CN112623272B - 一种大飞机空速异常辅助功能的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大飞机空速异常辅助功能的仿真平台及试验方法，属于航空工程试验测试领域。该方法包括：信息显示设备1、接口测试设备3、总线接口耦合器4、座舱操作系统5、飞行员接口单元6、总线监控设备7、数据分析仪8、信号转换设备9、飞机模型仿真设备10、空速参数注入设备11、可视化设备12。

Description

一种大飞机空速异常辅助功能的试验方法

技术领域

本发明涉及一种大飞机空速异常辅助功能的仿真平台及试验方法，属于航空工程试验测试领域。

背景技术

针对空速异常故障类型多，发生频率高，对飞行安全影响大，且空速异常发生后飞行员处置负担重等问题，在型号设计经验基础上，提出了空速异常辅助功能。当飞机的空速出现异常时，综合飞行员操作指令、机载系统的状态信息和传感器信息，电子化显示操作流程，辅助飞行员进行异常参数判断，并进行飞行操作安全提示及异常原因分析等，保障飞行安全。

空速异常辅助功能的实现包括两个阶段。阶段一，电子条目化显示：将快速检查单的内容，以电子条目化的形式显示，供飞行员在高压力环境下进行操作引导，从而快速完成异常状态改出操作；阶段二，综合信息判断：借助已有状态信息，快速给出空速异常状态改出的飞机姿态和发动机推力值，引导飞行员进行快速操作，或通过多余度表决得到当前真实的高度、指示空速等信息，供飞行员决策使用，或当空速信号出现奇异故障时，对关联系统进行操作提示。

空速异常辅助功能的硬件载体是飞机管理系统计算机。在综合功能的机上应用之前，需要开展各种不同的试验，包括部件试验、综合试验、铁鸟集成试验、机上地面试验等。在部件试验时，通过接口测试设备对综合功能的硬件载体进行符合性试验；在综合试验时，为了完成对空速异常辅助功能的测试和验证，搭建半物理仿真试验平台，在仿真环境模拟真实飞机的大气机、惯导、无线电、智能探头等综合功能所需要的输入激励，并基于各交互设备间的交联关系，通过座舱操作系统给定输入指令，经过飞机模型仿真处理后，与飞机管理系统计算机进行交互，验证空速异常辅助功能的正确性和可行性，并对空速异常辅助功能的工作机理进一步认识。然而，现有的公开资料表明，暂无详细的空速异常辅助功能的仿真平台及试验方法。

因此，开展空速异常辅助功能的仿真平台及试验方法研究是十分必要的，将帮助设计师高效地完成空速异常辅助功能的原理性试验。

发明内容

本发明的目的是：是设计一种空速异常辅助功能的仿真平台及试验方法，搭建半物理仿真试验平台，以可视化的形式对空速异常辅助功能试验中各种操作进行引导，实现试验的规范化操作，提高试验效率。

技术方案：

一种大飞机空速异常辅助功能的仿真平台，包括：

信息显示设备1、接口测试设备3、总线接口耦合器4、座舱操作系统5、飞行员接口单元6、总线监控设备7、数据分析仪8、信号转换设备9、飞机模型仿真设备10、空速参数注入设备11、可视化设备12；

仿真平台以飞机管理系统计算机2为试验对象，飞机管理系统计算机2为空速异常辅助功能的物理运行载体，进行空速异常辅助功能的阶段一和阶段二仿真，并通过可视化环境对试验中各项操作进行引导；

信息显示设备1通过数字显示屏实现飞机管理系统计算机2的控制算法源代码、测试算法源代码、状态参数显示，以及飞机管理系统计算机的参数信息对比分析结果，便于试验人员进行故障定位；

接口测试设备3用于测试飞机管理系统计算机，该接口测试设备3作为空速异常辅助功能的物理运行载体，飞机管理系统计算机2具有开发/调试接口，开发/调试接口包括调试通讯总线和调试支持信号；

总线接口耦合器4用于在飞机管理系统计算机2、飞行员接口单元6、总线监控设备7、信号转换设备9间建立数据通信连接为目标，构建数据通信媒介；

座舱操作系统5用于按照空速异常辅助功能的测试需要，由试验人员调用座舱操作系统的仿真模型，执行仿真算法，完成座舱操作指令的输入仿真；

飞行员接口单元6采集座舱内的信号和角速率陀螺、加速度计的传感器信号，通过总线接口耦合器4传递给信号转换设备，经飞机模型仿真设备10处理后，再传递给飞机管理系统计算机2，经飞机管理系统计算机2的控制算法处理后，再传递给可视化环境12，引导飞行员进行异常状态改出；

总线监控设备7对1394B总线进行数据监控，监控到的总线数据用于重要数据备份或者故障数据分析；

数据分析仪8用于测试1394B总线，并能给出表征总线上信号质量各种参数的报告，完成总线的协议完整性和适应性测试；

信号转换设备9用于在总线接口耦合器4、飞机模型仿真设备10间建立数据通信连接为目标，构建数据通信转换媒介；

飞机模型仿真设备10配备功能完全、工作可靠的检测应用软件，开发飞机的传感器系统和风速数据对应的软件组件模块实现对应的相应功能的仿真；

空速参数注入设备11用于仿真大气机、惯导、无线电和智能探头的参数输入；

可视化环境12以规范化的流程引导试验人员完成空速异常辅助功能的试验，用可视化的方法指示试验人员按压操作开关按钮或者旋转旋钮，进行各种参数的设置，以及相关指令的输入。

进一步的，空速参数注入设备11包括：大气机单元、惯导单元、无线电单元、智能探头单元、电源单元；

大气机单元用于建立大气数据系统仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用大气数据系统仿真模型，执行仿真算法，完成压力传感器、温度传感器、迎角传感器和侧滑角传感器的仿真；

惯导单元用于建立惯导系统仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用惯导系统仿真模型，执行仿真算法，完成惯导系统状态参数的仿真；

无线电单元用于建立无线电高度表仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用无线电高度表仿真模型，执行仿真算法，完成无线电高度表状态参数的仿真；

智能探头单元用于建立智能探头仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用智能探头仿真模型，执行仿真算法，完成无线电高度表状态参数的仿真；

电源单元模拟机上电源，用于各机载设备供电。

进一步的，飞机模型仿真设备10包括：

初始参数库及组件、平衡状态库及组件、飞机的仿真模型库及组件、风速模型库及组件、控制算法库及组件；

初始参数库及组件完成初始参数库的建立、维护、更新、管理，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；

平衡状态库及组件完成平衡状态库的建立、维护、更新、管理，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；

仿真模型库及组件完成仿真模型库的建立、维护、更新、管理，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；

风速模型库及组件完成风速模型的建立、维护、更新、管理，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；

控制算法库及组件完成控制算法库的建立、维护、更新、管理，便于对算法库中各控制算法的调用执行。

进一步的，分析仪测试内容包括波特率、眼图、误码率、差分阻抗、上升电平、下降电平；波特率体现了数据总线的传输速率；眼图体现了数字信号整体特征；误码率直接反应了一定置信度下信号传输的误码概率；差分对阻抗的连续性，影响信号质量的好坏；插入损耗表征信号的衰减程度，插入损耗越小，同幅度衰减情况下传输距离越长；传输线之间分布电容的存在会影响信号的传输质量。

进一步的，飞机管理系统计算机2是三余度的。

一种大飞机空速异常辅助功能的试验方法，包括：

采集飞机空速的相关信号，包括地速信号、真空速信号、风速信号；

根据相关信号，判断空速信号是否出现奇异故障；

若是，则获取当前的飞行阶段；

若当前的飞行阶段不是平飞状态，则根据之前采集的风速信号修正当前的风速信号；

根据修正后的风速信号和当前的地速信号，计算当前的实际真空速度；

采集当前的高度和温度值；

结合当前的实际真空速度、当前的高度和温度值，计算真实指示真空速度；

根据真实指示真空速度进行辅助操纵。

进一步的，所述方法还包括：

若当前的飞行阶段是平飞状态，将相关信号与预设的平衡点数据库中数据进行匹配；

若匹配，则显示匹配到的平衡点的数据；

若不匹配，显示相关信号，并切换为人工操作。

进一步的，根据相关信号，判断空速信号是否出现奇异故障，包括：

对相关信号进行信号余度表决；

根据表决结果，判断空速信号是否出现奇异故障；

其中，当空速信号未出现奇异故障时，

将空速信号按大小顺序排队，给出表决空速。

有益效果：

1规范化、标准化、流程化的操作方式，辅以简洁、醒目的条目化形式，显示操作流程、操作方式和参数设置，引导试验人员快速、有效地按照试验要求进行空速异常辅助功能的仿真操作，提高了试验效率，缩短了试验周期，减少了试验费用；

2可复用的半物理仿真试验平台和可裁剪的飞机模型仿真支持试验人员根据需要选择组件模块，实现其他综合功能的仿真验证；

3收益显著，本仿真平台及试验方法在某型号中得到应用，根据空速异常辅助功能测试需要，高效地完成了空速异常辅助功能的相关试验，为其机上应用奠定了技术基础。

附图说明

图1为本发明的仿真平台组成结构图；

图2为本发明的空速异常辅助功能控制与显示装置的界面示意图；

图3为本发明试验测试方法的流程图。

具体实施方式

一种空速异常辅助功能的仿真平台，如图1所示，由信息显示设备1、接口测试设备3、总线接口耦合器4、座舱操作系统5、飞行员接口单元6、总线监控设备7、数据分析仪8、信号转换设备9、飞机模型仿真设备10、空速参数注入11、可视化设备12组成的试验测试系统，以飞机管理系统计算机A/B/C为试验对象，其为空速异常辅助功能的物理运行载体，进行空速异常辅助功能的阶段一和阶段二仿真，并通过可视化环境对试验中各项操作进行引导，实现试验的规范化操作，提高试验效率。

信息显示设备1通过数字显示屏实现飞机管理系统计算机的控制算法源代码、测试算法源代码、状态参数显示，以及三余度飞机管理系统计算机的参数信息对比分析，便于试验人员进行故障定位。

接口测试设备3以测试三余度的飞机管理系统计算机A/B/C2为主，作为空速异常辅助功能的物理运行载体，飞机管理系统计算机A/B/C2具有开发/调试接口，开发/调试接口包括调试通讯总线和调试支持信号。

总线接口耦合器4以在飞机管理系统计算机A/B/C2、飞行员接口单元6、总线监控设备7、信号转换设备9间建立数据通信连接为目标，由总线接口板卡、远程通信中继器、线缆耦合器模块、MIL-1394B以下简称1394B总线组成，构建数据通信媒介。

座舱操作系统5按照空速异常辅助功能的测试需要，由试验人员调用座舱操作系统的仿真模型，执行仿真算法，完成座舱操作指令的输入仿真。

飞行员接口单元6采集座舱内的信号和角速率陀螺、加速度计等主要传感器信号，通过总线耦合器传递给信号转换设备，经飞机模型仿真设备10处理后，再传递给飞机管理系统计算机A/B/C2，经飞机管理系统计算机A/B/C2的控制算法处理后，再传递给可视化设备12，引导飞行员进行异常状态改出等。

总线监控设备7对1394B总线进行数据监控，监控的总线数据可用于重要数据备份或者故障数据分析。总线引入监控设备进行实时数据监控，这种监控方式可以真实地反映系统中的通信情况，同时不影响总线上其他节点的正常通信；总线监控设备可以完全监控系统中实时传输的数据，也可以选取其中重要的数据进行监控和存储，以便后续进行分析。

数据分析仪8能方便地测试1394B总线，并能直接给出表征总线上信号质量各种参数的报告，完成总线的协议完整性和适应性测试，分析仪测试内容包括波特率、眼图、误码率、差分阻抗、上升电平、下降电平等。波特率体现了数据总线的传输速率；眼图体现了数字信号整体特征；误码率直接反应了一定置信度下信号传输的误码概率；差分对阻抗的连续性，影响信号质量的好坏；插入损耗表征信号的衰减程度，插入损耗越小，同幅度衰减情况下传输距离越长；传输线之间分布电容的存在会影响信号的传输质量。

信号转换设备9以在总线接口耦合器4、飞机模型仿真设备10间建立数据通信连接为目标，由1394B总线接口板卡、1394B总线、网络接口板卡、网络线缆、交换机模块组成，构建数据通信转换媒介。采用以太网作为网络线缆，传输系统状态指令，以及大气、惯导、无线电等信号，再经由1394B总线接口板卡、1394B总线接口板卡传输到总线接口耦合器4。

飞机模型仿真设备10配备功能完全、工作可靠的检测应用软件，提供初始参数库及组件、平衡状态库及组件、仿真模型库及组件、风速模型库及组件、控制算法库及组件，开发专门的软件组件模块实现对应的仿真功能。初始参数库及组件完成初始参数库的建立、维护、更新、管理等，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；平衡状态库及组件完成平衡状态库的建立、维护、更新、管理等，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；仿真模型库及组件完成仿真模型库的建立、维护、更新、管理等，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；风速模型库及组件完成风速模型的建立、维护、更新、管理等，便于对模型库中各仿真模型的调用执行；控制算法库及组件完成控制算法库的建立、维护、更新、管理等，便于对算法库中各控制算法的调用执行。

空速参数注入11由大气机单元、惯导单元、无线电单元、智能探头单元、电源单元组成。大气机单元按照空速异常辅助功能的测试需要，调用大气数据系统仿真模型，执行仿真算法，完成压力传感器、温度传感器、迎角传感器和侧滑角传感器等传感器的仿真；惯导单元按照空速异常辅助功能的测试需要，调用惯导系统仿真模型，执行仿真算法，完成惯导系统状态参数的仿真；无线电单元按照空速异常辅助功能的测试需要，调用无线电高度表仿真模型，执行仿真算法，完成无线电高度表状态参数的仿真；智能探头单元按照空速异常辅助功能的测试需要，调用智能探头仿真模型，执行仿真算法，完成无线电高度表状态参数的仿真；电源单元模拟机上电源，用于各机载设备供电。

可视化设备12以规范化的流程引导试验人员完成空速异常辅助功能的试验，用可视化的方法指示试验人员按压操作开关按钮或者旋转旋钮，进行各种参数的设置，以及相关指令的输入；可视化环境以规范化、标准化、流程化的方式，辅以简洁、醒目的条目化形式，显示空速异常辅助功能的操作流程、操作方式和参数设置，引导试验人员按照试验要求完成功能仿真。

飞机管理系统计算机A/B/C2是空速异常辅助功能的物理运行载体。飞机管理系统计算机A/B/C2通过200MB/s的1394B总线与信息显示设备、接口测试设备、总线接口耦合器交联。通过飞机管理系统计算机A/B/C2发送帧起始包进行同步，通信分为自主与非自主两种方式，自主方式在总线层级直接转发，非自主方式经过CPU模块转发；三余度飞机管理系统计算机间CCDL通过400MB/s的1394B总线实现，进行空速相关参数余度表决。

图2中空速异常辅助功能控制与显示装置界面提供有：空速异常辅助功能接通201选择开关、表速202参数显示窗口、平衡状态点203参数显示窗口、快速检查单204显示窗口、自动辅助模态接通205选择开关、自动驾驶206状态显示窗口；

以及其他用于状态参数显示的参数显示窗口；

以及其他用于状态参数显示的状态显示窗口。

进行空速异常辅助功能试验时，需要打开空速异常辅助功能接通201选择开关，执行功能试验；

进行空速异常辅助功能试验时，需要查看表速202参数显示窗口，执行功能试验；

进行空速异常辅助功能试验时，需要查看平衡状态点203参数显示窗口，执行功能试验；

进行空速异常辅助功能试验时，需要查看快速检查单204显示窗口，执行功能试验；

进行空速异常辅助功能自主试验时，需要打开自主辅助模态接通205选择开关，执行功能试验；

进行空速异常辅助功能自主试验时，需要查看自动驾驶206状态显示窗口，执行功能试验。

本发明的一种空速异常辅助功能的试验方，如图3所示，包括以下详细步骤：

S1：试验开始，执行301，按照试验测试需要完成的任务，仿真平台设备上电，初始化仿真平台，设置仿真平台的初始状态；

S2：执行302，飞机管理系统计算机A/B/C采集飞机空速的相关信号，包括地速、真空速、风速等信号；

S3：执行303，三余度飞机管理系统计算机A/B/C进行信号余度表决，对于非奇异故障非共模故障，将多余度有效信号按大小顺序排队，通过两两信号的差值判断信号状态，由信号状态确定故障信号；

S4：执行304，如果故障为奇异故障，需进一步定位故障，跳转入S7；如果故障为非奇异故障，可定位出故障的信号，跳转入S5；

S5：执行305，通过余度表决，选择具有相同数值的多个信号值，作为真实的空速表决值进行输出；

S6：执行306，结束试验；

S7：执行307，获取当前的飞行阶段；

S8：执行308，如果当前飞机是平飞状态，跳转入S9；如果当前飞机不是平飞状态，跳转入S14；

S9：执行309，判断飞机当前飞行状态与平衡点数据库是否匹配，基于飞机吹风数据得到平衡点，进行数据差值得到平衡点数据库，如果匹配，跳转入S10；如果不匹配，跳转入S11；

S10：执行310，基于匹配的数据，得到平衡点的空速值，进行输出显示，并进行循环判断是否匹配；

S11：执行311，输出当前的空速值；切换到人工操作，由飞行员操作飞机，进行安全控制；

S12：执行312，结束试验；

S13：执行313，通过差分GPS等设备获取当前的地速；

S14：执行314，基于风速数据库得到当前的风速，结合当前的地速，计算可得当前的真空速值；

S15：执行317，通过静压受感器获取当前的高度值，通过温度传感器获取当前的温度值；

S16：执行316，结合S15的真空速和S16的高度、温度值，计算可得当前真实的指示空速值，并输出给显示设备；

S17：执行317，飞行员基于当前真实的指示空速值，进行安全操作；

S18：执行318，结束试验。

本发明设计了一种空速异常辅助功能的仿真平台及试验方法。通过可视化环境对试验现场中的各种操作进行引导，实现试验的规范化操作，提高试验效率。

Claims (4)

1.一种大飞机空速异常辅助功能的仿真平台，其特征在于，包括：

信息显示设备(1)、接口测试设备(3)、总线接口耦合器(4)、座舱操作系统(5)、飞行员接口单元(6)、总线监控设备(7)、数据分析仪(8)、信号转换设备(9)、飞机模型仿真设备(10)、空速参数注入设备(11)、可视化设备(12)；

仿真平台以飞机管理系统计算机(2)为试验对象，飞机管理系统计算机(2)为空速异常辅助功能的物理运行载体，进行空速异常辅助功能的阶段一和阶段二仿真，并通过可视化环境对试验中各项操作进行引导；

信息显示设备(1)通过数字显示屏实现飞机管理系统计算机(2)的控制算法源代码、测试算法源代码、状态参数显示，以及飞机管理系统计算机的参数信息对比分析结果，便于试验人员进行故障定位；

接口测试设备(3)用于测试飞机管理系统计算机，该接口测试设备(3)作为空速异常辅助功能的物理运行载体，飞机管理系统计算机(2)具有开发/调试接口，开发/调试接口包括调试通讯总线和调试支持信号；

总线接口耦合器(4)用于以飞机管理系统计算机(2)、飞行员接口单元(6)、总线监控设备(7)、信号转换设备(9)间建立数据通信连接为目标，构建数据通信媒介；

座舱操作系统(5)用于按照空速异常辅助功能的测试需要，由试验人员调用座舱操作系统的仿真模型，执行仿真算法，完成座舱操作指令的输入仿真；

飞行员接口单元(6)采集座舱内的信号和角速率陀螺、加速度计的传感器信号，通过总线接口耦合器(4)传递给信号转换设备，经飞机模型仿真设备(10)处理后，再传递给飞机管理系统计算机(2)，经飞机管理系统计算机(2)的控制算法处理后，再传递给可视化设备(12)，引导飞行员进行异常状态改出；

总线监控设备(7)对1394B总线进行数据监控，监控到的总线数据用于重要数据备份或者故障数据分析；

数据分析仪(8)用于测试1394B总线，并能给出表征总线上信号质量各种参数的报告，完成总线的协议完整性和适应性测试；

信号转换设备(9)用于以总线接口耦合器(4)、飞机模型仿真设备(10)间建立数据通信连接为目标，构建数据通信转换媒介；

飞机模型仿真设备(10)配备功能完全、工作可靠的检测应用软件，开发飞机的传感器系统和风速数据对应的软件组件模块实现对应的相应功能的仿真；

空速参数注入设备(11)用于仿真大气机、惯导、无线电和智能探头的参数输入；

可视化设备(12)以规范化的流程引导试验人员完成空速异常辅助功能的试验，用可视化的方法指示试验人员按压操作开关按钮或者旋转旋钮，进行各种参数的设置，以及相关指令的输入；

空速参数注入设备(11)包括：大气机单元、惯导单元、无线电单元、智能探头单元、电源单元；

大气机单元用于建立大气数据系统仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用大气数据系统仿真模型，执行仿真算法，完成压力传感器、温度传感器、迎角传感器和侧滑角传感器的仿真；

惯导单元用于建立惯导系统仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用惯导系统仿真模型，执行仿真算法，完成惯导系统状态参数的仿真；

无线电单元用于建立无线电高度表仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用无线电高度表仿真模型，执行仿真算法，完成无线电高度表状态参数的仿真；

智能探头单元用于建立智能探头仿真模型，还用于按照空速异常辅助功能的测试需要，调用智能探头仿真模型，执行仿真算法，完成无线电高度表状态参数的仿真；

电源单元模拟机上电源，用于各机载设备供电。

2.根据权利要求1所述的仿真平台，其特征在于，飞机模型仿真设备(10)包括：初始参数库及组件、平衡状态库及组件、飞机的仿真模型库及组件、风速模型库及组件、控制算法库及组件；

初始参数库及组件完成初始参数库的建立、维护、更新、管理；

平衡状态库及组件完成平衡状态库的建立、维护、更新、管理；

仿真模型库及组件完成仿真模型库的建立、维护、更新、管理；

风速模型库及组件完成风速模型的建立、维护、更新、管理；

控制算法库及组件完成控制算法库的建立、维护、更新、管理。

3.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，分析仪测试内容包括波特率、眼图、误码率、差分阻抗、上升电平、下降电平；波特率体现了数据总线的传输速率；眼图体现了数字信号整体特征；误码率直接反应了一定置信度下信号传输的误码概率；差分阻抗的连续性影响信号质量的好坏；插入损耗表征信号的衰减程度，插入损耗越小，同幅度衰减情况下传输距离越长；传输线之间分布电容的存在会影响信号的传输质量。

4.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，飞机管理系统计算机(2)是三余度的。

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