飞行模拟器中的大气数据仿真系统设计

樊谕涵，宁伟

（1.中国航空综合技术研究所，北京100028；2.北京蓝天航空科技有限责任公司研发中心，北京100085）

飞行模拟器中的大气数据仿真系统设计

樊谕涵1，宁伟2

（1.中国航空综合技术研究所，北京100028；2.北京蓝天航空科技有限责任公司研发中心，北京100085）

飞行模拟器的分系统建模不同于真实机载系统建模，它以地面件为载体，仅对座舱可见设备做实物仿真，目标是能够覆盖地面及空中的飞行科目和训练任务。因此，对于大气数据系统必须从原理上进行建模，才可满足与飞行模拟器其他分系统的数据交互，逼真地呈现故障、特情等现象。通过阐述飞行模拟器系统框架，了解大气数据仿真系统软件驻留及硬件驱动原理。以系统输入和输出的交联关系整理出软件运行流程，最后通过系统建模及设计实例和仿真输出证明该仿真方法的实用性。该方法已通用于多型号的不同等级模拟器中，功能可覆盖模拟飞行训练全任务要求。

大气数据计算机；ADC；飞行模拟器；飞行训练

0 引言

在飞行模拟训练仿真领域，大气数据仿真分系统的仿真任务是在仅有座舱可见硬件设备的仿真前提下，模拟飞机在空中的各种飞行姿态，并模拟在相应飞行姿态下传感器的量，并将上述模拟传感器的量输入给相应的航空电子系统。使整个航空电子系统在地面实现“在空中”的工作。

该系统作为飞行器的主要系统之一，与发动机、自动控制、导航、火控、空中管制、显示控制及告警系统等系统进行数据交互。其响应特性直接影响飞行模拟训练设备的仿真度水准。而该系统作为仿真系统与真实机载系统最大的不同点就是需要通过软件模型仿真出传感器特性参数。因此，本文结合某飞行模拟训练系统对ADC系统的精细化建模过程进行描述并给予准确性论证。

1 系统组成

1.1 仿真系统架构

通常情况下，大气数据计算机（Atmosphere Data Computer）就是在获得全静压受感器、总温传感器和其他参数（如迎角传感器）输入后，经解算后输出大量的大气数据信息提供给航电火控、飞行控制等系统，因此通常被称为ADC。

以某型飞行模拟仿真训练设备为例，飞行运动学、动力学、飞行控制、电源、燃油、液压等系统仿真软件与ADC系统同时运行在同一台计算机中，即图1所示模拟器主机中，并同时接受主控实时系统调度运行；各系统输入输出数据即主机数据通过以太网或内存反射方式与接口系统交联。接口计算机再通过RS422串行总线激励机载座舱设备，完成控制、驱动及显示。

图1 飞行仿真训练系统结构框架示意

1.2 信号交联

空速管、总温传感器及攻角传感器是大气数据计算机的激励数据，作为大气计算机的原始参数传感器输入信息，仍需要大气数据仿真软件实现模型内容的仿真。该系统与各机载仿真分系统交互关系如图2所示。

图2 ADC在飞行模拟训练系统中的交联示意图

ADC输出的信息主要包括：气压高度（Hp）、相对气压高度（Hc）、马赫数（M）、大气静温（Ts）、校正空速（Vc）、真空速（Vt）、升降速度（Vp）、压力比（ρr）、真攻角（αt）、总温（Tt）及大气密度比（ρ/ρ0）、ADC状态、速压（qc）、失速告警等。

2 仿真软件设计实现

2.1 软件结构

依据图2的ADC总体结构框图信息，软件算法流程图如图3所示。

2.2 传感器数据仿真模型

以国际标准大气的基准数据为基础，在高度32 km以内、标准大气条件下，上述模拟传感器数据具体获取方法如下：

（1）温度T（K），压强p（N/m2）和密度ρ（kg/m3）对于Hp≤11 000的情况下：

图3 软件算法流程图

2.3 大气计算机解算模型

在获取到上述传感器参数后，进入大气计算机，进行如图4所示的解算流程。

图4 ADC数据解算流程

流程中各参数解算可查阅资料获得。例如：

其中，R为气体常数。

3 应用示例

在项目实施过程，ADC系统运行在模拟器主机中，主调用程序以100 Hz为运行周期进行调用，即时间常数τ=0.01 s，依据上述仿真设计方法应用于该实时仿真系统，示例如图5所示。

图5 大气计算机气压高度、升降速度的获取

依据上述大气计算机获取气压高度和升降速度的方法，截取在包含侧风等气象环境下，操作某型号飞行模拟器，完成一个起降过程的高度数据信息仿真，得到如图6~图8所示结果。

图6 实时飞行高度记录

图7 大气计算机输出气压高度

图8 大气计算机输出升降速度

4 结束语

该大气数据系统仿真设计方法已应用于一些型号全任务飞行模拟器和高等级模拟器中。大气数据系统建模方法及仿真思路着眼于工程实践及应用，具备严谨性的同时完成了“空中”飞行参数的生成，包括传感器特性的仪表驱动显示，能满足各等级模拟器的飞行任务训练要求，并达到较为逼真的人机交互显示效果。

[1]史国庆，张建东，高晓光，等．大气数据计算机仿真系统可信度评估[J]．西北工业大学学报，2011，29（4）：295－299．

[2]袁梅，鲍鹏宇，董韶鹏，等．大气数据实验系统设计与实现[J]．实验技术与管理，2009，26（2）：62－66．

[3]姜华南．大气数据计算机仿真系统设计与仿真可信度的评估[D]．西安：西北工业大学，2007．

[4]马娟．数字式大气数据计算机的软件设计与实现[D]．西安：西安电子科技大学，2012．

[5]李昕．大气数据模拟器设计研究[J]．北京联合大学学报，2009（5）：35-38．

Design of air data simulation system in the flight simulator

Fan Yuhan1，Ning Wei2
（1.China Aero-polytechnology Establishment，Beijing 100028，China；2.Beijing Bluesky Aviation Technology Co.LTD，Beijing 100085，China）

Flight simulator system modeling is different from real airborne system modeling，because we do real simulation only to the equipment that we can see in the cabin.Flight simulator system modeling is for complete air flight course and the training task.Therefore，the air data system，must carry on the modeling in principle，so as to meet with other subsystems of flight simulator data interaction，the malfunction phenomenon.Via elucidating the flight simulator system framework，we get knowledge of atmospheric data simulation system software resides and hardware drive principle.We collect the relationship of system input and output to finishing the software running processes.The method is widely used in many models of different levels in the simulator，and its functions cover simulated flight training mission requirements.

air data computer；flight simulator；flight training

V249.32

A

1674-7720（2015）13-0021-03

2015-05-01）

樊谕涵（1986-），男，硕士，主要研究方向：信息编码。