基于测控技术的飞行数据仿真系统设计

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基于测控技术的飞行数据仿真系统设计
The Design of Flight Data Simulation System Based on Measurement and Control Technology
（北京航空航天大学）曲宾李晓白路辉
QU BIN LI XIAOBAI LU HUI 摘要：飞行数据反映了飞机各系统在飞行过程中的状态信息，通过分析飞行数据记录仪中记录的飞行数据，并在此基础上对飞机进行故障诊断、健康状况监测和趋势预测，可以提高飞机飞行的安全性。本文针对飞行数据信号种类多、数量大、精度高等特点，提出了一种基于测控技术的飞行数据仿真系统。系统的设计采用集中控制与分布式控制相结合的网络结构，实现了大数据量飞行数据信号的仿真和验证，满足了飞行数据精度高、实时性强的要求。关键词：飞行数据；仿真；测控技术中图分类号： TP274+.2 文献标识码： A Abstract: Flight data reflects the state of many systems in a plane during the process of flying. Through making a fault diagnosis, monitoring the health state and predicting the trend of a plane after analyzing the flight data which is recorded in the flight data recorder, the plane’s security in flight can be increased greatly. Aimed at the characteristic of flight data signals, a flight data simulation system based on measurement and control technology was proposed. This system has a network structure which combines the method of centralized control and distributed control. The goal to simulate and validate flight data signals in large quantities has been achieved. Key words: Flight Data; Simulation; Measurement and Control Technology
1 引言
飞行数据仿真系统是飞行数据管理系统的一个重要组成部分，该系统通过仿真飞行数据记录仪中记录的飞行数据，为飞行数据管理系统中的地面专家系统对飞机进行故障诊断，健康状况监测和趋势预测等功能提供重要的信息来源。由于飞行数据记录仪当中记录的飞行数据涉及到飞机上多种系统（包括机体结构、发动机、航空电子系统、机电系统、液压、燃油、环控、操纵系统等）所产生的信号，因此信号的种类多（包括模拟信号、离散信号、频率信号、轴角信号和数字总线等）、数量大（同一时刻 500多路），精度高（千分之几或万分之几），且具有时间和量值上的相关性。如何实时、高效的对飞行数据进行仿真是对飞行数据进行分析的重要保障。
随着电子技术的飞速发展，测控技术已成为将现代微电子、计算机、虚拟仪器、信息技术及数据库管理等关键技术相结合的综合性技术。本文研究的飞行数据仿真系统，以测控技术为基础，采用基于 Ethernet的组网方式，将各种总线仪器、控制器、数据库等连接起来组成集中控制与分布式控制相结合的网络化仿真平台，对飞行数据进行仿真和验证，有效的保证了大数据量信号仿真的精确性和实时性。
2 硬件体系结构设计
飞行数据仿真系统主要实现的功能为：对飞行数据信号进行仿真，满足仿真信号类型、数量等指标的要求；对已仿真的信号进行实时验证和调整，保证仿真信号的精确性；显示仿真状态信息，便于用户监控和操作。
根据飞行数据信号的特点和所要完成的功能，飞行数据仿真系统采用以通用工业标准为基础的多种不同总线（ PXI、VXI、LXI和 GPIB）硬件系统组成仿真平台，为了解决多种总线系统组成大系统工作时的协调问题，本系统将各种总线硬件平台、控制器及数据库等通过
Ethernet连接起来，采用集中控制和分布控制相结合的方式对飞行数据信号进行仿真，各系统之间采用 TCP/IP协议进行网络通信。为了明确划分系统各部分的任务关系，飞行数据仿真系统主要分为五大部分，系统硬件结构如图 1所示：
1) 主控计算机：主控计算机是飞行数据仿真系统的中枢，主要负责需求分析，仿真、
采集策略的获取、分发和信号的微调，另外提供系统管理、状态显示等功能。  
2) 仿真控制计算机：主要负责接收主控计算机的仿真策略，控制仿真信号源子系统中
各硬件设备产生仿真信号，同时接收仿真信号源子系统的仿真状态信息并将其回传
给主控计算机。  
3) 仿真验证控制计算机：主要负责接收主控计算机的采集策略，控制仿真信号验证子
系统中各硬件设备对仿真信号进行实时采集，对采集信息进行验证，生成信号的调
整信息并将其发送给主控计算机。  
4) 仿真信号源子系统：仿真信号源子系统由各种总线硬件系统组成，主要负责产生仿
真信号，并将仿真状态信息发送给仿真控制计算机。  
5) 仿真信号验证子系统：仿真信号验证子系统由各种总线硬件系统组成，主要负责采
集仿真信号，并将采集结果发送给仿真验证控制计算机。

图１ 飞行数据仿真系统硬件结构
这种由集中控制和分布式控制组成的实时仿真系统，由于信号的产生和验证由各个相应的子系统控制，大大减轻了主控计算机的负担，使其主要用来监控、协调各子系统的同步执行，对数据进行分析、处理和显示。同时由于各个子系统的任务比较简单，只是控制 I/O模块的运行，实时性很高。因此，本系统既具有集中控制系统控制简单、易于协调的优点，又具有分布式控制系统扩展方便、实时性高的优点。
3 软件体系结构设计
飞行数据仿真系统的软件结构与整个系统的结构保持一致，主要分为主控计算机系统软件、仿真控制计算机系统软件、仿真验证控制计算机系统软件、仿真信号源子系统软件、仿真信号验证子系统软件五大部分协同完成系统功能，结构如图 2所示。主控计算机获得用户的仿真需求，生成仿真策略和采集策略分发给仿真控制计算机和仿真验证控制计算机，仿真控制计算机控制仿真信号源子系统产生所需的仿真信号，并由仿真验证控制计算机控制仿真信号验证子系统对所产生的信号进行实时的采集和验证，同时生成信号的调整信息，发送给主控计算机，主控计算机依据信号的调整信息，生成新的仿真策略和采集策略再次发送，实现该信号的闭环仿真，直至信号符合要求。
图 2飞行数据仿真系统软件结构
在飞行数据仿真系统网络化的体系结构当中，主控计算机软件作为管理中枢，对整个系统的运行进行管理控制，仿真控制计算机和仿真验证控制计算机对各自的子系统进行分布式控制，整个系统间的通信都是通过 Socket套接字实现的，为了保证仿真系统大量数据传输的可靠性，采用面向连接的流式套接字来完成信息的传输。
从应用程序层面，飞行数据仿真系统的软件可以分为用户应用层、仿真和采集程序集层、仪器解析层和仪器控制层四个部分，各层之间通过网络通信进行信息交互。软件结构层次如图 3所示。
1) 用户应用层：面向用户需求，为用户提供需求注入、系统管理及状态显示等各项功
能；  
2) 仿真、采集程序集层：根据用户应用层的需求，生成相应的仿真和采集程序集；  
3) 仪器解析层：采用解析的方式将数据与仪器关联，得到仪器的配置信息；  
4) 仪器控制层：每台仪器均对应一个测试驱动软件，根据仪器解析层获取的仪器配置
信息调用相应的符合 VPP（VXI plug&play）标准的仪器驱动底层函数，实现用户
需求。

4 关键技术
4.1 集中互联技术
由于仿真信号种类多、数量大，为了使系统具有良好的通用性和可扩展性，本系统将仿真信号接收设备和通用 I/O模块产生的信号按统一方式连接，参照 ARINC608A标准设计了一个信号转接中枢集中管理整个系统中激励和测试信号的输入和输出。此信号转接中枢对外采用 ICA（接口连接器组件）结构形式，所有信号全部汇集到 ICA的插座上集中输入或输出，仿真信号的接收设备并不直接与 ICA连接，而是连接到带有 ITA（测试接口连接部件）的测试单元适配器上。
4.2 信号调理
针对飞行数据信号精度高的要求，本系统还执行大量通用调理功能（如放大和衰减、隔离、多路转换等）以保证信号的质量和稳定性。其中，信号的放大和衰减是最关键的，有时通用 D/A或 A/D模块不能满足仿真信号的某些要求（如幅度），这就需要通过放大（衰减）调理来完成仿真信号的产生和采集，另外由于外部信号调理模块靠近信号源或传感器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大（衰减），使信噪比得到改善。
4.3 同步与触发
飞行数据仿真系统需要对飞行数据信号进行实时的仿真和验证，其中有大量的信号需要同步，如 DA产生的模拟信号、AD采集的数字信号、开关信号、同步器信号、电阻信号、电源信号等等。为了保证仿真信号的同步性和实时性，选取一个仿真机箱作为主机箱，主机箱中 PXI-6653板上的 10M高精时钟作为系统的时间基准，其余机箱作为从机箱与主机箱相连。
在系统时钟为信号仿真和验证提供保障的基础上，采用合理的触发方式满足不同模块对触发精度的不同要求。对于 PXI子系统中对同步触发要求严格的 AD/DA模块、任意波形发生器模块、定时器模块等，采用硬件触发方式；对于 PXI子系统的开关模块、VXI子系统的同步器模块、电阻模块、 GPIB仪器、LXI仪器以及不具备硬件触发能力的 PXI及 VXI子系统的各种总线模块，采用通过发送软件命令直接控制模块动作的软件触发方式。
在进行信号的仿真和验证之前需要保证所有的仪器模块正常工作并已完成了自身的配置（包括通道配置、采样时钟配置、触发配置等），对于此问题的解决方案为系统所有的从机箱向主机箱发送一个准备好的信号，主机箱在判断所有从机箱都准备好后才给出控制整个系统开始运行的触发信号。
4.4 多任务的分配调度
仿真信号源子系统和仿真信号验证子系统各自需要同时实现三个任务即网络连接、数据处理和仪器驱动。为了使三类任务合理分配与调度，采用多线程以及合理分配线程优先级的方式来实现。为了保证信号产生的连续性，仪器驱动线程采用高优先级来实现，数据解析线程为中级别线程，网络连接线程主要负责数据的接收和发送，设置为较低级别。
5 结论
本文主要研究了基于测控技术的飞行数据仿真系统，针对飞行数据的特点设计了一种集中控制与分布式控制相结合的实时仿真系统。将系统按功能划分为主控计算机、仿真控制计算机、仿真验证控制计算机、仿真信号源子系统和仿真信号验证子系统五大部分，各系统之间采用 Ethernet-TCP/IP的网络通信方式，通过主控计算机的监控，协同实时进行数据的分析、处理和显示，由于各个系统之间任务划分明确，因而保证了各系统仿真的实时性。同时，通过对仿真信号的实时监控和及时调整，保证了飞行数据信号高精度的要求，为后期对飞行数据的分析奠定了坚实的基础。
本文作者创新点：
（1） 将测控技术应用到飞行数据仿真系统当中，设计了一种网络化集中 -分布式控制的仿真系统对飞行数据进行仿真，为大数据量信号的实时仿真提供了新的思路。
（2）仿真过程采用仿真和验证相结合的方式，保证了飞行数据信号高精度的要求，为飞

机故障诊断、健康状况监测和趋势预测打下了良好的基础。
6 参考文献
1
)杨全法，任章，董伟凡 . 飞行事故调查中的飞行数据记录器译码分析技术 [J]，航空维修与工程， 2004，
5：40-42
2)路辉，李晓白
. 自动测试系统资源模型化设计[J].测试技术学报， 2007，21（1）：53-57.
3)李晓峰，王雅辉
. 嵌入式 Linux在分布式测控系统中的应用[J]，微计算机信息， 2007，23(5-2)：4-5 4) VXIplug&play Systems Alliance.VPP-3.1 Instrument Drivers Architecture and Design Specification Revision

4.1 [S]. 1998-4
7 作者简介曲宾（ 1982-），女，河北人，硕士研究生，主研方向：自动测试系统和计算机仿真研究；李晓白（ 1953-），男，北京人，副教授，主研方向：测控技术、自动测试系统、 ATE等；路辉（1977-），女，博士后，副教授，主研方向：自动测试系统、虚拟仪器、故障诊断等理论研究及应用。 Biography: Qu Bin (1982-), female, Hebei province, master, specializes in automatic test system and computer simulation; Li Xiaobai (1953- ), male, Beijing, associate professor, specializes in measurement and control technology, automatic test system and ATE; Lu Hui (1977- ), female, postdoctoral, associate professor, specializes in automatic test system, virtual instrument and fault diagnosis. (100083 北京北京航空航天大学电子信息工程学院 204教研室 ) 曲宾李晓白路辉 (School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)