基于FlightGear的无线电高度表动态试验环境

李震华 陈志雄 朱晓飞

摘  要：依据飞机无线电高度表功能验证的需要，本文利用FlightGear平台资源和ALT-8000组成了无线电高度表系统动态试验环境，可以模拟飞机起降过程，完成基于飞机运行场景的无线电高度表功能验证。FlightGear提供了飞机模型及飞机环境模型，搭建无线电高度表的外部仿真环境，ALT-8000提供了无线电高度表的动态激励信号，整个动态试验环境可以完成基于场景的无线电高度表性能、指标测试。

关键词：无线电高度表  场景验证  系统集成验证  试验环境

中图分类号：V279                             文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0017-04

Abstract： According to the requirements of verifying the functions of aircraft radio altimeter， this paper formed the dynamic test environment of radio altimeter system with resources from FlightGear platform and ALT-8000， which can simulate the taking off and landing process of aircraft， and complete the verification of functions of radio altimeter based on scene and aircraft radio altitude scene. FlightGear Provided models of the aircraft and the environment outside the aircraft， for building external simulation environment of radio altimeter.ALT-8000 provide dynamic excitation signal for the radio altimeter. The whole dynamic test environment can complete the dynamic verification of radio altimeter performance based on the scene.

Key Word： Radio altimeter; Scene verify;System integrated verify;Test environment

无线电高度表是飞机上必不可少的导航设备，用于测量飞机距离地面（海面）的真实高度，一般由發射天线、接收天线、收发机和指示器组成。无线电高度表是利用测量电磁波传播延迟时间来确定地球表面上空飞行器的高度。无线电高度表利用机载发射天线发射一个探测信号，并接收由地面反射的回波信号。在测量至反射表面的高度H时（H为高度表在反射表面上空的高度），无线电高度表的发射机和接收机放在同一运载飞行器上，这时反射信号相对发射信号的延迟时间为t，H=ct/2。其中c为电磁波传播速度。本文介绍利用FlightGear和ALT-8000组成了无线电高度表系统动态试验环境，可以模拟飞机在起降过程，完成基于场景的无线电高度表功能验证及飞机无线电高度功能场景验证。

1  基于FlightGear的无线电高度表动态试验环境设计背景

无线电高度表测试国内外目前的测试方法发展趋势由过去静态测试逐渐发展为动态激励测试，静态激励虽然可以对设备大部分接口性能及功能进行验证测试，但是无法验证设备在真实复杂环境下的工作状态。因此从飞机系统集成的角度，需要设计一种高度逼真的动态试验环境对无线电高度表进行全面的测试验证。FlightGear作为航空界应用较为广泛的多平台飞行模拟软件，其目标之一就是搭建先进开源飞行模拟器框架，用于科学研究和教学实践。因此基于FlightGear开发复杂飞行环境仿真激励环境来开展无线电高度表动态验证在民机研发工作中有着广泛的应用前景。

2  FlightGear简介

FlightGear主要由动力学模型系统、驾驶舱系统、仪表系统、视景显示系统、音效系统、助航系统、自动驾驶系统等组成。系统启动后，显示一个包括飞机、机舱仪表、天空状态、机场跑道、地形环境等仿真图形环境。可以准确逼真地模拟真实的飞机环境，如：地图场景，云雨，湍流等大气环境模拟，支持多飞行器飞行，可以模拟真实的空中飞行交通环境等。软件具备平显、仪表板、电子导航系统、机场与跑道以及网络互联操作等众多的特性，还提供了空中交通管制，平行显示系统，自动飞行等功能。

3  无线电高度表动态飞行激励系统工作原理

无线电高度表动态飞行激励系统主要由飞行仿真系统，射频激励系统和视景系统组成。飞行仿真软件主要为无线电高度表提供飞行参数数据，飞行仿真软件中的飞机模型可以按照选定的飞行剖面图按固定航路点进行模拟飞行，该软件可以将配置好的航路点通过UDP/TCP网络发给数据交互通信系统，并经过数据交互通信系统打包后发给射频激励系统。射频激励系统可以通过同轴电缆将射频信号注入到无线电高度表设备中，使无线电高度表输出动态飞行参数数据。视景软件可以将飞机的实时状态显示出来，为测试人员提供良好的视觉效果，增强试验的可操作性。无线电高度表动态飞行激励系统显示效果如图1所示。

从图1可知，飞行仿真软件通过接受驾驶杆反馈的信号，进行飞控模型结算，并将飞机姿态等特性参数传输到视景仿真模型，驱动飞机的动作响应和视景显示。通过调取航线数据库中航路点信息，计算飞行轨迹和方位，建立无线电高度表及其它相关系统仿真模型，并通过UDP/TCP协议实时传输到射频激励设备，驱动通信导航监视设备工作。

4  无线电高度表激励系统组成

无线电高度表的激励采用艾法斯公司开发的无线电高度表激励专用设备ALT-8000。ALT-8000已经被用来测试多款的无线电高度表，可以面向4.3GHz FMCW（调频连续载波）无线电高度表和脉冲式无线电高度表的测试，ALT-8000设备可以直接连接接收机或利用天线耦合器工作，仿真射频环路测试，检测发射机、接收机、天线、馈线故障，可编程多航段爬升/下降曲线测试，收发测试方面用于比率测试、跟踪灵敏度、发射频率测试、发射功率测试、发射机扫描速度测试、发射扫描偏频测试、天线连接造成的TX-RX交互耦合问题检测、高度变化曲线仿真、发射机脉冲宽度测试、发射机脉冲重复频率测试。激励设备与无线电高度表的连接关系如图2所示，可以直接连接被测无线电高度表收发机或通过天线耦合测试。

5  基于FlightGear 的无线电高度表仿真试验环境

经过对于无线电高度表动态飞行激励系统以及无线电高度表激励系统的研究最终搭建出了基于FlightGear的无线电高度表仿真试验环境，该试验环境主要利用FlightGear可以仿真测距机的外部数据环境，其中数字激励信号（经度、纬度、高度数据）可以通过以太网接口发送给ALT-8000设备，主要架构如图3所示。

ALT-8000设备可以通过网线与远程控制设备连接。远程控制设备可以接收飞行激励系统发出的飞机的实时无线电高度数据，并通过以太网将实时高度数据指令下达到ALT-8000，激励无线电高度表输出相应高度数据，高度数据反馈回飞行仿真系统对数据进行监控，同时无线电高度表返回数据可以用来激励真实飞机显示器或者图形开发软件所开发的显示画面形成完整的闭环试验环境，如图4所示。无线电高度表动态激励设备从飞行仿真系统中接收的数据参数为Altitude（RA）对应飞行仿真数据为/position/gear-agl-ft。通过Python编写接口通信程序，来接收FlightGear发出的飞行数据参数转发给ALT-8000设备用于仿真激励。

基于该仿真验证环境架构，在试验室连接真实的无线电高度进行了测试验证，无线电高度表可以接收从FlightGear发出的参数信号并且显示画面上无线电高度表的值可以实时变化响应。证明其可适用于无线电高度表接口性能验证、软件功能验证以及模拟复杂飞行环境对无线电高度表造成的影响，可以全面模拟出无线电高度表在工作中所遇到的各类情况，便于设计维护人员进行问题分析定位。

6  对于未来展望

该动态试验环境架构也可以用于其他通信导航系统设备测试激励环境的研发，为测距仪设备、甚高频设备、仪表着陆系统、自动定向机、空中防撞告警系统设备等提供同样的动态试验环境，从而建立起一套完整的通信导航系统动态飞行激励环境。

7  结语

本文概要介绍了基于FlightGear的无线电高度表动态试验环境设计，该动态试验环境可以完成基于场景的无线电高度表功能集成验证试验。可以应用于无线电高度表研发的各个阶段，对无线电高度表进行充分的集成验证，同时依据该动态试验环境架构提出未来展望，为后续通信导航监视系统动态飞行激励提供了方向。

参考文献

[1] 彭卫东，廖文宇，张熙，等.基于FlightGear的综合航电主飞行显示器设计[J].航空计算技术，2018，48（1）：87-90.

[2] 张应猛.无线电高度表通用试验器设计研究[C].中国航空学会.2019年（第四届）中国航空科学技术大会论文集.中国航空学会：中国航空学会，2019：170-175.

[3] 王岳，汪磊，郭世广.基于FlightGear/Matlab的运输类飞机飞行仿真实验设计[J].实验技术与管理，2019，36（7）：129-133.

[4] 汪亚杰.用于航电系统架构确认的无线电高度表模拟器设计[J].现代制造技术与装备，2017，24（9）：63-64.

[5] 王云蛟，夏清佩，胡胜，等.某型无线电高度表测试误差分析与解决方法[J]. 现代信息科技，2019，3（6）：36-37，40.

[6] 劉红，张雷.基于JSBsim/Flightgear的六自由度飞行仿真研究[J].中国民航飞行学院学报，2018，29（3）：44-48.

[7] 李伟，郑智明.民用飞机综合监视系统架构及趋势研究[J].科技创新导报，2016，13（10）：15-16，18.

[8] 王静怡.面向飞机航电系统综合的交联系统仿真平台设计[J].科技资讯，2019，17（12）：12-13.