综合航电系统半实物仿真技术研究

关键词：综合航电系统；半实物仿真；系统测试；实时性

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）25-0090-04

0 引言

随着通信技术和计算机技术的快速发展，军用武器装备的设计和作战模式正经历前所未有的变革。在这样的背景下，对武器装备的保障需求也展现出新的特征，即在确保基本功能达标的同时，对装备的整体作战效能提出了更高要求。机载航电系统在现代军用飞机中扮演着至关重要的角色，它不仅是信息感知、显示处理和武器交联的核心，其技术性能和战术表现直接关系到飞机的作战效能[1]。雷达、电子战和光电雷达等关键航电设备的性能表现，直接或间接地影响飞机在复杂战场环境中的应对能力和生存能力。因此，对这些航电系统进行科学、有效的性能评估，不仅是精准识别系统缺陷和故障的关键，更是提升飞机整体战斗力的重要保障。综上所述，随着现代武器装备技术的不断进步，对航电系统性能评估的准确性和全面性提出了更高要求。这不仅需要科研人员和技术人员具备深厚的专业知识，还需要不断创新评估方法和手段，以适应不断变化的战场需求和作战环境。

半实物仿真作为一种先进的仿真技术，为复杂工程系统，特别是机载航电系统等高端装备的研发和验证提供了强有力的支持[2]。其核心在于通过构建真实的物理环境，将仿真设备与待测对象相结合，形成物理模型与数学模型的联合仿真试验。这种方法不仅能够在不依赖实际设备的情况下模拟真实的工作环境，还可以有效缩短开发周期、降低成本，并提高测试效率和准确性[3]。由于传统的数字仿真模型缺乏航电设备适配的模拟战场环境，存在仿真精度不高、实时性不强等缺陷。针对这一问题，本文深入研究了机载

设备半实物仿真技术，并基于多型飞机航电综合环境，构建了一个机载航电系统半实物仿真平台框架。这一框架旨在模拟真实的战场环境，以提供对航电设备及系统性能进行全面评估的支持。

1 国内外研究现状

在综合航电系统半实物仿真技术的研究方面，国外的研究起步较早，特别是欧美等发达国家，技术水平和应用成熟度相对较高。近年来，国外的综合航电系统半实物仿真技术呈现出以下几个显著特点：

1） 仿真平台构建日益完善。国外的研究机构和企业已经建立起一系列先进的仿真平台，这些平台能够支持高精度模拟和实时性能评估[4]。例如，美国NASA开发的先进航电系统仿真平台，能够模拟复杂的飞行环境和航电系统交互，为飞行器的设计和测试提供了强有力的支持。

2） 仿真算法持续优化。为提高仿真的准确性和效率，国外研究人员不断对仿真算法进行优化和创新，利用先进的数学模型、机器学习等技术，提高系统的预测能力和实时响应速度。

3） 多领域协同仿真成为趋势。随着航空技术的不断发展，综合航电系统与其他系统的交互日益复杂。因此，国外研究人员开始探索多领域协同仿真的方法，将航电系统与其他系统进行集成仿真，以更全面地评估飞行器的性能。

4） 标准化和规范化程度不断提高。为了推动综合航电系统半实物仿真技术的广泛应用和持续发展，国外的研究机构和企业开始重视标准化和规范化工作，并制定了一系列标准和规范，为仿真系统的设计、开发和应用提供了统一的指导。

国内在该领域虽然起步较晚，但也取得了显著的进展。国家高度重视航空技术的发展，投入了大量资源进行研究和创新。目前，国内的研究现状呈现出以下几个特点：

1） 技术研发取得重要突破。国内研究机构和企业已成功开发出多套综合航电系统半实物仿真平台，并在实际应用中取得了良好的效果。这些平台不仅支持高精度的模拟和实时性能评估，还具备较高的可扩展性和灵活性[5]。

2） 应用领域不断拓宽。随着国内航空工业的快速发展，该技术的应用领域也在不断拓宽。除了传统的军用飞行器外，该技术还开始应用于民航、无人机等领域[6]。

3） 产学研合作日益紧密。为了加快该技术的发展和应用，国内研究机构、高校和企业之间建立了紧密的产学研合作关系，共同开展技术研发、人才培养和成果转化等工作，推动该领域技术进步和产业发展。

综上所述，国内外在综合航电系统半实物仿真技术研究中各有特点和发展优势。随着航空技术的不断进步和应用需求的不断增长，该领域研究将更加深入和广泛。

2 系统设计概述

本文提出了一种基于半实物平台的机载综合航电设备仿真方案。在此方案中，飞机的各个子系统或单元被虚拟化，但各单元之间的通信接口依然采用实物形式，确保传递的信号是真实的物理信号。这些虚拟化的单元在计算机系统内部运行，通过数据驱动或仿真驱动的方式接收来自真实环境的输入信号，并在相应的接口处生成相应的应答信号。这种模拟方案的结构可以参照图1进行理解。

3 系统架构

机载综合航电仿真系统的结构主要包含硬件架构和软件架构两个关键组成部分。硬件部分主要包括仿真计算机、传感器、综合信息处理设备、飞机前舱显示设备和飞机后舱控制器等设备，以仿真计算机作为主控单元，结合配套的外围功能电路，实现数据的采集以及控制指令的生成。软件部分主要包括系统综合测试软件、接口测试软件和地面塔台指挥控制软件等，用于承担仿真系统的数据分析与逻辑处理任务，并为用户提供直观的人机交互界面。通过该硬件和软件架构，机载综合航电仿真系统能够提供一个逼真的、可定制的机载航电模拟器，以提供对真实环境功能验证的技术支撑。同时，系统设计增加了冗余设计和故障检测与隔离功能，能够有效提高系统的可靠性。

3.1 硬件设计

系统硬件部分由多个模块组成，主要包括航电显控设备、测试计算机、交换机、航插线、各型号接口模块等。这些硬件设计共同协作，为系统提供了强大的硬件支撑。在硬件设计过程中，需要综合考虑设备的稳定性、易用性和可维护性，以确保仿真系统的高效稳定。

综合信息处理设备，主要负责机上其他设备的数据转发控制，完成对通信及链路设备的控制管理任务。能够接收导航、雷达等设备发送的状态数据，并转发到飞机前舱显示器和地面塔台。

飞机前舱显示器，是机载综合航电仿真系统的关键模块，主要负责处理和显示飞机的各种信息。其主要功能包括：接收系统数据、生成相应显示画面、并按照画面的设计要求在相应的画面下显示地图背景、接收并处理显示器周边键完成对显示画面的人机交互操作、完成画面的调度切换和显示器视频输入及视频叠加的控制、接收与回复地面塔台发送至显示器的信息。

飞机后舱控制器，是机载航电仿真系统的显示控制终端，用于综合信息处理系统相关信息显示与操作，实现飞机与地面塔台的通信与信息交互。

接口模块，是连接各个子系统和传感器的重要桥梁。该部分主要包括ARINC429、RS422等串口通信模块，UDP、TCP 等网络通信模块，信号采集模块[7]。这些接口模块支持多种数据格式和通信协议，接收、转换和传输各类数据，以确保系统各部分之间的通信和协作。

通信电台计算机仿真模块，用于模拟飞机的电台通信功能，通过接收和发送模拟信号，模拟真实的通信环境，为飞行员提供真实的通信体验。该模块能够模拟各种通信场景，如地面塔台的指令、其他飞行器的无线电通信等。同时，该模块与飞机后舱控制器通过RS422串口连接，通过控制口和数据口的交互，模拟通信显示控制器对电台参数的修改及相关信息的显示。

惯导计算机仿真器，提供速度、加速度、姿态、航向和经纬度等参数信息，这些数据不仅用于控制飞机的飞行，还为其他航电系统和飞行员提供关键的导航信息，保证本系统的完整性和可靠性。

雷达计算机仿真器，具有空/ 空模式和空/地模式，可进行搜索、测距和跟踪等功能[8]。通过相关接口协议，雷达仿真器可以将模拟的相关信息发送至综合信息处理设备主机，并将雷达相关参数发送至飞机前舱显示器进行显示。

塔台计算机仿真器，在机载综合航电仿真系统中起着重要的作用。该设备通过对数据的采集、处理和分析，模拟显示的交互，与飞机间的信息反馈与控制，故障的模拟与训练等功能与其他航电系统配合使用，形成一个完整的机载综合航电仿真系统。帮助飞行员更好地理解塔台操作流程和规范，提高飞行的安全性。

3.2 软件设计

本系统采用面向对象的仿真设计方法。在Win⁃dows 7 64-bit操作系统环境下，使用Qt和C++进行系统开发，为用户提供了一个综合、便捷的环境，用于系统调试和仿真结果分析。用户可以轻松进行参数设置，控制仿真进程，并实时观察相关数据。图2为本系统软件模块结构框图。

系统采用多线程MVC（Model-View-Controller）软件架构，实现视图与数据分离。多线程技术使得程序的运行效率显著提升。由于本系统为半实物仿真，系统的仿真时钟的走动和自然时钟必须保持同步，因此，仿真系统需要达到实时性的要求。本文采用RK4 算法进行系统的实时仿真，提升系统的实时性。

为了增强系统的可靠性和稳定性，本系统采用了完全独立的进程模块设计，各进程模块间只能通过提供的共享内存区进程间数据共享。这种隔离机制有效防止了软件错误的发生和扩散，将其局限在单个进程内部，提高了系统的稳定性和可靠性。

3.2.1 软件仿真模块

软件仿真模块是机载综合航电仿真系统的核心，为系统整体运行提供必要的支持和验证。

飞行控制仿真模块，主要负责模拟飞行控制软件，通过接收飞行姿态、速度等参数，模拟飞行控制软件的运行逻辑，并输出相应的控制指令。

导航仿真模块，主要负责模拟飞机的导航软件。该模块通过接收地图数据、定位信息等输入，模拟导航软件的运行，提供航线规划、地图显示、定位服务等功能。

通信和协同控制仿真模块，主要负责模拟飞机与其他系统或设备之间的通信和协同控制过程。这个模块可以模拟通信协议、协同控制算法等，提供给飞行员与其他系统或设备进行通信和协作的能力。

3.2.2 软件控制模块

软件控制模块是整个仿真系统的核心，负责协调和控制系统中的各个部分，确保仿真过程的准确性和可靠性。

系统初始化：在仿真开始时，该模块负责配置和启动整个仿真系统，即初始化硬件设备、加载必要的软件模块、设置仿真参数等。

任务调度：该模块负责管理和调度仿真任务，确保各个模块之间的协调运行。该模块需要根据仿真需求和系统资源，合理分配任务，并监控任务的执行情况。

数据采集与处理：该模块需要从仿真硬件设备中采集数据，包括传感器数据、控制信号等。此外，还需要对这些数据进行处理和分析，转化为有用的仿真信息。

输出控制：根据处理后的数据和仿真需求，该模块需要向硬件设备发送控制指令。这些指令包括飞行控制指令、传感器控制指令等，以实现仿真的动态过程。

3.2.3 塔台软件显示模块

塔台软件显示模块是该系统的重要组成部分，主要将塔台收到的航电系统的状态信息、飞行数据和相关操作可视化，以便用户能够清晰地获取这些信息并进行相关的操作。

数据可视化：接收来自软件控制模块的飞行数据和航电系统状态信息，将这些数据转化为图形、文字、图像等信息。通过该模块，塔台可以直观地获取飞机的飞行参数和实时状态信息，从而更好地监控和管理飞机的运行状态。

实时数据更新：根据系统状态的变化实时更新显示页面，使塔台能获取最新的飞行和航电系统信息。

交互操作设计：根据需求文档，设计相应的交互操作功能，使塔台能够通过软件显示模块对飞机数据进行显示与控制。

3.2.4 数据处理模块

该系统的数据处理模块是负责收集、处理和传输飞行数据的关键部分。

模块从仿真器中的各种传感器和输入设备采集实时数据，这些数据包括飞行参数、气象信息、塔台操作指令以及其他相关数据。该系统采用多种数据采集方式，包括传感器采集、模拟信号的输入、数据接口采集等方式，以确保全面、高效地获取所需数据。

在数据采集完成后，进行数据清洗和预处理，去除无效、错误或重复的数据，并根据制定的标准协议对数据进行必要的格式转换和标准化，以便后续的数据分析和转发。

经过处理后的数据需要实时传输给仿真器的其他模块，如显示系统、控制系统等。本系统的数据传输采用TCP/UDP网络协议、RS422、ARINC429串口通信等方式，满足系统对数据传输的高要求。

为了方便分析和查询，系统将重要的数据（如飞行数据、气象数据等）存储在数据库中，并提供便捷的数据查询、更新和管理机制。同时，为了确保数据的完整性和安全性，系统采取了必要的预防措施：通过定期备份数据，有效降低了数据丢失或损坏的风险[9]。

3.2.5 通信模块

通信模块负责处理综合信息处理设备主机与系统各仿真设备间的数据传输。通过支持多种协议，能够对数据封装、解封装和转换操作，使得通信模块能够与系统的其他设备进行高效、可靠的数据交互。该模块能够检测并处理各种错误，如数据丢失、传输错误等，并采取相应的措施。

4 半实物系统功能验证

利用综合航电仿真系统模块化的设计理念，整个系统运作流程以主模块为核心，通过激活适当的功能模块，完成系统初始化操作。同时，根据系统当前承担的任务状态，主模块精确调控各个线程的运作流程。系统运作流程如图3所示。

本文系统功能验证占据了重要的位置，它是验证本文提出的系统是否达到预期设计目标的关键环节。

首先，对系统的实时性进行验证。通过设定不同的仿真任务，并记录下每个任务的响应时间，通过对比本论文系统与传统模型在实时性方面的表现。实验结果表明，本文系统能够在极短时间内完成复杂的仿真任务，并实时输出仿真结果，具有较高实时性。

其次，对系统的准确性进行验证。通过对比仿真结果与实际飞行数据，对系统的仿真准确性进行评估。实验选取了多个典型的航电系统场景进行仿真，并将仿真结果与实际的飞行数据进行了对比。结果显示，本论文系统的仿真结果与实际数据高度吻合，从而验证了系统的高准确性。

最后，对系统的故障模拟与诊断能力进行验证。通过模拟不同类型的故障，并观察系统的响应和诊断结果，评估系统在故障识别和定位方面的性能。实验结果显示，本论文系统能够准确快速地识别出各种故障，并给出相应的诊断建议，从而验证了系统强大的故障模拟与诊断能力。系统性能指标如表1所示。

上述实验测试数据表明，本文设计的半实物仿真系统在使用先进的实时算法及多线程设计后，相比于传统的数字仿真系统体现出更高的实时性；本文系统与传统的纯软件仿真系统比较，由于有硬件设备的参与，发送的数据符合串口协议的要求，仿真数据更加真实有效；传统典型系统在故障模拟与诊断方面通常较为有限，难以全面覆盖各种可能的故障模式。而本论文系统通过构建丰富的故障模拟库和先进的故障诊断算法，能够模拟出更多种类的故障模式，并准确诊断出故障原因。综上所述，本文系统的性能指标都达到了设计要求。

5 总结与展望

本文介绍了机载综合航电仿真系统的开发与实现。通过模拟机载航电系统，该仿真系统为工程师和飞行员提供了一个逼真的测试和训练环境。试验结果表明，该系统在综合信息处理设备、飞机前舱显示器、飞机后舱控制器与其他航电设备的功能及性能验证中，其实时性、可用性和准确性相比传统的数字仿真模型有所改进。为之后真实的设备研发与系统联试提供了理论依据。未来，单位将继续对该仿真系统进行改进和完善，以提高其性能和拓展性，更好地服务于航空工业的发展。