飛行模擬機數據包發展綜述

張俊杰, 李 剛, 伍小東, 王 清, 孫紹輝

(1.北京藍天航空科技股份有限公司，北京 100085；2.中國民航科學技術研究院，北京 100028；3.中航西飛民用飛機有限責任公司 客戶服務中心，陜西 西安 710089)

飛行模擬機數據包是飛機制造商經民航管理或其他航空管理機構審定批準后提供給飛行模擬機制造商(Training Devices Manufacture,TDM)用于設計、制造和測試飛行模擬機所需各類數據的集合[1-3]。

高等級飛行模擬機(Full Flight Simulator,FFS)要求與所模擬的飛機具有極高的性能逼真度，而性能逼真度的關鍵是成熟、完整的飛行模擬機數據包。它的完整性、準確性決定了模擬機在飛機系統功能、飛行特性、感覺提示等方面的逼真程度，從而影響到飛行訓練的質量和飛行運營的安全。

隨著國內航空產業的迅速發展，民用飛機和軍用飛機不斷研制成功，而與之相配套的高等級飛行模擬訓練設備的發展卻進展緩慢。分析其原因不難發現，飛行模擬機數據包開發技術成為制約國產飛機的高等級飛行模擬訓練設備發展的關鍵。

因此，有必要對國際上飛行模擬機數據包的發展進行研究，以期為國內飛行模擬機數據包技術和高等級飛行模擬訓練設備的發展提供借鑒。

1 國外發展

飛行模擬訓練設備產業是航空工業的一個細分方向，與航空產業的發展水平同步，以波音和空客為代表的西方航空產業發展十分成熟，在飛行模擬訓練設備及數據包方面同樣十分成熟，下面以波音公司和空客公司的數據包為例進行介紹和分析。

1.1 波音數據包

根據波音公司的介紹，波音公司全球服務部門(Boeing Global Services ，BGS)下屬的Training & Simulation Digital Services針對模擬機提供專門的高質量服務，包括波音仿真包(Boeing Simulator Packages，BSP)、軟件建模仿真以及訓練中心運營支持等[4]。其中，波音仿真包就是波音為其飛機的模擬機制造商提供的全套數據、軟件、硬件套件及技術支持。

實際上，根據資料分析，波音公司對模擬機的數據包服務最初并非如此，經歷了以下3個階段。

1.1.1 傳統數據包(Traditional Simulator Data Packages，SDP)

波音公司SDP應用于787之前的機型，例如麥道系列、737、747、757、767和777。SDP提供包含飛機圖表、圖紙以及專門為模擬機的氣動、推進、飛控、地面操縱、飛機系統、聲音和振動等仿真而編制的技術文檔。

傳統數據包以紙質或電子版格式提供，包括.pdf文件、接口控制文件(ICD)，規范控制文件(SCD)等。TDM獲得數據包授權后，可根據這些文件開發模擬機的仿真模型，進行模擬機的測試、驗證和鑒定等工作。

波音意識到這種方式提供的數據包可以無限復制，無法有效地控制波音的知識產權，因此，波音逐漸采用二進制的形式提供數據包的核心部分，以前的機型也采用新的方式進行授權。

1.1.2 波音仿真包(787)(BSP)

從787開始，波音以BSP的形式提供數據包，787 BSP的特點如下。

① 包含波音及其供應商的數據、軟件和硬件。

② 通過包含供應商資料和硬件，波音幫助TDM節省與每個供應商就每個細節談判的成本。

③ 提供模擬機使用的支持ARINC 610C標準[19]的集成軟件的機載部件。

④ 支持維護訓練功能(包括啟動測試和機內自檢設備)。

⑤ FFS授權許可費用中包含數據更新升級服務和技術支持。

從第二階段可以看出：波音提供的數據包已經包含軟件(二進制)、硬件和支持ARINC 610C的機載航電等，名稱也由數據包變為仿真包。

1.1.3 波音仿真包(BSP)

737MAX、777X以及更新的機型的BSP的特點如下。

① 包含波音及其供應商的數據、軟件和硬件。

② 維護訓練功能可選。

③ 相當比例的飛機和系統仿真以二進制的形式提供，并由波音開發和維護。

④ 除買方提供的設備(Buyer Furnished Equipment，BFE)外，全面提供模擬機硬件套件供TDM選擇。

⑤ 提供模擬機使用的支持ARINC 610C標準的集成軟件的機載部件。

⑥ FFS授權許可費用中包含數據及二進制數據包的更新升級服務和技術支持。

從第三階段可以看出：波音以二進制的形式提供幾乎所有的飛機和系統仿真模型，并全面提供開發和維護服務。

需要說明的是，波音提供了專門為模擬機設計的座艙硬件，包括硬件套件(Hardware Kit)和仿真航電(Simulated Avionics)，其中硬件套件按照標準飛機構型的機載件經過裁剪后制造，仿真航電專門為模擬機設計了多種接口。因此，這些硬件具備與真機媲美的品質且更適于模擬機使用。

此外，根據資料，737MAX的仿真包包含供應商的授權，無須TDM再與飛機供應商進行授權談判。這無疑極大地提升了TDM的研制效率，降低了研制風險。

模擬機的設計很大程度上取決于數據包的提供形式，波音針對二進制數據包的使用也提出了建議?；诓ㄒ舳M制數據包的模擬機架構如圖1所示。

圖1 基于波音二進制數據包的模擬機架構示意圖

1.2 空客數據包

空客公司的數據包服務由空客GO5團隊提供，該團隊聚焦于服務飛行訓練運營商和模擬機制造商。每一臺空客模擬機的銷售都必須取得空客數據包的授權，并與空客簽署最終用戶協議。訓練培訓中心在向空客支付知識產權使用費的同時，也獲得了數據包一定期限的更新升級服務[5]。

與波音類似，空客也提供包括數據、軟件和硬件等全方位的訓練設備的開發和制造支持服務，并且以Standard Simulator Configuration Packages(SimPack)提供。如圖2所示，空客SimPack包括座艙設備(Cockpit Material)、數據包(Data Package)和仿真軟件包(Simulation Software Package)3個部分[6]。

圖2 空客SimPack組成示意圖

1.2.1 座艙設備

空客提供多達350項飛機座艙部件和飛機真件，包括：① 主要航電設備；② 座艙結構和內飾；③ 座艙控制板；④ 供應商設備。

1.2.2 數據包

數據包按照IATA數據要求標準發布，每個數據包大概有1500個文檔，包括：① 飛機設計數據；②飛機建模數據；③飛機運營和維護數據；④ 飛機驗證數據；⑤ 飛機聲音和抖振數據。

1.2.3 仿真軟件包

仿真軟件包復現了飛機的系統，如：① 電子飛行控制系統；② 飛行告警系統；③ 網絡服務系統；④ 飛行動力學模型，含地面操縱模型、氣動模型等；⑤ 發動機模型。

可以看出，空客數據包與波音數據包類似，都盡可能地為TDM提供所有模擬機服務。但是空客與波音不同的是，空客僅提供了核心的仿真軟件包(對應于波音的二進制軟件包)，比如EFCS、FWC、NFL和Engine，并沒有提供更多的飛機系統的仿真軟件，這些仿真軟件仍然需要TDM根據數據包進行編程。因此，空客數據包相對于波音數據包屬于半二進制，這點在二者的報價上也有一定程度的體現。

2 國內發展

2.1 ARJ21飛機數據包

中國商用飛機有限責任公司所屬的上海飛機客戶服務有限公司聯合中國民航科學技術研究院在工信部民用飛機專項科研項目中，結合ARJ21飛機飛行模擬機研制和C919大飛機項目，對飛行模擬機D級數據包的開發和評審技術進行了全面的研究[1]。通過研究國內外相關標準、規章，結合飛行模擬機開發工作，搭建了民用飛機模擬機數據包基本構架，明確了民用飛機模擬機數據包中至少應包括的數據，對數據包中的數據進行了合理的分類并明確了各類數據采集、處理方法，形成了飛行模擬機數據包規范，并以ARJ21-700飛機為研究對象，開發了ARJ21-700飛行模擬機數據包(下簡稱ARJ21數據包)，驗證了飛行模擬機數據包規范。

ARJ21數據包是我國按照CCAR-60部和相關國際、國內標準開發的能夠支持飛行模擬機研制、鑒定和運營的飛行模擬設備數據包。ARJ21數據包開發與模擬機驗證經歷了數據需求確定、ARJ21數據包架構設計、試飛要求制定、工程數據包開發、試飛驗證數據包開發、驗證方案確定、模擬機設計制造、構型升級、過渡C級/D級取證等攻關階段。其中，驗證數據包包括驗證參考數據、匹配證明信息、驗證數據路線圖和其他說明信息[7]，全部為試飛數據，是國內第一個完備的飛行模擬機驗證數據包。

ARJ21數據包的開發過程中按照國際標準建立了飛行模擬機數據包數據分解方式、數據構型控制的方法，制定了數據包版本控制的機制[8]，在飛行模擬機數據包構型管理方面積累了豐富的經驗。

基于ARJ21數據包研制的全動飛行模擬機已經在上海飛機客戶服務有限公司投入使用并取得良好的訓練效果，為ARJ21飛機成功進行商業化運營起到了至關重要的作用。

2.2 MA60飛機數據包

2001年，西安飛機工業(集團)有限責任公司(簡稱西飛公司)為北京藍天航空模擬器技術發展中心提供了供模擬機研制的文檔資料和數據，當年的文檔資料大都以紙質介質提供，僅有一部分數據以光盤和軟盤的電子介質形式提供。驗證數據主要來源于飛機適航審定試飛數據。在此基礎上，北京藍天成功研制了MA60飛機C級飛行模擬機，填補了國內高等級飛行模擬機的空白。此階段的數據包可以稱之為MA60飛行模擬機數據包V1.0。

2010年，在第二臺MA60 C級模擬機研制時，根據局方的要求，對MA60模擬機的數據包進行了第一次修訂工作。根據飛機的構型變化，對飛機的構型/設計數據、飛機系統建模數據等進行了更新，并全部以電子版的形式發布，確定版本號為V2.0。

自2013年以來，西飛公司開始對MA60飛機模擬機的數據包進行第二次更新，主要包括：駕駛艙構型數據、動力系統仿真建模數據、補充試飛數據(驗證數據、建模數據)、聲音數據、抖振數據、驗證數據路線圖等。

對試飛數據進行全面補充是這次數據包升級的重要前提，并在此基礎上提升數據包的覆蓋范圍，以滿足MA60系列模擬機更高的訓練需求。2019年10月，MA60飛機飛行模擬機補充試飛數據通過技術評審，認為補充試飛數據可用于D級模擬機數據包開發，為MA60數據包進一步升級奠定了基礎。

2019年10月1日起，CCAR-60-R1《飛行模擬訓練設備管理和運行規則》[12]開始施行，模擬機的鑒定性能標準以咨詢通告AC-60-FS-2019-006《飛機飛行模擬機鑒定性能標準》[13]的形式發布，客觀測試科目和具體要求均有一定的變化。

基于上述背景，在中國民航科學技術研究院的要求和指導下，西飛民機按照國際數據包的標準要求，并借鑒了ARJ21數據包開發的成功經驗，對MA60飛行模擬機數據包的架構、內容、形式等進行了全面的開發和修訂工作，形成MA60飛行模擬機數據包V3.0(組成見表1)。此次數據包升級工作遵循國際飛行模擬行業規則和CCAR-60部相關要求，參考國際模擬機數據包標準和成熟的數據包開發流程，使得該版本數據包在模擬機研制中具備更好的實用性和可操作性，并能為該型號D級模擬機的研制提供足夠的數據支撐。

圖3 MA60飛行模擬機數據包V3.0 VDR示例

3 國內數據包發展建議

由前文所述可以看出，國內在高等級模擬機數據包的發展上仍然處于起步階段，國內研究、開發飛行模擬機高等級數據包尤其是D級模擬機數據包的技術相對于國外尚不成熟，數據包的形式仍然停留在傳統數據包階段。

傳統數據包的特點是飛機制造商提供了模擬機研制的所有資料，TDM可以根據這些資料進行編程，開發自己的仿真模型，這就會造成不同的TDM開發出的模型存在一定的差異。雖然有模擬機鑒定標準的客觀測試和主觀測試的約束，但是鑒定標準并不能全面覆蓋飛機的所有特性，導致不同廠家生產的模擬機性能存在一定的差異，從而導致飛行訓練效果不一致。

此外，對飛機制造商來說，傳統數據包不利于保護其核心技術秘密和知識產權；對于TDM來說，模擬機開發周期長、技術風險大；對局方來說，模擬機鑒定的難度和工作量都較大。

因此，國內模擬機數據包的發展可參考波音空客的模式，在以下幾個方面進一步發展。

(1) 二進制數據包。

參考波音的二進制數據包，將飛機和系統仿真模型在工程模擬機上完成仿真驗證和性能匹配，打包成二進制軟件包或仿真軟件包的形式發布，可在一定程度上代替傳統數據包中的仿真建模數據。

對于二進制數據包的開發，可以分階段進行。第一階段可以參照空客的模式，先將核心性能模型(如飛行動力學、動力系統和飛行控制系統)以仿真軟件包形式開發并提供給TDM，確保數據包的性能和操縱品質的一致性；第二階段參照波音的數據包模式，將所有機載系統的性能模型和邏輯模型全部按照二進制開發，將飛機的全部特性都納入數據包，作為一個整體發布。

(2) 試飛數據包。

模擬機試飛數據包包含試飛驗證數據和試飛建模數據，是模擬機數據包的關鍵組成部分，這些數據的試飛科目和試飛點需要按照模擬機驗證數據要求以及仿真模型參數辨識的需求確定，往往需要多達500～600個試飛點。飛機試飛及數據采集的費用高昂，尤其是大型民機的試飛。因此，根據試飛點的試飛要求，科學合理地制定試飛大綱，充分利用每個試飛架次采集更多試飛點的數據，對于降低試飛數據采集的成本和周期至關重要。

在數據判讀和處理方面，隨著技術的發展，在飛機試飛的同時，在地面可對遙測數據實時監控，通過試飛數據自動判讀系統進行同步判讀和在線處理。更進一步，可在地面通過試飛模擬機進行天地同步試飛，使用遙測數據同步驅動試飛模擬機進行仿真，對試飛數據和仿真數據同步繪制曲線并進行在線對比，從而快速識別二者存在的顯著差異并判定試飛數據的有效性，提高試飛數據甄別的效率和試飛數據處理的質量。

(3) 座艙硬件。

飛行模擬機的座艙硬件可采用飛機真件或仿真件實現。由于飛機真實座艙硬件價格高昂，在飛行模擬機上全部采用飛機真件的經濟性較差。因此，可參考波音公司硬件套件的思路，按照飛機真件的標準構型進行裁剪或改進，使其更適用于模擬機。

這些適用于模擬機的高品質仿真座艙硬件可由飛機制造商開發或授權制造，包括座艙結構、內飾、座椅、操縱機構、控制面板等，作為數據包(或者仿真包)的一部分，代替構型/設計數據。

(4) 仿真航電。

相對于一般的飛機座艙硬件，飛機航電設備價格更為高昂，并且航電設備的接口復雜，在模擬機上直接應用也帶來一些不便，不能采用模擬機靈活的接口和通信方式。對于一些特殊的航電設備，如集成式備份儀表(ISI)，在模擬機上需要進行改裝才能使用。此外，由于模擬機需要實現凍結、重定位等功能，對于不支持ARINC 610C標準的航電設備，在模擬機上使用可能帶來故障和異常，從而影響訓練效率，增加模擬機的維護成本。

因此，由飛機制造商或航電供應商開發適用于模擬機的仿真航電設備或Rehost軟件，采用靈活的接口，可便于模擬機快速集成。不過由于國產民機的航電大都由國外供應商提供，需要飛機制造商與供應商就仿真航電的開發達成協議，將仿真航電或Rehost納入數據包，從而節省TDM與供應商直接談判的成本。

(5) 技術服務體系。

飛行模擬機數據包的開發與應用是一個相輔相成、循環往復的過程。一方面，隨著飛機構型的不斷變化和發展，數據包的構型也不斷更新；另一方面，模擬機數據包十分復雜，在TDM和模擬機運營人的實際應用過程中，必然存在大量的問題咨詢與反饋。因此，飛行模擬機數據包必須有一個專門的團隊來對數據包進行構型管理和提供技術咨詢服務。

波音和空客都有專門的團隊為全球的TDM和模擬機運營人提供專業的數據包技術服務，促進了自家機型模擬訓練設備和飛行訓練產業的發展。國產飛機制造商也可以參考這種模式，逐步建立模擬機數據包開發團隊和技術服務體系，在模擬機制造、鑒定和使用過程中為TDM和模擬機運營人提供數據包的全方位技術支持，同時，處理TDM和模擬機運營人在數據包應用中的問題反饋，優化完善數據包內容，從而提升模擬機的逼真度，提升訓練效果。

4 結束語

本文通過對國外成熟數據包和國內數據包的發展現狀進行分析，提出了國內數據包發展方向的幾點建議。

隨著國內模擬機數據包的技術發展，可從多方面進一步完善、擴展國產飛機的數據包，開發低成本、高品質的成熟數據包，推進國內飛行模擬設備制造行業的發展水平，進而降低飛行模擬機的成本，提高模擬機品質，最終可有效提升國產飛機的飛行訓練效果，降低飛行訓練的成本，在一定程度上促進國產飛機的市場發展。