綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器研究

摘 要綜合監(jiān)視系統(tǒng)作為機載航空電子系統(tǒng)主要的傳感器和信息源之一，能夠保證飛機在整個飛行過程中避免惡劣氣象環(huán)境、空域內其它飛機與本機距離過近以及可控飛行撞地事故等威脅，對飛行安全起到至關重要的作用。本文研究了綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器的開發(fā)，論述了綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器總體設計和各部分功能軟件設計，開發(fā)的綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器可以支持飛機型號研制初期的系統(tǒng)需求確認、架構確認和接口確認。

【關鍵詞】綜合監(jiān)視系統(tǒng) 仿真器 TAWS TCAS

1 引言

綜合監(jiān)視系統(tǒng)作為機載航空電子系統(tǒng)主要的傳感器和信息源之一，通過探測飛行航路上的地形、氣象以及空域交通狀況信息，幫助機組人員對周邊空域的交通狀況有全面、詳細的了解，規(guī)避惡劣氣象條件及可控飛行撞地、撞機事故，同時配合地面二次雷達詢問機，實現(xiàn)合理的空中交通管制。當今機載監(jiān)視系統(tǒng)已不再是傳統(tǒng)意義上的單功能設備，而是對TCAS、XPDR、WXR及TAWS等功能進行了綜合化設計和數(shù)據(jù)融合，并根據(jù)機型用途、飛行空域、安全要求及成本的不同可實現(xiàn)多種組合與配置，它代表了一種嶄新的設計思想、技術潮流和發(fā)展方向。ARINC 公司2006年發(fā)布了ARINC768-1《綜合監(jiān)視系統(tǒng)（ISS）》標準，2011年發(fā)布了更新版本ARINC768-22。該標準給出了ISS設計規(guī)范，定義了4 種構型的綜合監(jiān)視系統(tǒng)，全球主要航空電子系統(tǒng)供應商根據(jù)自身的技術優(yōu)勢和市場需求，推出了不同構型的綜合監(jiān)視系統(tǒng)產品。

本文以采用ARINC664總線接口形式的綜合模塊化綜合監(jiān)視系統(tǒng)為仿真對象，基于航電系統(tǒng)總體設計、集成、驗證的實際應用需求，總體介紹了一種綜合監(jiān)視系統(tǒng)（ISS）仿真器設計方法。

2 綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器總體要求

綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器主要用于民用飛機型號研制初期的系統(tǒng)功能確認、接口確認、架構設計及航電系統(tǒng)集成驗證環(huán)境的設計、調試工作?；谶@一應用需求，在仿真器的總體設計中，仿真器需重點滿足以下總體設計要求：

（1）便捷的系統(tǒng)接口定義數(shù)據(jù)（ICD）的重構功能；

（2）便捷的硬件接口通道配置更改功能；

（3）仿真模型、軟件模塊應具備可移植性；

（4）具備實時的仿真數(shù)據(jù)采集、顯示能力；

（5）提供典型的靜態(tài)氣象目標仿真能力；

（6）盡量提供與型號試飛場地一致或類似的典型近地告警場景仿真能力；

（7）提供典型的空域交通目標仿真能力，能夠模擬TCAS的各種工作模式。

3 綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器硬件架構和軟件設計

仿真器軟件主要由綜合處理I/O模塊、子功能仿真模塊、轉接單元、仿真器人機界面、千兆交換機、機柜及電纜組成，如圖1所示。其中，子功能仿真模塊由氣象雷達仿真器主機、TAWS仿真器主機和TCAS/XPDR仿真器主機三部分組成。

綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器軟件設計以WINDOWS XP為編程環(huán)境，以Microsoft Visual C++ 6.0為編程工具。仿真器軟件設計充分利用Windows操作系統(tǒng)的事件響應機制和多任務特性，應用多任務編程技術，提高軟件系統(tǒng)運行效率和響應時間；在系統(tǒng)設計和實現(xiàn)上，采用面向對象的編程思想，系統(tǒng)設計自上而下按功能劃分子系統(tǒng)和子模塊，每個子系統(tǒng)模塊由若干個封裝設計類來實現(xiàn)其功能，方便系統(tǒng)的重構、功能擴展和可移植性。

綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器軟件主要分為綜合處理I/O軟件、WXR（氣象雷達）仿真軟件、TAWS仿真軟件和TCAS/XPDR仿真軟件四個軟件模塊。軟件模塊之間運行相對獨立，通過以太網(wǎng)進行相互之間的數(shù)據(jù)交換。整體軟件框架如圖2所示。

4 氣象雷達模塊仿真設計

從飛機系統(tǒng)集成的角度，氣象雷達（WXR）仿真主要用于支持氣象雷達與顯示及機組告警系統(tǒng)交聯(lián)相關的接口、功能確認分析工作。因此對氣象雷達仿真的最主要要求就是：提供氣象、湍流、風切變、地圖等顯示系統(tǒng)所需的仿真數(shù)據(jù)，及與顯示數(shù)據(jù)相匹配的文字及音頻告警信息。

WXR仿真軟件的控制輸入源有監(jiān)視系統(tǒng)控制面板和人機界面兩個，軟件啟動時默認為控制板輸入。切換策略為逐Label切換。數(shù)據(jù)自控制面板輸入后根據(jù)綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器內總線定義，按照地址分發(fā)到狀態(tài)切換和航電數(shù)據(jù)判斷。狀態(tài)切換用于切換場景，運行時可以在三個場景間進行切換，場景使用獨立的文件系統(tǒng)進行存儲。狀態(tài)切換輸出全部場景數(shù)據(jù)至探測模式切換。配合獨立的場景設置軟件可以進行場景設置。探測模式切換根據(jù)探測模式的不同，抽取出不同的氣象數(shù)據(jù)至目標和告警信息輸出，抽取數(shù)據(jù)規(guī)則待自動反饋邏輯落實后決定。航電數(shù)據(jù)判斷識別出不滿足合理性/合法性要求數(shù)據(jù)時，在人機界面上顯示錯誤類型；輸出數(shù)據(jù)保持最后一個正確的數(shù)據(jù)。航電數(shù)據(jù)判斷后的數(shù)據(jù)輸入目標和告警信息輸出。參數(shù)設置為目標和告警信息輸出提供必要參數(shù)，具體參數(shù)待自動反饋邏輯落實后決定。目標和告警信息輸出有自動反饋和人工設置兩種方式，啟動時默認為自動反饋。故障模擬和顯示輸入源有監(jiān)視系統(tǒng)控制板和人機界面兩個。

5 TCAS模塊仿真設計

TCAS仿真模塊，響應綜合處理I/O模塊、監(jiān)視系統(tǒng)控制板的控制輸入；接收航電數(shù)據(jù)輸入，判斷數(shù)據(jù)有效性，并根據(jù)特定的數(shù)據(jù)給出相應的響應；輸出TCAS目標信息（四個等級目標：無威脅（OTHER）、接近威脅（PROX）、交通咨詢（TA）和決斷咨詢（RA））；輸出TA、RA視頻和音頻告警信息；提供仿真器人機界面。

對TCAS軟件功能組成說明如下：

5.1 場景顯示

模擬顯示器顯示羅盤、距離環(huán)、TCAS目標、主機狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息。本模塊將模擬場景中本機與目標機位置關系對應顯示到人機界面，并根據(jù)目標的威脅度等級確定目標的顯示方式。當有RA目標時，將顯示RA相關的視頻告警。輸入數(shù)據(jù)包括本機信息，目標信息，控制輸入信息，故障狀態(tài)信息等，包括整個模擬顯示界面的畫面截圖。

5.2 控制輸入

通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收線程，接收來自外部的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，然后根據(jù)接口協(xié)議定義，解析并獲取輸入的控制信息。通過接收來自人機界面用戶輸入獲取控制信息?？刂菩畔ń煌ㄐ畔@示開關、顯示器量程、垂直方向顯示范圍和本機狀態(tài)控制信息等。輸入數(shù)據(jù)包括外部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，用戶輸入等。輸出數(shù)據(jù)包括綜合處理I/O軟件控制信息等。

5.3 場景設置

提供典型場景選擇功能，當選擇某一典型場景后，軟件將根據(jù)選擇取出當前的場景和目標數(shù)據(jù)。顯示畫面中的模擬目標將按照預定的軌跡運動，軟件根據(jù)目標機與本機之間的關系，將對目標機與本機的空中撞擊可能性進行評估，并產生相應的視頻和音頻告警。提供靜態(tài)目標輸入工具，用戶可根據(jù)需要在當前場景中設置靜態(tài)目標，顯示畫面將顯示用戶輸入的目標信息。軟件將目標信息、告警信息等按照接口協(xié)議形式封裝后發(fā)送到綜合處理I/O軟件。輸入數(shù)據(jù)包括目標數(shù)據(jù)等。輸出數(shù)據(jù)包括目標信息、告警信息等。

5.4 故障模擬

根據(jù)用戶在軟件人機界面上進行的故障模擬操作，收集模擬故障信息，并按照接口協(xié)議形式封裝后發(fā)送到綜合處理I/O軟件。輸入數(shù)據(jù)包括人機界面數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)包括故障信息。

6 TAWS模塊仿真設計

TAWS仿真軟件按照接口數(shù)據(jù)定義規(guī)范接收航電數(shù)據(jù)輸入（數(shù)字量與離散量接口數(shù)據(jù)），判斷輸入數(shù)據(jù)有效性，并根據(jù)特定的數(shù)據(jù)輸出特定的TAWS地形畫面信息，判斷告警模式并輸出與告警模式相匹配的告警信息。TAWS仿真軟件的輸入、輸出數(shù)據(jù)都按照以太網(wǎng)口通訊協(xié)議經(jīng)綜合處理I/O模塊進行統(tǒng)一的接口數(shù)據(jù)處理。

TAWS仿真的關鍵在于根據(jù)七種近地告警模式、基于數(shù)據(jù)庫的前視地形警戒（FLTA）以及基于數(shù)據(jù)庫的過早下降（PDA）告警等目標測試場景開展典型的飛行環(huán)境及飛行模式仿真。TAWS仿真的另一個關鍵技術是解決大量地形數(shù)據(jù)的載入問題。TAWS仿真軟件在飛機定位和軌跡預估的基礎上，區(qū)域掃描讀取地圖數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示地形情況。仿真所用環(huán)境地形選用的是我國一部分的陸地（包括常見試飛區(qū)域）的真實地形高度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含當前地理位置的高精度緯度、經(jīng)度、高度數(shù)據(jù)。讀入的地形數(shù)據(jù)是一個1001×1001的數(shù)組，以每個元素的下標值作為地形的橫縱坐標，元素值作為地形高度值，建立一個二維1000×1000的地形數(shù)據(jù)庫。TAWS軟件讀入的地形數(shù)據(jù)可以是無限的，但在真實飛行中，飛機并不關心距離自己過遠的地形狀況，因此還設計了一個前視地形的顯示數(shù)組，數(shù)組大小可調，最小范圍為175×85的前視地形數(shù)組。軟件功能框圖如圖3所示。

7 結束語

本文概要介紹了一種綜合監(jiān)視系統(tǒng)仿真器的總體設計情況，該仿真器充分考慮了民用飛機研發(fā)過程的通用需求，具有靈活的系統(tǒng)邏輯架構及接口數(shù)據(jù)重構能力。經(jīng)過早期研發(fā)試驗的應用證明該仿真器適用于型號研制初期的系統(tǒng)需求確認、功能架構確認、接口確認及航電系統(tǒng)集成驗證環(huán)境的設計、調試工作。

參考文獻

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作者簡介

郭曉燕，女，河南省洛陽市人。曾經(jīng)獲得上海大學碩士學位?，F(xiàn)在供職于上海飛機設計研究院國家重點實驗室，從事大型客機航空電子系統(tǒng)集成與測試技術研究。

作者單位

上海飛機設計研究院國家重點實驗室 上海市浦東新區(qū) 201210