CN114117794A - 一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试方法及系统，所述方法包括：按照飞行管理系统的核心功能，构建飞行管理系统的核心功能模块；根据支撑飞行管理系统运行的动态环境，构建动态环境功能模块；基于DDS规范，构建通信网络；利用通信网络，通过IO(输入/输出)模块，对飞行管理系统的核心功能模块和动态环境功能模块，进行配置管理；基于飞机运行场景和测试用例，对飞行管理系统的核心功能模块，进行测试验证，获得测试数据；通过IO(输入/输出)模块，对测试数据进行分析和处理。

Description

一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试方法及系统

技术领域

本发明属于飞行管理系统领域，具体涉及一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试方法及系统。

背景技术

飞行管理系统作为现代飞机(尤其是大型客机、运输机和直升机)的核心航电系统，能够综合解算各类传感器信息，并基于飞机性能引导其按照规划的路径飞行。飞行管理系统功能丰富、架构多样，与其它航电系统交联的关系复杂，但目前飞行管理系统被国外厂商所垄断，国产飞行管理系统存在着技术成熟度低、构型单一和验证不充分的问题。

目前，国产飞行管理系统基于现有的导航和引导技术能力，实现了几型LRU(外场可更换单元)形式的产品，而对性能计算、轨迹预测、垂直引导等技术成熟度较低的功能，进行了算法逻辑的研究和仿真，但目前国产LRU形式的飞管软件功能模块化水平较低，不能灵活应用于各类机载平台，也无法针对飞管的多项功能和多种航电架构进行充分有效的测试验证。

发明内容

本发明的目的是：为克服国产飞行管理技术不成熟、模块化程度不足、验证不充分、构型单一和滞后的问题，本发明提供一种飞行管理仿真测试方法及系统，可以提高飞管系统的拓展性和灵活性，全面支持对飞管系统架构和功能的仿真测试验证。

第一方面，本申请提供一种基于功能模块化的飞行管理仿真方法，所述方法包括：

按照飞行管理系统的核心功能，构建飞行管理系统的核心功能模块；

根据支撑飞行管理系统运行的动态环境，构建动态环境功能模块；

基于DDS规范，构建通信网络；

利用通信网络，通过IO(输入/输出)模块，对飞行管理系统的核心功能模块和动态环境功能模块，进行配置管理；

基于飞机运行场景和测试用例，对飞行管理系统的核心功能模块，进行测试验证，获得测试数据；

通过IO(输入/输出)模块，对测试数据进行分析和处理。

优选的，所述核心功能模块包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块和推力管理模块。

优选的，所述动态环境功能模块包括飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块和视景仿真模块。

优选的，输入输出IO模块包括IO管理模块，IO通信模块，IO数据记录模块，IO数据监控模块和故障注入模块。其中：

利用动态接口管理和配置技术构建IO管理模块；

根据总线板卡读写规范构建IO通信模块；

利用SQLite保存记录经过总线的各路信号数据而构建IO数据记录模块；

利用基于时间同步的动态数据监控技术构建IO数据监控模块；

通过修改存储器或寄存器内容来模拟硬件或软件故障的发生，通过改变软件执行的指令系统、数据，或在软件中预设故障程序的方法，构建故障注入模块。

优选的，所述构建飞行管理系统的核心功能模块，具体包括：

根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件，构建导航数据库管理模块；

根据民机规范的飞行计划信息，管理飞行计划模块的直线段、转弯段和垂直飞行计划；

利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建综合导航模块；

利用航段预测和航路点状态预测算法构建轨迹预测模块；

利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法，构建飞行导引模块；

利用多功能控制显示单元(MCDU)实现人机交互模块功能；

根据性能数据库和性能计算模型实现性能计算模块；

利用基于推力目标的推力指令算法构建推力管理模块。

优选的，所述构建动态环境功能模块，具体包括：

根据目标机型开源数据搭建飞行仿真模块；

利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑搭建飞行控制系统仿真模块；

利用目标机型发动机输入输出参数搭建发动机仿真模块；

根据飞行仿真数据和叠加噪声信号实现传感器仿真模块；

根据EFIS具备的人机交互元素构建EFIS仿真模块；

根据目标机型自动飞行逻辑构建控制面板仿真模块；

根据场景参数配置和飞管系统测试需求完成场景编辑模块；

利用操纵模拟设备和数据采集软件实现飞行操纵系统仿真模块；

利用高程和卫片数据进行渲染，结合机场和机型建模构建视景仿真模块。

第二方面，本申请提供一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试系统，飞行管理仿真测试系统包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块、推力管理模块、飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块、视景仿真模块、IO模块，其中：

导航数据库管理模块与飞行计划模块连接，导航数据库管理模块的输出与综合导航模块、EFIS仿真模块连接；飞行计划模块与导航数据库管理模块、轨迹预测模块、人机交互模块连接，飞行计划模块的输出与EFIS仿真模块连接；轨迹预测模块与飞行计划模块、推力管理模块、性能计算模块连接，轨迹预测模块的输出与飞行导引模块、EFIS仿真模块连接；综合导航模块与人机交互模块连接，综合导航模块的输入与导航数据库管理模块、传感器仿真模块连接，综合导航模块的输出与飞行导引模块、EFIS仿真模块连接；人机交互模块与飞行计划模块、综合导航模块、推力管理模块、性能计算模块连接，人机交互模块的输出与EFIS仿真模块连接；飞行导引模块的输入与轨迹预测模块、综合导航模块连接，飞行导引模块的输出与推力管理模块、性能计算模块、飞行控制系统仿真模块、EFIS仿真模块连接；推力管理模块与轨迹预测模块、人机交互模块连接，推力管理模块的输入与飞行导引模块连接，推力管理模块的输出与发动机仿真模块、EFIS仿真模块连接；性能计算模块与轨迹预测模块、人机交互模块连接，性能计算模块的输入与飞行导引模块连接，性能计算模块的输出与发动机仿真模块、EFIS仿真模块连接；传感器仿真模块的输入与飞行仿真模块连接，传感器仿真模块的输出与综合导航模块、EFIS仿真模块连接；EFIS仿真模块的输入与传感器仿真模块、控制面板仿真模块、飞行仿真模块、所有飞行管理系统核心功能模块连接；控制面板仿真模块的输入与飞行仿真模块连接，控制面板仿真模块的输出与EFIS仿真模块、飞行控制系统仿真模块连接；飞行控制系统仿真模块与飞行仿真模块连接，飞行控制系统仿真模块的输入与飞行导引模块、控制面板仿真模块、飞行操纵系统仿真模块连接；飞行操纵系统仿真模块的输出与飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块连接；发动机仿真模块的输入与推力管理模块、性能计算模块、飞行操纵系统仿真模块连接，发动机仿真模块的输出与飞行仿真模块连接；飞行仿真模块的与飞行控制系统仿真模块、场景编辑模块连接，飞行仿真模块的输入与发动机仿真模块连接，飞行仿真模块的输出与传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、视景仿真模块连接；场景编辑模块与飞行仿真模块连接；视景仿真模块的输入与飞行仿真模块连接。

优选的，飞行管理仿真测试系统内的各个模块根据DDS规范构建实验室网络而相互连接。

优选的，所述导航数据库管理模块，根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件构建；

所述综合导航模块，利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建；

所述轨迹预测模块，利用航段预测和航路点状态预测算法构建；

所述飞行导引模块，利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法构建；

所述推力管理模块，利用基于推力目标的推力指令算法构建。

优选的，飞行仿真模块，根据目标机型开源数据搭建；

飞行控制系统仿真模块，利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑搭建；

发动机仿真模块，利用目标机型发动机输入输出参数搭建；

传感器仿真模块，根据飞行仿真数据和叠加噪声信号实现；

EFIS仿真模块，根据EFIS具备的人机交互元素构建；

控制面板仿真模块，根据目标机型自动飞行逻辑构建；

场景编辑模块，根据场景参数配置和飞管系统测试需求构建；

飞行操纵系统仿真模块，利用操纵模拟设备和数据采集软件构建；

视景仿真模块，利用高程和卫片数据进行渲染，结合机场和机型建模构建。

本发明的有益效果：

本发明从顶层对飞行管理仿真测试系统进行了功能模块化设计，各模块能够即插即用，具备拓展性、灵活性，降低了反复测试迭代的工序，提高了飞管从功能级到系统级测试验证的效率，提升了针对飞管关键技术的测试验证能力。结合先进的研发验证流程、方法和工具，能够推动建立合理、系统和高效的飞行管理系统测试验证体系，进一步推进先进架构和功能的飞管系统的国产化进程。

附图说明

图1为飞行管理仿真测试系统的功能架构；

图2为飞行管理仿真测试系统的软硬件架构。

具体实施方式

实施例一

本申请提供一种基于功能模块化的飞行管理仿真方法，所述方法包括：

按照飞行管理系统的核心功能，构建飞行管理系统的核心功能模块；

根据支撑飞行管理系统运行的动态环境，构建动态环境功能模块；

基于DDS规范，构建通信网络；

利用通信网络，通过IO(输入/输出)模块，对飞行管理系统的核心功能模块和动态环境功能模块，进行配置管理；

基于飞机运行场景和测试用例，对飞行管理系统的核心功能模块，进行测试验证，获得测试数据；

通过IO(输入/输出)模块，对测试数据进行分析和处理。

优选的，所述核心功能模块包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块和推力管理模块。

优选的，所述动态环境功能模块包括飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块和视景仿真模块。

优选的，输入输出IO模块包括IO管理模块，IO通信模块，IO数据记录模块，IO数据监控模块和故障注入模块。其中：

利用动态接口管理和配置技术构建IO管理模块；

根据总线板卡读写规范构建IO通信模块；

利用SQLite保存记录经过总线的各路信号数据而构建IO数据记录模块；

利用基于时间同步的动态数据监控技术构建IO数据监控模块；

通过修改存储器或寄存器内容来模拟硬件或软件故障的发生，通过改变软件执行的指令系统、数据，或在软件中预设故障程序的方法，构建故障注入模块。

优选的，所述构建飞行管理系统的核心功能模块，具体包括：

根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件，构建导航数据库管理模块；

根据民机规范的飞行计划信息，管理飞行计划模块的直线段、转弯段和垂直飞行计划；

利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建综合导航模块；

利用航段预测和航路点状态预测算法构建轨迹预测模块；

利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法，构建飞行导引模块；

利用多功能控制显示单元(MCDU)实现人机交互模块功能；

根据性能数据库和性能计算模型实现性能计算模块；

利用基于推力目标的推力指令算法构建推力管理模块。

优选的，所述构建动态环境功能模块，具体包括：

根据目标机型开源数据搭建飞行仿真模块；

利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑搭建飞行控制系统仿真模块；

利用目标机型发动机输入输出参数搭建发动机仿真模块；

根据飞行仿真数据和叠加噪声信号实现传感器仿真模块；

根据EFIS具备的人机交互元素构建EFIS仿真模块；

根据目标机型自动飞行逻辑构建控制面板仿真模块；

根据场景参数配置和飞管系统测试需求完成场景编辑模块；

利用操纵模拟设备和数据采集软件实现飞行操纵系统仿真模块；

利用高程和卫片数据进行渲染，结合机场和机型建模构建视景仿真模块。

实施例二

本申请提供一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试系统，飞行管理仿真测试系统包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块、推力管理模块、飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块、视景仿真模块、IO模块，其中：

导航数据库管理模块与飞行计划模块连接，导航数据库管理模块的输出与综合导航模块、EFIS仿真模块连接；飞行计划模块与导航数据库管理模块、轨迹预测模块、人机交互模块连接，飞行计划模块的输出与EFIS仿真模块连接；轨迹预测模块与飞行计划模块、推力管理模块、性能计算模块连接，轨迹预测模块的输出与飞行导引模块、EFIS仿真模块连接；综合导航模块与人机交互模块连接，综合导航模块的输入与导航数据库管理模块、传感器仿真模块连接，综合导航模块的输出与飞行导引模块、EFIS仿真模块连接；人机交互模块与飞行计划模块、综合导航模块、推力管理模块、性能计算模块连接，人机交互模块的输出与EFIS仿真模块连接；飞行导引模块的输入与轨迹预测模块、综合导航模块连接，飞行导引模块的输出与推力管理模块、性能计算模块、飞行控制系统仿真模块、EFIS仿真模块连接；推力管理模块与轨迹预测模块、人机交互模块连接，推力管理模块的输入与飞行导引模块连接，推力管理模块的输出与发动机仿真模块、EFIS仿真模块连接；性能计算模块与轨迹预测模块、人机交互模块连接，性能计算模块的输入与飞行导引模块连接，性能计算模块的输出与发动机仿真模块、EFIS仿真模块连接；传感器仿真模块的输入与飞行仿真模块连接，传感器仿真模块的输出与综合导航模块、EFIS仿真模块连接；EFIS仿真模块的输入与传感器仿真模块、控制面板仿真模块、飞行仿真模块、所有飞行管理系统核心功能模块连接；控制面板仿真模块的输入与飞行仿真模块连接，控制面板仿真模块的输出与EFIS仿真模块、飞行控制系统仿真模块连接；飞行控制系统仿真模块与飞行仿真模块连接，飞行控制系统仿真模块的输入与飞行导引模块、控制面板仿真模块、飞行操纵系统仿真模块连接；飞行操纵系统仿真模块的输出与飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块连接；发动机仿真模块的输入与推力管理模块、性能计算模块、飞行操纵系统仿真模块连接，发动机仿真模块的输出与飞行仿真模块连接；飞行仿真模块的与飞行控制系统仿真模块、场景编辑模块连接，飞行仿真模块的输入与发动机仿真模块连接，飞行仿真模块的输出与传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、视景仿真模块连接；场景编辑模块与飞行仿真模块连接；视景仿真模块的输入与飞行仿真模块连接。

优选的，飞行管理仿真测试系统内的各个模块根据DDS规范构建实验室网络而相互连接。

优选的，所述导航数据库管理模块，根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件构建；

所述综合导航模块，利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建；

所述轨迹预测模块，利用航段预测和航路点状态预测算法构建；

所述飞行导引模块，利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法构建；

所述推力管理模块，利用基于推力目标的推力指令算法构建。

优选的，飞行仿真模块，根据目标机型开源数据搭建；

飞行控制系统仿真模块，利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑搭建；

发动机仿真模块，利用目标机型发动机输入输出参数搭建；

传感器仿真模块，根据飞行仿真数据和叠加噪声信号实现；

EFIS仿真模块，根据EFIS具备的人机交互元素构建；

控制面板仿真模块，根据目标机型自动飞行逻辑构建；

场景编辑模块，根据场景参数配置和飞管系统测试需求构建；

飞行操纵系统仿真模块，利用操纵模拟设备和数据采集软件构建；

视景仿真模块，利用高程和卫片数据进行渲染，结合机场和机型建模构建。

实施例三

本发明基于面向民用飞行管理系统架构，将仿真测试系统分为飞行管理核心功能仿真和支撑的动态环境仿真两部分，分别设计各功能模块软件和仿真模型，并规范其输入输出接口，通过实验室网络连接各功能模块，实现对飞行管理系统的模块化仿真和测试验证。

具体实施方式如下：

步骤1：按照飞行管理系统的核心功能，构建飞行管理系统的核心功能模块，所述核心功能模块包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块和推力管理模块；如图1所示。

其中，导航数据库管理模块实现对机载导航数据库(符合ARINC424标准)的查询、修改、存储和加载，并能够查询导航数据库的版本和有效期等状态信息，导航数据库将为飞行计划模块和动态支撑环境的导航传感器仿真模块提供导航数据支持；

飞行计划模块根据导航数据、各类限制信息和用户输入制定完整的水平和垂直飞行计划，并具备创建、编辑、激活、运行、清除和保存飞行计划的管理功能，通过实验室网络与导航数据库模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、性能计算模块、推力管理模块、人机交互模块交联；

综合导航模块对各传感器精度、状态、性能、冗余策略、信息融合算法进行验证，对导航模式可用性、切换、解算和更新进行管理，进行实际导航性能估计、监测与告警，完成无线电导航自动选台和调谐功能。综合导航模块通过实验室网络与传感器仿真模块、飞行计划模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块交联；

轨迹预测模块基于飞行计划信息，结合飞机性能数据，实现对整个飞行过程轨迹的预测并计算各个航路点的速度、高度、燃油和限制等信息，预测的轨迹信息则通过人机交互界面显示出来，作为飞行导引的基准或机组的决策参考。轨迹预测模块通过实验室网络与飞行计划模块、综合导航模块、人机交互模块、飞行导引模块、性能计算模块交联；

飞行导引模块基于飞机性能和飞仿模型，以飞行计划和轨迹预测的解算数据为基础，输出高度、速度、航向和垂直速度目标等引导指令，实现对飞机的三维引导，飞行导引模块通过实验室网络与飞行计划模块、轨迹预测模块、综合导航模块、人机交互模块、性能计算模块和推力管理模块交联；

人机交互模块能够显示飞机状态参数、传感器数据、飞管状态和解算参数等，主要通过MCDU仿真系统实现，人机交互模块通过实验室网络与飞管仿真系统和动态环境的所有功能模块均发生数据交互；

性能计算模块通过飞机性能数据库的数据，建立性能计算模型，实现从起飞到着陆全阶段的性能参数计算和管理，为飞管仿真系统其它模块提供性能数据支持。性能计算模块通过实验室网络与飞行计划模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、性能数据库模块、推力管理模块、人机交互模块交联；

推力管理模块基于飞机性能数据和模型，根据飞行引导指令解算飞机推力，根据不同的飞行阶段计算相应的推力目标值。推力管理模块通过实验室网络与人机交互模块、飞行计划模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、性能数据库模块和性能计算模块交联。

综上所述，飞行管理系统模块化仿真对各核心功能单独建模，能够根据系统需求和测试要求对功能模块进行增加和裁剪，并通过统一的数据接口与其它相关模块交联，便于系统的功能测试、故障分析和定位，在对功能模块充分验证的基础上构建符合需求的飞管系统架构，能够进一步地支持飞管系统级的集成验证。

步骤2：根据支撑飞行管理系统运行的动态环境，构建动态环境功能模块，所述动态环境功能模块包括飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块和视景仿真模块；如图2所示。

其中，飞行仿真模块包括飞行仿真模型和大气仿真模型。飞行仿真模型主要为系统集成测试提供统一的飞行数据，包括飞行动力学模型、空气动力学模型、质量特性模型等。飞行动力学模型采用六自由度非线性动力学方程，模拟飞机在受到气动力和力矩、地面反作用力和力矩、发动机作用力和力矩时的运动响应，解算飞行状态参数。动力学方程在飞机机体坐标系中建立，所有的外力和力矩均转换到机体坐标系中计算。空气动力学模型用以完成飞机空气动力特性仿真计算。为模拟空气动力非线性的特性，所有气动参数均采用系数形式，根据飞机当前的速度、高度、迎角、侧滑角、角速度、重心位置和各操纵面位置、起落架位置等参数对各气动系数表进行插值，解算当前状态的气动系数，最后计算得出气动升力、阻力、侧力、滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩等。质量特性模型根据飞机燃油消耗和载荷的变化，计算燃油、载荷重量和重心位置的变化，然后计算全机重量、重心、转动惯量的变化。大气仿真模型实现对飞行器的飞行大气环境数据的仿真，主要为标准大气模型和大气风场模型，可以模拟不同大气温度、密度、压强、阵风、侧风、风切变等条件对飞机气动特性和发动机特性的影响。

飞行控制系统仿真模块包括自动驾驶仪、自动油门和飞行控制系统仿真，能够控制飞机按照飞行管理仿真系统的指令飞行，通过控制回路和控制率设计，控制飞机的姿态，实现各飞行控制模态。自动驾驶仪模型接收控制面板仿真模块的控制信号，能够在手动驾驶、自动驾驶、及按照飞行管理系统指令飞行之间进行切换，自动驾驶仪的控制回路能够实现姿态保持、速度保持、航向保持和转弯飞行(水平剖面)、高度保持和垂直速度保持(垂直剖面)模态。自动油门仿真模块通过对发动机油门的自动控制，提供全飞行包线的所需推力，响应目标推力指令。飞行控制仿真系统针对不同的飞行模态设计相应的控制律，响应模态指令，实现飞机在全飞行阶段的自动飞行控制，并保证飞行的操纵稳定，进行操纵限制。

发动机仿真模块模拟飞行器发动机包线范围内的所有工作状态，能正确模拟发动机在不同环境和飞行状态下的操纵响应。发动机的仿真模型包括：发动机电子控制器(EEC)模型、发动机燃油系统模型、发动机主启动系统模型和发动机反推力系统模型等，能够模拟发动机在不同环境和飞行状态下的操纵响应过程和性能，包括发动机启动过程及性能、从慢车推力到最大推力稳定状态下的发动机性能、发动机加速和减速性能、发动机关车过程及性能。发动机仿真模块能够正确响应自动油门对发动机转速、推力和燃油的控制。

传感器仿真模块根据飞行仿真系统的飞行器数据源进行多种导航传感器数据仿真解算，将仿真的导航数据发送给飞行管理系统，为其提供激励信号。传感器仿真系统包含卫星导航系统(GPS)2套、惯性参考系统(IRS)2套、航姿系统(AHRS)2套、测距仪系统(DME)2套、甚高频全向信标系统(VOR)2套、大气数据系统(ADS)3套、无线电高度表(RA)2套。其中卫星导航系统仿真模型根据飞机位置变化和地球模型(地球模型采用WGS-84模型)，计算飞机实时的经纬度、高度、高度变化率和地速等参数；惯性参考系统仿真利用四元素算法计算飞机的姿态、航向参数，利用三轴加速度计算飞机速度、位置参数。结合大气数据系统的输出数据计算风速、风向、迎角、侧滑角等参数；航姿系统仿真的计算方法与IRS仿真类似，可以计算欧拉角、角速率、迎角和侧滑角、航迹角和航迹倾斜角等参数；DME仿真提供飞机与地面站之间斜距(视线)距离的测量，能够用作航路和终端区的导航，输出DME有效性、台站码和距离信息等；VOR仿真系统接收地面台发射的基准相位信号和可变相位信号，并通过比较两种信号的相位差，得出飞机相对地面VOR台的径向方位，输出VOR有效性、台站码、方位信息等；大气数据系统通过建立的大气数据数学模型，实现载机气压高度、升降速度、静温、马赫数、指示空速、真空速等相关信息的解算；无线电高度表利用无线电测量飞机距离地面的垂直高度，根据飞机真实高度与地形高程数据计算出飞机0到1500米的无线电高度。

EFIS仿真模块即电子飞行仪表系统仿真系统，包含PFD(主飞行显示)和ND(导航显示)仿真。PFD是飞行时飞行员主要关注的显示系统，集中显示了大部分飞机飞行相关的参数，如姿态信息、空速信息、气压高度信息、垂直速度信息、航向和航迹指示等；ND显示模块显示基本的导航信息和飞行计划信息等，包括飞机的航路、航向、航迹以及飞机相对于空域和导航设施的位置，其数据主要来自于飞管系统和传感器系统。

控制面板仿真包括软件模块和显示界面，通过该软件可以设置以下模式和设置以下内容：高度设置或高度模式、速度设置或速度模式、航向设置或航向模式、垂直速率设置、自动驾驶模式、ND显示模式设置、ND显示比例设置等，并通过显示界面设置以上内容，并显示当前状态，并发送给PFD/ND和飞行管理系统仿真系统。

场景编辑模块用于完成对整个实验环境的综合控制与各种场景设置，通过场景编辑软件实现，可以在初始化时对场景进行编辑，也可以在飞行过程中对场景进行编辑。场景编辑可以设置飞机初始状态(飞机重量、飞机油量、飞机位置、飞机姿态、飞机速度等)、大气状态(设置风速、风向、等)、设置传感器状态(故障状态和正常状态)等，并将设置的数据发送给飞行仿真模型和仿真视景，飞行仿真模型利用编辑设置的数据实现飞机进行初始化、切换传感器状态及计算大气环境对飞行的影响等功能。

飞行操纵仿真模块主要仿真飞机系统的操纵控制类设备及功能，是具备驾驶杆组件和油门组件功能的集成式操纵仿真系统，通过采集操纵设备的操纵数据，将其格式转换后发送给飞行仿真和发动机仿真系统而操控飞机飞行。

视景仿真模块实时生成飞机飞行所需要或仿真计算得到的视景图像，并将生成的图像逼真地显示出来，主要包括环境显示模块(天空、日照、云、海洋和天气等)、地面模型模块(地形、建筑物和植被等)、机动目标模块(目标模型和碰撞检测等)、视角控制模块(第三人称、第一人称、机尾、鹰眼视角等)，提高了测试人员的情景意识，保障了演示验证效果。

仿真动态环境具备的功能模块能够支撑飞行管理系统在各飞行阶段和全飞行包线中的运行，能够根据系统需求和测试要求对功能模块进行设置和管理，已形成不同的测试验证条件和系统架构，并均被统一的数据接口，通过实验室网络与其它相关模块交联，实现数据的综合计算和实时通信。

步骤3：基于DDS规范，构建通信网络；

其中，所述通信网络包括航电全双工交换式以太网(AFDX，Avionics Full DuplexSwitched Ethernet)、千兆以太网等；

实际应用中，以AFDX网络为例，通信网络包含AFDX板卡、交换机和各仿真系统终端，采用千兆网24口高速交换机，使用DDS(数据分发服务)进行各仿真模块的实时通信，进行数据的分发和接收。

需要说明的是，DDS是OMG(对象管理组织)有关分布式实时系统中数据发布的规范。DDS规范采用了发布/订阅体系结构，能够对实时性要求提供更好的支持。DDS实时数据网络的核心是DDS消息中间件，是以数据为中心的发布/订阅通信机制，针对强实时系统进行了优化，提供低延迟、高吞吐量、对实时性能的控制级别。DDS标准规范了实时分布式系统中数据发布、传递和接收的接口和行为，提供了一个与平台无关的数据模型(这个模型能够映射到各种具体的平台和编程语言)，使得实时分布式系统中数据能够高效、可靠地发布。

DDS规范描述了两个层次的接口：低层的DCPS(以数据为中心的发布/订阅)：该层是必需的，由它来完成数据的发布、订阅，其目标是发布者能高效地将正确的信息传递给适当的订阅者；高层的DLRL(数据本地重构层)：该层是可选的，用于数据在本地的表示，其目的是使应用程序能更加直接地访问交换的数据，并能与本地语言完美地结合起来。

应用程序在处理以数据为中心的分布式系统时，DDS标准中间件可以帮助用户使用更加简单的编程模型，应用程序可以使用一个简单的Topic(主题)名称来指定它想要读或写的数据，使用以数据为中心的API(应用程序接口)来直接读写数据。DCPS模型构建了一个共享的“全局数据空间”的概念，所有的数据对象都存在于此空间中，分布式节点通过简单的读、写操作便可以访问这些数据对象。实际上，数据并非存在于所有计算机的地址空间中，它仅存在于那些对它感兴趣的应用程序的本地缓存中，而这一点正是发布-订阅模型的关键所在。

步骤4：利用通信网络，通过IO(输入/输出)模块，对飞行管理系统的核心功能模块和动态环境功能模块，进行配置管理；

具体的，输入输出IO模块包括IO管理模块，IO通信模块，IO数据记录模块，IO数据监控模块和故障注入模块。

利用动态接口管理和配置技术构建IO管理模块，根据总线板卡读写规范构建IO通信模块，利用SQLite保存记录经过总线的各路信号数据而构建IO数据记录模块，利用基于时间同步的动态数据监控技术构建IO数据监控模块，通过修改存储器或寄存器内容来模拟硬件或软件故障的发生，通过改变软件执行的指令系统、数据，或在软件中预设故障程序等方法，构建故障注入模块。

需要说明的是，IO模块以IO管理软件的形式实现，通过实验室网络实现飞行管理仿真系统与动态环境之间的数据通信，是数据与指令的交互中心。飞行管理系统将相关参数按照ICD协议的规定，通过指定的IO通道发送到仿真环境，并接收仿真环境发送的交互数据。IO管理软件主要实现对IO处理板卡的管理控制，以及作为与用户直接交互的界面层，提供故障注入、硬件控制设置、数据的发送和接收、系统数据监视等功能。

IO管理模块主要实现对所有IO板卡的管理，记录所有IO信息和板卡信息，做到准确消息的路由。接收来自用户界面对板卡的打开、关闭、设置等控制命令。支持系统消息类型与板卡通道对应关系的设置，同时为数据监视，故障注入提供消息的通信通道。IO管理模块能够进行接口的动态管理和配置，使用统一规范的接口管理工具，对于不同航电架构下飞行管理系统交联的不同设备，及新引入的交联设备，通过界面参数的更改即可实现对动态接口的配置和综合管理。

IO通信模块完成对各种总线板卡的IO数据的操作和读写。通过DDS数据网络，实现各模块化仿真子系统间的数据通信，实现系统间的高速数据传输。

IO数据记录模块为系统的每一路总线信号提供在线数据捕获与记录功能，为系统测试提供必备的辅助手段。数据存储使用SQLite这一轻量级数据库，保存每一条经过总线的各路信号数据。采用异步写入硬件方式来提高性能，每一条记录先写入本地缓存，再在数据库线程上定时将数据批量写入数据库，从而保证系统的正常高效运行。

IO数据监控模块依赖采集模块实时发送数据，在仿真界面上直观呈现系统当前运行状况，通过可视化界面展示各总线IO数据采集卡的流入流出数据，使得用户能够观察系统是否正常运行，为下一步的操作提供数据支持。该模块采用基于时间同步的动态数据监控技术，实时监控采集大量系统试验数据，基于DDS网络规范，保证网络时间与服务器的主时钟保持时刻同步，保证了飞行管理系统与仿真环境的实时同步。

故障注入模块是仿真环境中一个重要的子系统，他可以模拟产生各种故障并注入待测系统，观察其对注入故障的反应，并最终得到评价结果。故障注入模块采用软件故障注入法，通过修改存储器或寄存器内容来模拟硬件或软件故障的发生，通过改变软件执行的指令系统、数据，或在软件中预设故障程序等方法来实现。故障注入模块通过在仿真界面创建故障而生成故障数据，并可以查看、生效和删除系统故障。选择故障不注入模式，即使创建存在故障，系统依然不会存在故障数据。每一个故障缓存在本地，直到被用户删除，同时标识是否已经生效。

故障注入可以采用系统预设定的故障(主要为传感器故障状态)，生成故障数据进行故障注入，也可以根据需求创建自定义故障，包括指定参数偏移、参数范围随机波动或者直接为0等配置，根据已选故障或者定制异常参数，计算故障数据包或生成模拟方式。故障注入模块通过IO管理端送到IO处理端，将数据包发送给仿真环境，并结合仿真环境反馈的数据包，将故障结果发送到飞行管理仿真系统。

步骤5：基于飞机运行场景和测试用例，对飞行管理系统的核心功能模块，进行测试验证，获得测试数据；

通过上述步骤构建的功能模块化飞行管理仿真验证系统，能够模拟飞机在终端区和航路区的运行场景，基于各类测试用例，能够实现对飞行管理系统的综合测试验证。

在终端区，该仿真验证系统基于地形数据、障碍物数据和机场建模，能够模拟飞机下降和进近过程中的运行环境状态，在航路区，仿真系统能够对山区、平原、河流等地形进行模拟，还具备对云雾、雨雪、日照等天气状况的视景仿真，为飞机在航路区和终端区的常规或特殊运行场景提供了仿真环境支持。同时，结合飞机的运行需求和任务需求，根据飞行管理系统制定的飞行计划，仿真验证系统能够充分地支持飞机在数据库程序、公司航路、自定义航路、搜索救援等多运行场景下的测试验证。

针对飞行管理系统架构多样、交联关系复杂、功能庞大等特点，结合飞机需求、系统需求、安全性需求、软硬件要求等制定相应的测试用例，从多个维度对飞行管理系统开展测试验证。由于仿真验证系统的模块化特点，能够分别对飞行管理系统的各个功能模块开展测试用例设计，在为系统级测试验证提供参考的同时，也能够便于系统级测试过程的分析和问题定位。

步骤6：通过IO(输入/输出)模块，对测试数据进行分析和处理。

通过IO(输入/输出)模块的IO数据监控模块监控测试数据流，通过IO(输入/输出)模块的IO数据记录模块记录关键测试数据，为数据分析和处理提供数据源。

IO数据记录模块为系统的每一路总线信号提供在线数据捕获与记录功能，为系统测试提供必备的辅助手段。数据存储使用SQLite这一轻量级数据库，保存每一条经过总线的各路信号数据。采用异步写入硬件方式来提高性能，每一条记录先写入本地缓存，再在数据库线程上定时将数据批量写入数据库，从而保证系统的正常高效运行。

IO数据监控模块依赖采集模块实时发送数据，在仿真界面上直观呈现系统当前运行状况，通过可视化界面展示各总线IO数据采集卡的流入流出数据，使得用户能够观察系统是否正常运行，为下一步的操作提供数据支持。该模块采用基于时间同步的动态数据监控技术，实时监控采集大量系统试验数据，基于DDS网络规范，保证网络时间与服务器的主时钟保持时刻同步，保证了飞行管理系统与仿真环境的实时同步。

本发明的创新点如下：

核心创新点：飞行管理系统模块化仿真验证系统：根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件，构建导航数据库管理模块；根据民机规范的飞行计划信息，管理飞行计划模块的直线段、转弯段和垂直飞行计划；利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建综合导航模块；利用航段预测和航路点状态预测算法构建轨迹预测模块；利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法，构建飞行导引模块；利用多功能控制显示单元(MCDU)实现人机交互模块功能；根据性能数据库和性能计算模型实现性能计算模块；利用基于推力目标的推力指令算法构建推力管理模块。针对飞行管理系统功能多样、交联关系复杂的特点，进行了模块化设计仿真，赋予飞行管理验证系统即插即用、便于替换更新、灵活拓展的特点，保证了核心技术和集成验证的全面、充分和有效性。

次要创新点1：复杂航电系统分布式测试验证架构设计技术：通过飞管系统动态支撑环境的构建，支持国产飞行管理系统在分布式架构下的系统实现、集成和验证，提高了飞行管理系统测试验证的合理性，满足了复杂飞行管理大系统的综合要求。

次要创新点2：多传感器仿真技术：根据飞行仿真模块的导航数据，并叠加噪声信号，构建了以飞行管理系统为核心的机载导航传感器模型，依据各传感器相关标准并从原理入手细化模型，保证了基于模型驱动的飞行管理系统的测试验证，保证了飞行管理系统输入的可信度。

次要创新点3：飞行模型仿真技术：针对飞行管理系统的目标机型，以六自由度非线性动力学方程为基础建立其飞行仿真模型，准确模拟飞机在受到力和力矩时的运动响应，精确解算飞行状态参数，并根据Simulink自带模块实现大气模型仿真和风模型仿真，保证了飞行管理系统运行平台的真实性。

次要创新点4：飞管人机交互仿真技术：通过对MCDU(多功能控制显示单元)、EFIS、控制面板和飞行操控系统的仿真，对飞管运行反馈和结果进行直观的显示和控制。

次要创新点5：飞管与飞控一体化模型仿真技术：利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑建立完整的飞行控制系统模型，并规范飞管与飞控系统的交互数据，能够保证对飞管解算导引指令的准确响应，提高了测试验证的准确性。

次要创新点6：多维度运行场景构建技术：在场景编辑模块中，面向飞行管理系统的运行场景，通过构建基于时间维度、任务维度、环境维护、状态维护等多维场景矩阵，完整、充分地再现了飞机的整个飞行过程，保证了飞行管理系统运行场景的完整性和系统验证的针对性。

次要创新点7：基于时间同步的动态数据监控技术：利用IO模块实时监控采集大量系统试验数据，采用基于DDS规范的高速实时数据通信网络，保证网络时间与服务器的主时钟保持时刻同步，保证了飞行管理系统及测试验证条件的实时同步。

次要创新点8：动态接口管理和配置技术：对于不同航电架构下飞行管理系统交联的不同设备，及冗余设计和扩展系统所引入的交联关系，设计统一规范的接口管理软件，仅通过界面参数的更改即可实现对动态接口的配置和综合管理。

Claims (10)

1.一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试方法，其特征在于，所述方法包括：

按照飞行管理系统的核心功能，构建飞行管理系统的核心功能模块；

根据支撑飞行管理系统运行的动态环境，构建动态环境功能模块；

基于数据分发服务(DDS，Data Distribution Service)规范，构建通信网络；

利用通信网络，通过IO(输入/输出)模块，对飞行管理系统的核心功能模块和动态环境功能模块，进行配置管理；

基于飞机运行场景和测试用例，对飞行管理系统的核心功能模块，进行测试验证，获得测试数据；

通过IO(输入/输出)模块，对测试数据进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞行管理系统的核心功能模块包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块和推力管理模块。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述动态环境功能模块包括飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、电子飞行仪表系统(EFIS，Electronic Flight Information System)仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块和视景仿真模块。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，输入输出IO模块包括IO管理模块、IO通信模块、IO数据记录模块、IO数据监控模块和故障注入模块，其中：

利用动态接口管理和配置技术构建IO管理模块；

根据总线板卡读写规范构建I O通信模块；

利用SQLite保存记录经过总线的各路信号数据而构建IO数据记录模块；

利用基于时间同步的动态数据监控技术构建IO数据监控模块；

通过修改存储器或寄存器内容来模拟硬件或软件故障的发生，通过改变软件执行的指令系统、数据，或在软件中预设故障程序的方法，构建故障注入模块。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建飞行管理系统的核心功能模块，具体包括：

根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件，构建导航数据库管理模块；

根据民机规范的飞行计划信息，管理飞行计划模块的直线段、转弯段和垂直飞行计划；

利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建综合导航模块；

利用航段预测和航路点状态预测算法构建轨迹预测模块；

利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法，构建飞行导引模块；

利用多功能控制显示单元(MCDU)实现人机交互模块功能；

根据性能数据库和性能计算模型实现性能计算模块；

利用基于推力目标的推力指令算法构建推力管理模块。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建动态环境功能模块，具体包括：

根据目标机型开源数据搭建飞行仿真模块；

利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑搭建飞行控制系统仿真模块；

利用目标机型发动机输入输出参数搭建发动机仿真模块；

根据飞行仿真数据和叠加噪声信号实现传感器仿真模块；

根据EFIS具备的人机交互元素构建EFIS仿真模块；

根据目标机型自动飞行逻辑构建控制面板仿真模块；

根据场景参数配置和飞管系统测试需求完成场景编辑模块；

利用操纵模拟设备和数据采集软件实现飞行操纵系统仿真模块；

利用高程和卫片数据进行渲染，结合机场和机型建模构建视景仿真模块。

7.一种基于功能模块化的飞行管理仿真测试系统，其特征在于，飞行管理仿真测试系统包括导航数据库管理模块、飞行计划模块、综合导航模块、轨迹预测模块、飞行导引模块、人机交互模块、性能计算模块、推力管理模块、飞行仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、场景编辑模块、飞行操纵系统仿真模块、视景仿真模块、IO模块，其中：

导航数据库管理模块与飞行计划模块连接，导航数据库管理模块的输出与综合导航模块、EFIS仿真模块连接；飞行计划模块与导航数据库管理模块、轨迹预测模块、人机交互模块连接，飞行计划模块的输出与EFIS仿真模块连接；轨迹预测模块与飞行计划模块、推力管理模块、性能计算模块连接，轨迹预测模块的输出与飞行导引模块、EFIS仿真模块连接；综合导航模块与人机交互模块连接，综合导航模块的输入与导航数据库管理模块、传感器仿真模块连接，综合导航模块的输出与飞行导引模块、EFIS仿真模块连接；人机交互模块与飞行计划模块、综合导航模块、推力管理模块、性能计算模块连接，人机交互模块的输出与EFIS仿真模块连接；飞行导引模块的输入与轨迹预测模块、综合导航模块连接，飞行导引模块的输出与推力管理模块、性能计算模块、飞行控制系统仿真模块、EFIS仿真模块连接；推力管理模块与轨迹预测模块、人机交互模块连接，推力管理模块的输入与飞行导引模块连接，推力管理模块的输出与发动机仿真模块、EFIS仿真模块连接；性能计算模块与轨迹预测模块、人机交互模块连接，性能计算模块的输入与飞行导引模块连接，性能计算模块的输出与发动机仿真模块、EFIS仿真模块连接；传感器仿真模块的输入与飞行仿真模块连接，传感器仿真模块的输出与综合导航模块、EFIS仿真模块连接；EFIS仿真模块的输入与传感器仿真模块、控制面板仿真模块、飞行仿真模块、所有飞行管理系统核心功能模块连接；控制面板仿真模块的输入与飞行仿真模块连接，控制面板仿真模块的输出与EFIS仿真模块、飞行控制系统仿真模块连接；飞行控制系统仿真模块与飞行仿真模块连接，飞行控制系统仿真模块的输入与飞行导引模块、控制面板仿真模块、飞行操纵系统仿真模块连接；飞行操纵系统仿真模块的输出与飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块连接；发动机仿真模块的输入与推力管理模块、性能计算模块、飞行操纵系统仿真模块连接，发动机仿真模块的输出与飞行仿真模块连接；飞行仿真模块的与飞行控制系统仿真模块、场景编辑模块连接，飞行仿真模块的输入与发动机仿真模块连接，飞行仿真模块的输出与传感器仿真模块、EFIS仿真模块、控制面板仿真模块、视景仿真模块连接；场景编辑模块与飞行仿真模块连接；视景仿真模块的输入与飞行仿真模块连接。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，飞行管理仿真测试系统内的各个模块根据DDS规范构建实验室网络而相互连接。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述导航数据库管理模块，根据符合ARINC424标准的导航数据库，利用SQlite数据库管理软件构建；

所述综合导航模块，利用导航融合算法、导航模式管理逻辑、实际导航性能算法、无线电导航调谐算法构建；

所述轨迹预测模块，利用航段预测和航路点状态预测算法构建；

所述飞行导引模块，利用基于偏航距/偏航角的水平导引算法，和基于高度/速度目标的垂直导引算法构建；

所述推力管理模块，利用基于推力目标的推力指令算法构建。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

飞行仿真模块，根据目标机型开源数据搭建；

飞行控制系统仿真模块，利用目标机型飞行控制率和自动飞行逻辑搭建；

发动机仿真模块，利用目标机型发动机输入输出参数搭建；

传感器仿真模块，根据飞行仿真数据和叠加噪声信号实现；

EFIS仿真模块，根据EFIS具备的人机交互元素构建；

控制面板仿真模块，根据目标机型自动飞行逻辑构建；

场景编辑模块，根据场景参数配置和飞管系统测试需求构建；

飞行操纵系统仿真模块，利用操纵模拟设备和数据采集软件构建；

视景仿真模块，利用高程和卫片数据进行渲染，结合机场和机型建模构建。

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