CN104050333A - 航空电子系统分布式实时综合仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其包括：仿真模型（1），该仿真模型（1）包括激励模型（11）、设备模型（12）、监控模型（13）和仿真内核（14）；仿真激励源（2）；飞行器外部模型（4）；以及仿真监控设备（3）。该综合仿真系统可以较早发现设计中存在的逻辑问题，从而降低项目成本，缩短整个研发周期。并且，可实现闭环仿真，且可以对仿真过程进行动态展示，提升了仿真的逼真性。此外，可自定义仿真的输入输出信号，极大地提升了仿真的人机交互性；而且，可在多种模型的支持下实现航空电子系统的分布式多学科综合仿真。

Description

航空电子系统分布式实时综合仿真系统

技术领域

本发明属于航空电子技术领域，涉及航空电子系统的仿真分析，具体涉及一种航空电子系统的分布式实时综合仿真系统。

背景技术

电子技术和网络技术的快速发展推动了航空电子系统的升级换代。新一代基于IMA、DIMA架构的综合航空电子系统体系结构复杂，研制周期短，尽早开展系统设计方案的仿真验证及迭代显得尤为重要。在系统研发初期通过仿真发现系统问题，尤其是航空电子系统信号级设计缺陷和不兼容性，能避免在项目后期乃至系统运行期间产生较高的成本和进度延期。但是，现有的航空电子系统仿真系统只能实现静态、单一学科的仿真，且真实度低，无法满足航空电子系统实时、动态、复杂环境的仿真需求。例如，授权公告号为CN101989067B的中国专利公开了一种飞行环境仿真系统，其通过信号采集装置采集飞鸟试验台、发动机控制试验台和航电系统试验台的数据，并用其代替飞行仿真软件FLSIM中的相应模块来实现更真实的仿真。但是，该仿真系统只是对商用飞行仿真软件FLSIM进行了一些简单的改进，其实质还是采用飞行仿真软件FLSIM的主要功能模块进行飞行环境仿真，因此，其只能实现飞行环境的仿真，即，只能实现单一学科的仿真，且无法实现仿真结果的显示，无法根据需要设置仿真输入和输出内容，同时也无法实现分布式和实时、动态仿真，也就无法满足航空电子系统的综合仿真需求。

因此，目前亟需建立一种开放的分布式实时综合仿真系统，实现航空电子系统的实时、动态、多学科、高逼真度的综合仿真。

发明内容

本发明的目的是解决现有航空电子系统仿真系统的上述问题，实现航空电子系统的实时、动态、多学科、高逼真度的综合仿真。 

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其包括：仿真模型，该仿真模型包括激励模型、设备模型、监控模型和仿真内核，其中，所述激励模型为整个仿真过程提供激励，其包括激励信号和激励逻辑；所述设备模型用于模拟航空电子系统的各个设备，其包括设备信号和设备逻辑；所述监控模型用于获取仿真过程中各种信号的变化，其包括监控信号和监控逻辑；所述仿真内核包括时间轴和由各种信号包构成的信号库，用于在时间轴的统一调度下，实现激励模型、设备模型和监控模型之间的信号和逻辑的并行调度；仿真激励源，其模拟真实飞行情况下航空电子系统的各种激励，并与所述激励模型进行信号对接；飞行器外部模型，在仿真过程中，所述飞行器外部模型通过自身模型的解算得到与相应模拟飞行相关的外部信号；仿真监控设备，其与所述监控模型进行信号对接，用以显示仿真过程的内容。

进一步地，所述仿真激励源包括飞行员操作模块、模拟座舱控制设备和自定义输入界面，其中，所述飞行员操作模块用于模拟真实飞行环境下飞行员对飞行器的各种操作，产生操作激励信号；所述模拟座舱控制设备用于模拟真实飞行器的座舱控制设备，产生座舱控制激励信号；所述自定义输入界面为根据仿真需求而定制的图形化的输入控件，产生定制的激励信号。

更进一步地，所述仿真监控设备包括信号监控模块、模拟座舱显示设备和自定义输出界面，其中，所述信号监控模块用于实时监控在仿真过程中发生变化的信号，保存其数据文件，且以波形的形式输出；所述模拟座舱显示设备用于显示模拟飞行器真实运行状态下航空电子系统的各种座舱显示设备的输出信号；所述自定义输出界面为根据仿真需求而定制的图形化的输出控件，显示定制的输出信号。

另一方面，所述飞行器外部模型包括飞行器电子设备模型、飞行器动力学模型和飞行环境模型，其中，所述飞行器电子设备模型用于模拟飞行器的各种电子设备，得到飞行器的各种电子设备产生的信号；所述飞行器动力学模型用于模拟飞行器的飞行状态，得到飞行器的状态信号；所述飞行环境模型用于模拟飞行器的飞行环境，得到飞行环境信号。

进一步地，通过飞行仿真软件FLSIM提供所述飞行器外部模型；或者，通过信号采集装置采集飞行器模拟电子设备的信号、飞行器模拟飞行状态的信号和模拟飞行环境的信号而得到所述飞行器外部模型。

优选地，所述航空电子系统分布式实时综合仿真系统进一步包括飞行视景系统，其通过仿真内核获取仿真过程中的信号，显示飞行器的飞行视景。

此外，在本发明中，采用数据分发服务（DDS）或CORBA软总线技术实现航空电子系统的各个设备模型之间的信号传递。

而且，在本发明中，基于System C生成所述仿真模型，具体为：基于System C，通过C++编程产生激励模型、设备模型和监控模型的代码模板以及仿真内核，并依据所述激励模型、设备模型和监控模型的代码模板生成激励模型、设备模型和监控模型。 

在本发明中，将航空电子系统的各个设备抽象成可仿真的设备模型，通过仿真内核可实现最小可达10ps时间间隔的精确时钟调度，从而使前期的设计数据在此阶段就可以进行仿真验证，较早发现设计中存在的逻辑问题，进而降低项目成本，缩短整个研发周期。此外，在本发明中，通过模拟真实飞行器操作的激励源和仿真监控设备可以实现闭环仿真；而且，利用座舱控制显示设备和飞行视景系统可以对仿真过程进行动态展示，提升了仿真的逼真性。并且，在本发明中，可自定义仿真的输入输出信号，极大地提升了仿真的人机交互性。最后，本发明的综合仿真系统还具有飞行器外部模型，例如飞行器动力学模型，飞行器电子设备模型，飞行环境模型等，能产生较真实的飞行器外部信号并与仿真模型进行信号对接，从而在信号调度的基础上，多种模型的支持下实现航空电子系统的分布式多学科综合仿真。

附图说明

图1是本发明的航空电子系统分布式实时综合仿真系统的示意图。

图2是本发明的航空电子系统分布式实时综合仿真系统中的示例性的信号传递的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

本发明所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统用于实现航空电子系统的综合仿真分析，其以仿真内核实现在统一时间轴下的航空电子系统内的信号传递和逻辑事件控制的调度。利用设备模块式架构和软总线技术等，实现航空电子系统的分布式仿真。可在航空电子系统研发早期进行系统逻辑仿真及后期的功能性能确认。

如图1所示，本发明所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统包括仿真模型1、仿真激励源2、仿真监控设备3和飞行器外部模型4。所述仿真模型1包括激励模型11、设备模型12、监控模型13和仿真内核14。其中，所述激励模型11为整个仿真过程提供激励，其包括激励信号和激励逻辑。所述激励信号为从后面将要介绍的仿真激励源传递过来的各种激励信号。所述激励逻辑为激励模型基于激励信号输入输出的逻辑关系。所述设备模型12用于模拟航空电子系统的各个设备，其包括设备信号和设备逻辑。设备信号指此设备自身可产生的一些信号，例如GPS，它的信号一般会包括经度、纬度等。设备逻辑指设备基于信号输入输出的逻辑关系，例如平台计算机，在接收到自检命令时，平台计算机自检后返回其自检状态，整个过程就是它的某个逻辑关系。在一般的航空电子系统里，会有多个设备模型，例如，图2中示出了三个设备模型，分别为设备模型一121、设备模型二122和设备模型三123。所述监控模型13用于获取仿真过程中各种信号的变化，其包括监控信号和监控逻辑。所述监控信号为监控得到的仿真过程中的各种信号。所述监控逻辑为监控模型基于信号输入输出的逻辑关系。在本发明中，可以通过前期设计得到的接口控制文件中描述的信号传递关系来确定所述激励逻辑、设备逻辑和监控逻辑。如图2所示，所述仿真内核14包括时间轴141和由各种信号包构成的信号库142，用于在时间轴141的统一调度下，实现激励模型11、各个设备模型12和监控模型13之间的信号和逻辑的并行调度。

在本发明中，仿真模型1可以基于System C实现。System C是一种基于C++的系统级建模语言，属于IEEE1666标准。众所周知，在进行航空电子系统的仿真之前，已经进行了航空电子系统的设计，因此，可以根据前期设计的设备、端口、逻辑、接口控制文件（ICD）等信息，基于System C用C++定义出激励模型11、设备模型12和监控模型13的代码模板。所述代码模板指根据前期设计的设备、端口、逻辑、ICD等信息，基于C++实现的特定的代码规则，其体现了模型的基本架构，在其内填充相关设备的信号和逻辑，即可得到相应的设备模型。有了代码模板之后，就可以利用前期设计时得到的整个航空电子系统的接口控制文件（ICD）、系统架构数据、设备逻辑数据等，按照已定义的设备模型代码模板，针对每一个设备生成可仿真的设备模型；按照已定义的激励模型代码模板，针对每一个激励源生成可仿真的激励模型；按照已定义的监控模型代码模板，针对每一个仿真监控设备，生成可仿真的监控模型。同时，可以基于System C用C++定义出所述仿真内核4，包括时间轴和信号库。

所述仿真激励源2模拟真实飞行情况下航空电子系统的各种激励，并与所述激励模型11进行信号对接。在本发明中，所述仿真激励源2包括飞行员操作模块21、模拟座舱控制设备22和自定义输入界面23。其中，所述飞行员操作模块21用于模拟真实飞行环境下飞行员对飞行器的各种操作，产生操作激励信号。通常情况下，操作激励信号主要指飞机油门控制信号和飞机六自由度控制信号。所述模拟座舱控制设备22用于模拟真实飞行器的座舱控制设备，产生常用座舱控制激励信号。通常情况下，所述模拟座舱控制设备22主要指座舱的各种控制按钮，例如电源开关，自检开关等。所述自定义输入界面23为根据仿真需求而定制的图形化的输入控件，产生定制的激励信号。利用所述自定义输入界面23，用于可以根据仿真需求，产生定制的激励信号，该定制的激励信号可以是，例如开关信号、飞行器摇杆信号等。通过所述自定义输入界面23，使得用户可以根据需要自定义一些综合仿真激励信号，极大地提高了仿真的人机交互性。在所述仿真激励源2开始产生激励时，激励模型11实时读取来自仿真激励源2的激励信号，完成激励模型11中激励信号的刷新，保证仿真过程是在当前激励下进行的，从而保证了仿真的实时性。

在仿真过程中，所述飞行器外部模型4通过自身模型的解算得到与相应模拟飞行相关的外部信号。所述飞行器外部模型4包括飞行器电子设备模型41、飞行器动力学模型42和飞行环境模型43。其中，所述飞行器电子设备模型41用于模拟飞行器的各种电子设备，得到飞行器的各种电子设备产生的信号。所述飞行器动力学模型42用于模拟飞行器的飞行状态，得到飞行器的状态信号。所述飞行环境模型43用于模拟飞行器的飞行环境，得到飞行环境信号。在本发明中，通过飞行仿真软件FLSIM提供所述飞行器电子设备模型41、飞行器动力学模型42和飞行环境模型43。FLSIM是加拿大PRESAGI公司开发的用于实现高精度飞行仿真的商用软件，其包括用于飞行仿真的多种模块，诸如飞行器气动导系数模块、运动方程模块、大气模块、操纵面位置变化模块、发动机推力模块等等。通过该FLSIM，即可获得模拟真实飞行环境下飞行器运行时的飞机状态信号、各电子设备信号以及外部飞行环境信号，例如飞行高度、经纬度、大气数据等等各项飞行信号。通过FLSIM得到的飞行信号与设备模型进行信号对接，即可模拟真实飞行环境中的飞行状况。当然，在本发明中，也可以不采用飞行仿真软件FLSIM，而是设计模拟飞行器电子设备、飞行器动力学和飞行环境的各种模拟设备，并用信号采集装置采集各个模拟设备的信号，从而获得模拟真实飞行环境下飞行器运行时的飞行状态信号、各电子设备信号以及外部飞行环境信号。

所述仿真监控设备3与所述监控模型13进行信号对接，用以显示仿真过程的内容。在本发明中，所述仿真监控设备3可以包括信号监控模块31、模拟座舱显示设备32和自定义输出界面33。其中，所述信号监控模块31用于实时监控在仿真过程中发生变化的信号，保存其数据文件，且以波形的形式输出。通过所述信号监控模块31，可以监控设备间的信号传递，例如前面所列举的自检信号。所述模拟座舱显示设备32用于显示模拟飞行器真实运行状态下航空电子系统的各种座舱显示设备的输出信号，包括状态信号、连续信号等。所述模拟座舱显示设备32可以是多功能显示器、平视显示器等；也可以是桌面仿真仪表的图形化输出界面。所述自定义输出界面33为根据仿真需求而定制的图形化的输出控件，显示定制的输出信号。利用所述自定义输出界面33，用于可以根据仿真需求，输出定制的信号，该定制的信号可以是，例如开关信号、飞行器摇杆信号等。通过所述自定义输出界面33，使得用户可以根据需要自定义一些综合输出信号，极大地提高了仿真的人机交互性。在仿真过程中，仿真监控设备3可以实时从监控模块13获得监控信号和监控逻辑，保证仿真输出的实时性。

下面介绍本发明的航空电子系统分布式实时综合仿真系统中各个模型之间的信号传递。图2示出了本发明的航空电子系统分布式实时综合仿真系统中的示例性的信号传递的示意图。为了简化和清楚，在图2中只示出了三个设备模型，当然，真实的航空电子系统会包括更多个设备模型。同理，在图2中只示出了设备模型二与设备模型三之间的信号传递，当然，在真实的航空电子系统中，其它设备模型之间以及激励模型与设备模型之间、设备模型与监控模型之间也存在信号传递，但是它们之间的信号传递方式和设备模型二与设备模型三之间的信号传递方式相同，因此，在这里只以设备模型二与设备模型三之间的信号传递方式为例介绍各个模型之间的信号传递方式。如图2所示，在本发明中，激励模型11、设备模型一121、设备模型二122、设备模型三123和监控模型13之间通过端口互相连接，在仿真内核14的支持下完成信号传递。在时间轴141的统一调度下，不同模型间通过信号库142中的信号包写入读出的方式来进行信号传递。具体地，在仿真时，根据激励模型11的激励逻辑、设备模型一121的设备逻辑、设备模型二122的设备逻辑、设备模型三123的设备逻辑和监控模型13的监控逻辑建立起激励模型11、设备模型一121、设备模型二122、设备模型三123和监控模型13之间的端口连接。然后，在仿真内核14的统一调度下，基于统一时间轴141，实现激励模型11、设备模型一121、设备模型二122、设备模型三123和监控模型13之间的信号传递。例如，假如图2中的设备模型二122为总控计算机模型，设备模型三123为平台计算机模型。针对总控计算机给平台计算机发送自检信号这一过程，由于它们之间存在信号输入输出的逻辑关系，所以它们的端口互相连接，并且在它们的端口互相连接之后，先由总控计算机在前一时刻输出信号包1421至仿真内核4的信号库142，该输出信号包1421不仅包括总控计算机的输出信号1，还包括基于时间轴141得到的输出信号时的时间1；再由平台计算机在后一时刻从仿真内核4的信号库142读取自检信号包1422，该自检信号包1422不仅包括平台计算机读取的信号2，还包括基于时间轴141得到的读取信号时的时间2，继而完成自检信号的传递。由于在信号的传递过程中，不仅包括信号本身，还包括与信号相关的时间，因此能够实现航空电子系统的实时仿真。

在本发明的优选实施方式中，所述航空电子系统分布式实时综合仿真系统进一步包括飞行视景系统5。所述飞行视景系统5通过仿真内核14获取仿真过程中的一些信号，包括航空电子系统的各个设备的信号以及飞行器外部信号，显示飞行器的模拟飞行视景。

此外，在本发明中，可以采用数据分发服务（DDS）或CORBA等现有的软总线技术实现航空电子系统的各个设备模型12之间的信号传递，从而可以更好地实现各个模型之间的分布式仿真。

下面简单介绍本发明的航空电子系统分布式实时综合仿真系统的实现机制。

首先，经过前期对航空电子系统的设计，可以得到各个设备、端口、逻辑、接口控制文件（ICD）等信息。在这些信息的基础上，可以基于System C用C++定义出激励模型、设备模型和监控模型的代码模板。

其次，经过前期对航空电子系统各个设备接口的设计，可得到整个航空电子系统的接口控制文件（ICD）、系统架构数据和设备逻辑数据。在这些数据的基础上，按照已定义好的设备模型代码模板，针对每一个设备生成一个可仿真的设备模型。

再次，针对具体仿真需求配置相应的仿真激励源，并利用激励模型代码模板生成可仿真的激励模型，激励模型实时读取来自仿真激励源的激励信号完成信号刷新。同理，可利用监控模型代码模板，生成可仿真的监控模型，以*.vcd的数据格式来保存仿真结果。同时，可利用信号监控模型，模拟座舱显示设备和用户自定义输出界面的不同形式对仿真结果进行实时处理和显示，以此来达到信号监控的目的。

另外，利用一些飞行器外部模型，包括飞行动力学模型，飞行环境模型，飞行器电子设备模型，通过模型解算，模拟产生飞行器真实运行状态下一些相关信号，这些相关信号通过仿真内核与设备模型实时发生信号交换，以此保持各个设备模型的信号的实时有效性，使仿真过程中传递的信号更加真实。

最后，通过前期设计的接口控制文件（ICD）中描述的信号传递关系，把多个设备模型，激励模型和监控模型连接起来。由仿真内核基于统一时间轴来调度设备模型，激励模型和监控模型，每个传递的信号在仿真内核中都有相应的信号包。在通信实现中，输出端口和输入端口都是与仿真内核中的信号包进行交互。同时，输出端口每一次的写入信号包都会有相应时间标记，同样输入端口也会从信号包读取这一信号，以此来完成设备间信号传递。同时，也可利用DDS和CORBA等软总线技术模拟仿真航空电子系统的总线功能，进行分布式仿真。

具体实施方式的内容是为了便于本领域技术人员理解和使用本发明而描述的，并不构成对本发明保护内容的限定。本领域技术人员在阅读了本发明的内容之后，可以对本发明进行合适的修改。本发明的保护内容以权利要求的内容为准。在不脱离权利要求的实质内容和保护范围的情况下，对本发明进行的各种修改、变更和替换等都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其包括：

仿真模型（1），该仿真模型（1）包括激励模型（11）、设备模型（12）、监控模型（13）和仿真内核（14），其中，所述激励模型（11）为整个仿真过程提供激励，其包括激励信号和激励逻辑；所述设备模型（12）用于模拟航空电子系统的各个设备，其包括设备信号和设备逻辑；所述监控模型（13）用于获取仿真过程中各种信号的变化，其包括监控信号和监控逻辑；所述仿真内核（14）包括时间轴和由各种信号包构成的信号库，用于在时间轴的统一调度下，实现激励模型（11）、设备模型（12）和监控模型（13）之间的信号和逻辑的并行调度；

仿真激励源（2），其模拟真实飞行情况下航空电子系统的各种激励，并与所述激励模型（11）进行信号对接；

飞行器外部模型（4），在仿真过程中，所述飞行器外部模型（4）通过自身模型的解算得到与相应模拟飞行相关的外部信号；

仿真监控设备（3），其与所述监控模型（13）进行信号对接，用以显示仿真过程的内容。

2.如权利要求1所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，所述仿真激励源（2）包括飞行员操作模块（21）、模拟座舱控制设备（22）和自定义输入界面（23），其中，所述飞行员操作模块（21）用于模拟真实飞行环境下飞行员对飞行器的各种操作，产生操作激励信号；所述模拟座舱控制设备（22）用于模拟真实飞行器的座舱控制设备，产生座舱控制激励信号；所述自定义输入界面（23）为根据仿真需求而定制的图形化的输入控件，产生定制的激励信号。

3.如权利要求2所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，所述仿真监控设备（3）包括信号监控模块（31）、模拟座舱显示设备（32）和自定义输出界面（33），其中，所述信号监控模块（31）用于实时监控在仿真过程中发生变化的信号，保存其数据文件，且以波形的形式输出；所述模拟座舱显示设备（32）用于显示模拟飞行器真实运行状态下航空电子系统的各种座舱显示设备的输出信号；所述自定义输出界面（33）为根据仿真需求而定制的图形化的输出控件，显示定制的输出信号。

4.如权利要求1所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，所述飞行器外部模型（4）包括飞行器电子设备模型（41）、飞行器动力学模型（42）和飞行环境模型（43），其中，所述飞行器电子设备模型（41）用于模拟飞行器的各种电子设备，得到飞行器的各种电子设备产生的信号；所述飞行器动力学模型（42）用于模拟飞行器的飞行状态，得到飞行器的状态信号；所述飞行环境模型（43）用于模拟飞行器的飞行环境，得到飞行环境信号。

5.如权利要求4所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，通过飞行仿真软件FLSIM提供所述飞行器外部模型（4）。

6.如权利要求4所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，通过信号采集装置采集飞行器模拟电子设备的信号、飞行器模拟飞行状态的信号和模拟飞行环境的信号而得到所述飞行器外部模型（4）。

7.如权利要求1-6中任一项所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，进一步包括飞行视景系统（5），其通过所述仿真内核（14）获取仿真过程中的信号，显示飞行器的飞行视景。

8.如权利要求1-7中任一项所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，采用数据分发服务（DDS）或CORBA软总线技术实现航空电子系统的各个设备模型（12）之间的信号传递。

9.如权利要求1-8中任一项所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，基于System C生成所述仿真模型。

10.如权利要求1-9中任一项所述的航空电子系统分布式实时综合仿真系统，其特征在于，基于System C，通过C++编程产生激励模型、设备模型和监控模型的代码模板以及仿真内核，并依据所述激励模型、设备模型和监控模型的代码模板生成激励模型、设备模型和监控模型。