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解决方案

Solution

飞行仿真系统

2015-07-17

飞行仿真系统


1.系统组成


飞行仿真系统主要配置如下表所示。


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2.系统功能


a) 飞行参数仿真功能。为航电仿真中的子系统提供大气、惯导等飞行参数数据,模拟飞机在飞行状态中大气、惯导等系统数据;

b) 飞行航路点配置功能。从地图中配置飞机的飞行航路点,按照配置好的航路点进行模拟飞行,判断成品是否按规定显示飞行线路;

c) 虚拟三维视景仿真功能。以虚拟三维视景的形式显示飞机的飞行状态,并可进行各种气象环境等条件切换和多种视角的切换;

d) 虚拟仪表显示功能。模拟飞机在飞行状态中各种仪表的显示数据,将其与真实仪表数据进行比较,以判断仪表通信是否正常;

e) 数据交互通信功能。通过采集数据库中的ICD配置文件,通过网络发送给数据通信软件,实现与信号仿真系统,以完成飞行参数的仿真。


  3. 工作原理


image.png

4.实现方法


a) 结构设计

1) 采用琴键式操作台的形式

2) 仿真模型计算机、仪表显示计算机、模拟飞行计算机的启动开关、LANUSB等接口引至控制面板上,以方便操作。

b) 选型设计

1) 仿真模型计算机、仪表显示计算机、模拟飞行计算机、工业显示器、VGA切换装置、交换机选用国内外比较知名的厂家生产的通用、成熟及市场保有量大的产品;

2) 仿真模型计算机、仪表显示计算机、模拟飞行计算机采用高性能工作站

c) 功能设计

1) 通过飞行仿真软件实现飞行参数的仿真、飞行航路点的配置、仪表数据的显示和虚拟三维景的仿真

2) 通过以太网(TCP协议)实现数据的传输;

3) 通过高清投影仪的投射(VGA切换装置)实现虚拟三维视景的显示;

4) 通过光纤交换机实现各计算机之间的连接同时保证飞行仿真系统和其他系统数据的传输。

 

5.行仿真软件

a) 概述

飞行仿真软件主要为航电仿真中的子系统提供飞行参数数据、飞行航路点数据,飞行仿真软件中的飞机模型可以按照选定的飞行剖面图按固定航路点进行模拟飞行,该软件可以将配置好的航路点通过TCP网络发给数据交互通信系统,并经过数据交互通信系统打包后发给成品件,判断成品件是否按规定显示飞行路线。飞行仿真软件可以将飞行数据以虚拟仪表的形式显示出来,并能与实际仪表数据进行比对,判断成品件的正确性。飞行仿真系统软件显示效果如图17所示。


image.png

飞行仿真软件基于flight gear开源软件进行定制开发,通过flight gear软件二次开发接口进行将飞行仿真功能进行系统集成,可以真实模拟教练机的飞行特性和场景,并通过TCP协议访问存储ICD文件的数据库实现与数据通信软件的数据交互,并实现与其他系统间的数据交联功能。从而实现在环飞行仿真以及全数字飞行仿真功能。飞行仿真软件的总体架构如下图所示。

image.png

从上图可知,飞行仿真软件通过接受驾驶杆反馈的信号,进行飞控模型结算,并将飞机姿态等特性参数传输到视景仿真模型,驱动飞机的动作响应和视景显示。通过调取航线数据库中航路点信息,计算飞行轨迹和方位,建立航电系统大气数据和惯性基准系统仿真模型,并通过TCP协议实时传输到数据通信软件,形成符合ICD规范的航空电子总线数据,并按照飞机ICD定义仿真输出各类航电参数,以驱动被测系统的输出和显示。

飞行仿真软件功能模块主要由以下几个部分组成:

1) 6自由度的飞机仿真模型,可以模拟飞机在不同场景下的飞行状态与环境状态,能逼真模拟教练机的气动特性,为待测系统输出各种飞行参数。

2) 飞机非航电系统的各类仿真模型,可以提供飞机机载系统的动态模型库,包括飞行控制系统、起落架系统、燃油系统等。支持飞机的动态模拟和仿真。

3) 逼真的飞机外形和机体模型,该模型可以仿真飞机外表形态以及真实的飞行、格斗过程,为试验人员提供逼真的动态飞行效果。

4) 逼真的3D视景仿真模型,可以为飞行仿真软件提供可视化程度极高的视景画面的仿真,至少包括机外视角、前视角、内部视角等多种视角的视景输出,提供机场、地面塔台、地面地形的仿真模型。为试验人员提供舒适、直观的可视化界面。

5) 丰富的环境仿真模型,可以模拟不同天气、地形、时间、季节、云层等多种多样的环境系统仿真,可以保证试验人员选取优的试验环境场景进行试验。

6) 接口仿真模型,可以与外部其它系统通过TCP通信协议传输各种数据,保证飞行仿真软件与其它软件的协同工作。

具体模型调度关系如图19所示。


image.png

b) 工作流程

飞行仿真软件运行和使用遵从以下的主要工作流程。


1.png


飞行仿真软件工作流程图


1) 根据飞机模型配置其飞行参数,通过地图配置飞行航路点;

2) 将飞行参数配置信号和飞行航路点配置信息生成xml的可识别配置文件;

3) xml文件中读取飞行参数数据和飞行航路点信息,通过TCP协议下发到数据通信软件;同时通过虚拟仪表模块显示飞行参数,通过虚拟三维视景模块显示飞机的飞行过程;

4) 数据通信软件通过网络传输接收到模型实时仿真的飞行参数后,根据ICD配置文件进行封装相应的仿真信号,并调用相应的仿真模块进行信号仿真;

5) 联试仪表设备通过数据通信软件的传输和硬件交联实现飞行过程中飞行数据的实时显示,通过虚拟仪表数据和实际仪表数据进行对比,判断通信是否正常。

c) 软件设计

1) 飞行参数配置

飞行仿真软件可以选择飞机模型,然后在选择的飞机模型中进行飞行参数配置,主要实现机载系统(大气系统、惯导系统)参数的初始化配置(如经度、纬度、高度、空速、侧滑角、俯仰角、爬升率、俯仰角速率、偏航角速率等)。

将飞行参数配置为xml配置文档,对飞行模型的配置参数进行定制化封装与处理, xml文件解析器通过对应属性的逐层解析将配置参数依此加载于模型当中,具体解析流程如下图所示。


1.png

XML文档解析流程图

2) 飞行航路点规划

飞行仿真系统的飞行航路点规划是利用kelpie飞行规划软件进行定制开发实现。可以建立实时地图,选择起降机场和途径机场后,将规划好的航路点信息(包括机场和航路点的经度、纬度信息等)配置成相应格式的数据,并对配置好的数据进行定制化封装与处理,后通过TCP协议下发给数据通信软件。数据通信软件将依据ICD格式打包该数据,并发送给待测系统。图1为飞行计划设置界面示意图,图2为飞行计划起飞/着陆机场设置界面示意图。

2.png

1飞行计划设置界面

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2 飞行计划起飞/着陆机场设置界面

3) 飞机飞行过程仿真

飞行仿真软件主要仿真教练机飞机特性,能模拟飞机飞行中的各个飞行阶段,包括:

l 机场选择阶段

l 飞行准备阶段

l 飞机启动|发动机点火阶段

l 滑行阶段

l 起飞阶段

l 巡航阶段

l 下降阶段

l 进近阶段

l 着陆阶段

FlightGear仿真软件提供包含大量的飞机和航电系统仿真模型,如表2所示。本飞行仿真软件选用了其中的大气数据系统模型和惯性导航系统模型。并提供了飞行仿真软件的升级兼容功能,可以方便的将其它系统模型集成,在原有的基础上进行二次开发。

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4) 飞机飞行环境仿真及飞行参数设置

飞行仿真软件可以提供如表3所示的飞机飞行环境系统,飞行仿真软件可以利用易于操作的设置界面对各种飞行环境系统进行设置,模拟各种各样的飞行场景,为试验人员提供充足的试验场景。


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所有飞行环境系统的设置都是通过HMI(人机交换配置界面)或者命令行形式完成。下面是一些HMI设置界面的实例。

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初始位置设置界面

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初始位置设置

天气设置界面,可以通过此窗口设置不同的气象条件。


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天气设置界面


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 主设置界面

5) 虚拟仪表显示

针对飞机模型所能提供的仪表参数和格式通过Visual Studio 2012和VAPS软件实现,在保证数据真实以及通信顺畅的前提下实现仪表状态的实时还原,预警信息功能的完善。实现参试部品和虚拟仪表的同时显示,保证仿真生成的参数可以及时与参试部品进行核对检验。


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6) 虚拟地图显示

飞行仿真软件采用国际上较通用的Atlas地图软件实现,并将其集成到飞行仿真软件中,实现实时显示飞机飞行路径三维地理地图。图1为飞机飞行实时地图显示。图2为进近阶段机场附近飞机飞行显示。


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图1飞机飞行实时地图显示

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2为进近阶段飞机飞行显示

7) 虚拟三维视景仿真

飞行仿真软件可以根据飞行参数和飞行航路点配置信息进行自动和手动飞行,飞行过程中加载飞机与视景并按照配置的航路点进行模拟飞行,同时生成三维、多视角的飞行动画,并将三维效果实时显示在屏幕上,可以显示真实地景和设定的航路点,从而检验飞机是否按照规定显示飞行。虚拟三维视景的效果如下图所示。


image.png

31 虚拟三维视景仿真效果图

8) 数据交互功能

数据交互功能首先完成对ICD信息的配置,数据交互软件访问ICD配置信息数据库,将数据库中的ICD信息读入数据交互软件,完成软件对ICD信息的配置,在使用该软件时,首先应完成软件对ICD信息的配置。

在完成ICD配置信息读入后,数据交互软件负责接收Flight-Gear生成的飞行参数,飞行航路点规划数据进行解析,依据配置好的ICD信息对数据格式进行封装,并以TCP协议的通信方式将其下发给数据通信软件,数据通信软件将接收到的数据信息,通过仿真模块发送给联试部件。数据交互通信系统与其它系统数据传输关系如下图所示。


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数据交互通信系统与其它系统数据传输关系

飞行仿真软件生成的飞行参数及相关信息如表4所示

仿真软件发出的数据及相关信息

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备注:

        1.关于图15中的信号监控系统可以暂不考虑与其交联的细节;

        2.在原平台中,数据通信软件与联试测试的通信时用TCP,所以,在考虑飞行仿真软件与数据通信软件的通信也采用TCP的形式;





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