CN107526303A - 一种飞行器管理系统仿真验证平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器管理系统仿真验证平台，属于飞机综合控制技术领域。主要组成包括：飞机仿真单元(1)、VMS仿真单元(2)、UMS仿真单元(3)、综合显示单元以及仿真进程管理单元(5)，各仿真单元之间通过实时网方式实现数据的传输与通信。本发明能够实现对不同体系架构的VMS及其功能的仿真验证，达到减少飞机各子系统信息与功能方面的重叠、提高系统可靠性、提升飞机性能、降低飞机重量和成本的目的，从而带动新型机载装备的发展，为未来先进飞机飞行控制、发动机控制、通用设备控制更高程度的综合化设计与验证提供有力支撑。

Description

一种飞行器管理系统仿真验证平台

技术领域

本发明属于飞机综合控制技术领域，具体涉及一种飞行器管理系统仿真验证平台。

背景技术

飞行器管理系统(VMS，vehicle management system)是现代航空技术发展的必然趋势，是先进飞机中广泛采用的综合控制与管理技术。随着飞机系统的复杂程度不断增加，各分系统之间的耦合作用也大大加强，传统各分系统独立设计的方式已经无法满足现代先进飞机设计的需要，从而在客观上对各分系统提出了综合设计及综合控制的要求。VMS正是在这种背景下应运而生，它以与飞机飞行能力和机动能力相关的子系统为对象，通过内部通讯把更为广泛的公用子系统组合起来，进行资源动态分配，实现层次更为深入的功能综合以及多种模式的综合控制，从而提升飞机的飞行性能、安全性和可靠性。航空领域非常重视飞机的综合控制与管理技术研究，在VMS体系结构及其体系结构下的飞/推综合、公共管理系统(UMS，Utility Management System，机电管理，例如液压、燃油、环控)等设计技术的研究有了一定的基础，但在综合控制技术方面还存在不足。

发明内容

本发明提供一种开放式的基于RTX实时环境的VMS设计与试验验证平台，主要用于先进飞机VMS需求分析、体系架构、仿真建模以及综合技术的研究，为飞机飞行控制、发动机控制、通用设备控制更高程度的综合化设计与验证提供有力支撑。

本发明飞行器管理系统仿真验证平台，包括：

飞机仿真单元，用于仿真飞机各子系统，模拟环境变化对飞机性能的影响；

VMS仿真单元，用于模拟VMS的调度功能及模拟FMS与飞推综合功能；

UMS仿真单元，用于模拟机电系统的综合管理能力，以及模拟各子系统的健康预测与管理功能；

综合显示单元，用于飞机状态的实时显示；以及

仿真进程管理单元，用于整个系统平台的程序调度；

各仿真单元之间通过实时网方式实现数据的传输与通信。

优选的是，所述飞机仿真单元主要包含：

建立飞机六自由度非线性运动方程；

模拟飞机基本姿态控制子系统、环境子系统以及传感器子系统的功能；

模拟飞机燃油消耗、起落架或襟翼收放、重心位置变化、机舱环控、飞机电力以及功率管理系统的功能。

优选的是，所述飞机基本姿态控制子系统作为调度指令的执行层，主要用于控制飞机的俯仰、滚转以及偏航，包含了故障情况下的控制律以及控制律切换的处理过程仿真。

优选的是，所述模拟环境子系统包括模拟真实的环境风，包括风速、风向、大气温度和密度。

优选的是，所述VMS仿真单元的模拟VMS的调度功能包括对超出UMS和飞行管理系统管理范围的冲突事件给出处理指令。

优选的是，所述VMS仿真单元的模拟FMS与飞推综合功能包括进行飞行剖面计算、飞行航路规划以及飞行控制系统的故障诊断和容错处理，其中，所述飞推是指飞行和推力控制。

优选的是，所述UMS仿真单元的用于模拟机电系统的综合管理能力包括模拟液压、燃油、起落架及环控系统的综合管理能力。

优选的是，所述UMS仿真单元的用于模拟各子系统的健康预测与管理功能包括传感器管理和电力资源的调度。

优选的是，还包括VMS评估软件，所述综合显示单元用于在仿真结束后显示评估结果。

优选的是，所述仿真进程管理单元的程序调度，包括整套系统初始化、仿真任务和环境等参数设置、系统运行、不同模态的调度切换以及故障注入的工作。本发明能够实现对不同体系架构的VMS及其功能的仿真验证，达到减少飞机各子系统信息与功能方面的重叠、提高系统可靠性、提升飞机性能、降低飞机重量和成本的目的，从而带动新型机载装备的发展，从根本上提高飞机的安全性、可靠性和经济性。

附图说明

图1为按照本发明飞行器管理系统仿真验证平台的一优选实施例的系统结构框示意图。

其中，1－飞机仿真单元、2－VMS仿真单元、3－UMS仿真单元、4－综合显示单元、5－仿真进程管理单元、6－功能扩展单元。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的目的在于建立一个适用于未来战场环境和飞机任务需求的飞行器管理系统全数字仿真验证平台，对分级分区的VMS体系架构进行仿真模拟，对不同的容错策略、调度机制进行仿真验证和评估，实现对不同体系架构的VMS及其功能的仿真验证。减少飞机各子系统信息与功能方面的重叠，提高飞机的安全性、可靠性和经济性。

本发明的原理：飞行器管理系统强调综合的设计思想，所谓综合就是在系统设计和实现时将多个功能或者子系统联合起来考虑，实现信息交互/融合、资源共享，使系统性能和资源利用达到最优。本发明以飞机仿真单元1、VMS仿真单元2和UMS仿真单元3为核心，综合显示单元4作为显示终端和人机交互界面，仿真进程管理单元5作为整个系统平台的程序调度，功能扩展单元6作为系统平台的后续功能扩展备用，采用反射内存卡实现数据信息的共享，进而模拟飞机飞行状态和VMS管理功能。VMS的效能评价主要通过三方面体现。一是正常飞行过程中的飞机性能，如航程、燃油消耗等；二是故障情况下的安全性，功能部件的重构和替换；三是突发情况下的应急处理，如空管要求、大气环境的变化等。

如图1所示，本发明基于RTX实时环境，搭建一种开放式的飞行器管理系统仿真验证平台，通过建立飞机动力学、飞控系统、机电系统、环境等数学模型以及性能数据库和故障注入系统，来模拟飞机各子系统的公共资源管理和调度策略，并进行机载系统/资源的故障诊断和容错控制律的仿真，检验当某一部件/子系统故障后系统的容错能力，从而对VMS设计方案以及VMS的可靠性、容错机制、调度策略等进行定量或定性评价。本发明主要组成包括飞机仿真单元1、VMS仿真单元2、UMS仿真单元3、综合显示单元4、仿真进程管理单元5以及功能扩展单元6，各仿真单元之间通过实时网方式实现数据的传输与通信。其中：

1)飞机仿真单元1主要包含三方面功能。一是建立飞机六自由度非线性运动方程；二是模拟飞机基本姿态控制子系统、环境子系统、传感器子系统等功能；三是模拟飞机燃油消耗、起落架或襟翼收放、重心位置变化、机舱环控、飞机电力和功率管理系统等功能。该模块由一台工控机和一块反射内存卡实现，以飞机为研究对象，依据飞机气动数据，建立飞机六自由度非线性运动学和动力学模型、飞行控制系统模型、发动机模型、燃油系统及重心控制模型、电气系统模型、液压系统模型、风模型和环控系统模型，在上述模型库的基础上建立飞行器综合管理模型。

2)VMS仿真单元2主要包含两方面功能。一是模拟VMS的调度功能，即对超出UMS和飞行管理系统(FMS)管理范围的冲突事件给出处理指令；二是模拟FMS和飞/推综合功能，即进行飞行剖面计算、飞行航路规划、飞行控制系统的故障诊断和容错处理等。该模块由一台工控机和一块反射内存卡实现，以飞机为研究对象，依据飞机气动数据，建立VMS调度策略模型，在各种约束、各种航路类型、各种飞行方式、各种任务模块、各种机电子系统故障模式下，综合现有资源，在各个系统之间进行合理地调度，最终体现在综合显示单元4中的飞行轨迹和评估系统各个指标参数的变化中。针对不同系统的各类代表性故障情况，设定了对应的处理措施，以保证在出现故障的情况下VMS系统具有一定的容错能力，尽可能地保证系统能够正常工作。

3)UMS仿真单元3主要包含两方面功能。一是模拟液压、燃油、起落架、环控等机电系统的综合管理功能；二是模拟机电各子系统传感器的健康预测和管理等功能，重点在于传感器管理和电力等资源的调度。该模块由一台工控机和一块反射内存卡实现。

4)综合显示单元4作为显示终端和人机交互界面，主要用于飞机状态、故障情况等信息的实时显示，同时搭载VMS评估软件，并在仿真结束后显示评估结果。该单元由一台图形工作站和一块反射内存卡实现，主要包括四个页面，分别为飞机主飞行状态显示页面、发动机状态监控及告警页面、电子地图导航显示页面以及简单的人机接口页面，各个子页面对应相应的功能子模块，实现飞行数据的可视化显示以及基于电子地图的导航功能模拟。

5)仿真进程管理单元5作为整个系统平台的程序调度，负责整套系统初始化、仿真任务和环境等参数设置、系统运行、不同模态的调度切换以及故障注入等工作。该模块由一台工控机和一块反射内存卡实现。

6)功能扩展单元6作为整个系统平台的后续功能扩展备用，该模块由一台工控机和一块反射内存卡实现。

本发明的设计步骤如下：

1)步骤一构建VMS仿真硬件平台。利用仿真计算机、局域网等硬件设备构建仿真测试评估平台，模拟飞行器管理系统的硬件体系架构，构成飞行器管理系统的仿真物理模型。

2)步骤二开发VMS故障注入/诊断/容错仿真软件。模拟对机载设备的监控、测试各子系统及资源的健康预测算法、进行机载系统/资源的故障诊断和容错控制律的仿真，检验当某一部件/子系统故障后系统的容错能力。

3)步骤三开发VMS资源管理/调度软件。主要对飞行器的电力、燃油等公共资源管理/调度策略进行模拟，检验其管理/调度策略的节约性和最优性。

4)步骤四建立VMS典型模型库。主要包含飞机动力学模型、环境模型、传感器、执行机构模型等，为系统仿真提供逼真效果。

5)步骤五开发VMS仿真系统调度/评估软件。主要基于仿真结果和测试数据，对VMS设计方案进行评估，对VMS的可靠性、容错机制、调度策略等进行定量或定性评价。

6)步骤六开发任务综合设置仿真软件。完成仿真任务场景设置，模拟飞机滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、进场、着陆飞行全过程，并设置飞行过程中的故障类型、发生时间、故障部位，更改飞行剖面和航线，设定风速、风向、风的类型等环境状况。

7)步骤七开发VMS虚拟仪表/参数显示软件。主要接收实时仿真数据，作为显示终端对飞机的状态信息、仿真进程、故障诊断结果等信息进行显示。

本发明的运行流程如下：

1)场景设置。从飞机滑跑(考虑机场标高，推力管理减推力起飞)开始，到爬升(考虑空管限制和地形约束)、到巡航(考虑故障、空管约束和大气环境的影响，风、温度等，飞机纵向剖面约束、RTA要求等)、到下滑(下降定点计算)；飞机配置需列清楚飞机发动机配置、传感器、电源系统和余度配置等。

2)飞行计划的编制。设置不同类型的航段和航段信息。

3)飞行计划的解析。由已知的飞行计划解析构成期望的飞行轨迹。

4)飞行引导指令的计算。由已知的飞行计划和飞机的具体性能计算出滚转指令、速度指令和航迹角指令等。

5)垂直轨迹的计算和生成。计算沿水平轨迹的垂直剖面和垂直参数(高度、速度、ETA)及速度变化点、爬升顶点、下降顶点和下滑道垂直切入点。

6)突情设置。事先指定突情出现的时间、类型、位置等信息，突情类型包括航路点取消/增加、偏置设置/取消、直飞设置/取消等。

7)进行推力管理系统、飞行管理系统、机载资源调度仿真和典型飞行引导仿真，包括从起飞、离场、爬升、巡航、下降、进近、进场全过程。

8)飞行结束后的飞行数据统计分析。主要进行燃油消耗、电力消耗、飞机飞行误差(水平位置、高度、到达时间)分析。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，包括:

飞机仿真单元(1)，用于仿真飞机各子系统，模拟环境变化对飞机性能的影响；

VMS仿真单元(2)，用于模拟VMS的调度功能及模拟FMS与飞推综合功能；

UMS仿真单元(3)，用于模拟机电系统的综合管理能力，以及模拟各子系统的健康预测与管理功能；

综合显示单元(4)，用于飞机状态的实时显示；以及

仿真进程管理单元(5)，用于整个系统平台的程序调度；

各仿真单元之间通过实时网方式实现数据的传输与通信。

2.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述飞机仿真单元(1)主要包含：

建立飞机六自由度非线性运动方程；

模拟飞机基本姿态控制子系统、环境子系统以及传感器子系统的功能；

模拟飞机燃油消耗、起落架或襟翼收放、重心位置变化、机舱环控、飞机电力以及功率管理系统的功能。

3.如权利要求2所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述飞机基本姿态控制子系统作为调度指令的执行层，主要用于控制飞机的俯仰、滚转以及偏航，包含了故障情况下的控制律以及控制律切换的处理过程仿真。

4.如权利要求2所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述模拟环境子系统包括模拟真实的环境风，包括风速、风向、大气温度和密度。

5.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述VMS仿真单元(2)的模拟VMS的调度功能包括对超出UMS和飞行管理系统管理范围的冲突事件给出处理指令。

6.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述VMS仿真单元(2)的模拟FMS与飞推综合功能包括进行飞行剖面计算、飞行航路规划以及飞行控制系统的故障诊断和容错处理，其中，所述飞推是指飞行和推力控制。

7.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述UMS仿真单元(3)的用于模拟机电系统的综合管理能力包括模拟液压、燃油、起落架及环控系统的综合管理能力。

8.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述UMS仿真单元(3)的用于模拟各子系统的健康预测与管理功能包括传感器管理和电力资源的调度。

9.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，还包括VMS评估软件，所述综合显示单元(4)用于在仿真结束后显示评估结果。

10.如权利要求1所述的飞行器管理系统仿真验证平台，其特征在于，所述仿真进程管理单元(5)的程序调度，包括整套系统初始化、仿真任务和环境等参数设置、系统运行、不同模态的调度切换以及故障注入的工作。