬合方法,逐步修正氣動模型和試飛數據之間存在的問題,最終達到鑒定要求。

在初步擬合階段,不要求測試結果符合容差規定,只要與試飛數據近似即可。調整氣動模型的手段為整體對氣動系數增加偏移量,或修改氣動導數。初步擬合階段主要關注舵效、配平以及動態特性的運動周期和阻尼。

圖11和圖12展現了初步擬合前后的測試效果。雖然圖12中的曲線擬合效果很好,但是局部放大后(見圖13),與試飛數據間的誤差依然很大,不符合容差要求。然而,這樣的結果已經達到初步擬合的目的,可以開始后續工作。

圖11 初步擬合前的測試結果Fig.11 Test results before preliminary fitting

圖12 初步擬合后的測試結果Fig.12 Test results after preliminary fitting

圖13 初步擬合后測試結果放大圖(俯仰角)Fig.13 Detailed test results after preliminary fitting(angle of pitch)

客觀測試中的科目可分為地面科目和飛行科目,與氣動相關的是飛行科目。飛行器的氣動特性可分為縱向特性和橫向特性;飛行器的飛行狀態可分為穩態特性和動態特性,其中動態特性又包括了長周期特性和短周期特性。

對氣動模型的調整,需要遵循一定順序,可將調整順序簡單概括為:先縱向再橫向,先穩態后動態。

4 展望

在飛行模擬器試飛數據獲取的基礎上,結合國際高等級飛行模擬器數據包的開發經驗和規范要求,對高等級飛行模擬器數據包的開發進行深入研究,形成符合國際飛行模擬行業的完整規范的數據包,實現全面掌握飛行模擬器數據包開發技術,進而打造具有自主知識產權的各種機型的高等級飛行模擬器。