光传飞行控制系统实现技术分析

[摘 要]相对于电传操纵，光传操纵具有抗电磁干扰、传输容量大和体积小重量轻等优点，是未来飞行控制技术发展的趋势和研究热点。本文以舰载机起降光传飞行控制地面半物理仿真验证平台建设为引导，对光传飞行控制计算机系统、信号光传/能量电传作动器系统、光传现代飞行控制律以及光传余度实现等关键技术进行了设计开发与仿真验证，研究成果对光传飞行控制系统的设计与工程实现具有重要的理论意义和工程实用价值。

[关键词]光传操纵 飞行控制系统 设计

中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0010-01

飞行控制系统是民用飞机的关键系统之一，将飞行员输入命令，传感器输入，经过控制律解算，产生驱动飞机舵面运动的指令，驱动飞机副翼，升降舵，方向舵等控制面的运动，改变飞机运动方向和速度。其涉及部件种类多，部件间交联关系复杂，功能安全性要求高（一般要求丧失控制的概率低于1E-9）。典型飞控系统包括：飞行控制计算机，作动器控制，位置、角度传感器和飞机舵面等组成。飞控计算机、作动器和传感器间通过先进数字总线，包括点对点数字Arinc429总线，可保证数据传输安全性的Arinc664网络等连接起来，构成整个飞行控制系统的处理核心。

1、飞机光传飞控系统架构

第一，根据光传飞行控制系统工程化实现的需求，提出了一种舰载机光传飞行控制地面半物理验证系统的结构和实现方案，并对其中的主要组成部件的功能、实现方案进行了分析与设计，由于该地面半物理验证系统具有多功能、模块化和开放性等特点，因此对相关领域的研究具有重要的工程应用价值。

第二，针对光传飞行控制计算机系统工程实现的需要，提出了一种模块化、开放性光传飞行控制计算机系统的实现方案，并重点研制了光传飞行控制计算机输入/输出底板、MIL-STD-1773光总线等核心硬件，建立了相应的开发样机。性能测试表明，该光传飞行控制计算机系统具有重量轻、体积小、数据传输速率高、可靠性好、结构简单易于实现等特点，可直接移植应用于我国新一代的军民用飞机的光传飞行控制系统中。

第三，针对光输入作动器系统的实际需求，提出了一种信号光传，能量电传的作动器系统实现方案，研究并开发了其中的关键功能模块、直流伺服电动机数学模型以及双回路PI控制律等，建立了相应的开发样机。动静态性能测试表明，该作动系统具有体积小、重量轻、输出扭矩大、动态响应快、控制精度高、抗干扰能力强等优点，具有重要的工程应用价值。

第四，针对舰载机光传飞行控制系统实现的要求，在建立和分析某型舰载机非线性气动力学的基础上，开发了一种基于模糊参数自适应的显模型跟踪控制系统，阐述了其控制机理，给出了设计方法，并最终建立了舰载机目视引导的光传验证系统。仿真验证表明，该光传着舰系统具有优良的自适应性和动态特性，具有工程应用前景。

第五，为了提高光传飞行控制系统的可靠性和容错能力，给出了一种基于光交叉通道数据链路的三余度光传飞行控制系统结构，在此基础上提出了一种具有故障容错能力的光交叉通道数据链路，建立了马尔可夫可靠性数学模型，建立了相应的开发样机。仿真验证表明，该数据链路具有多故障工作能力，且结构简单、易于维护和工作稳定。最后建立的三余度光传综合火力/飞行控制三维可视化仿真平台，为我国光传飞控余度技术的验证与开发提供了通用平台。

2、光传飞控系统技术的实现

2.1 冗余技术

冗余是用多个低可靠性部件构成高可靠性系统的常用方法。冗余技术一般分为四种：硬件冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余。

硬件冗余通过相似或非相似的多个硬件，实现相似功能，以达到提高可靠性的目的。硬件冗余成本较高，一般只有最关键的功能才采用硬件冗余手段。在权衡是否采用硬件冗余时，主要应考虑：系统能耗，散热能力和空间等约束。硬件冗余用于架构级，如多台飞控计算机，多个舵面做动器等。

软件冗余是提高软件可靠性的措施，包括非相似软件，多版本软件等形式。由于软件和硬件产品具有完全不同的特性，传统提高软件可靠性主要通过过程审查方式，DO-178B中对此进行详细指导。但依然对设计错误无能为力，因此通过软件冗余来减缓设计错误。但这两种方式的金钱和时间成本相当高，需要进行仔细权衡。

时间冗余：当任务调度周期较长时，一些任务如果需要，可以重新运行，这样仍能够满足任务时间要求。最简单的是retry，即重新执行失败的指令。还包括：返回到受影响计算的前一个检查点，继续开始；或从开始重新进行所有计算。时间冗余主要应用在软件设计中，需要权衡的方面包括：程序储存检查点处的状态和信息所需的存储区。

信息冗余：这是在数据层级，即应用层数据传输时，为保持数据传输完整性，在数据载荷中可加入奇偶校验，或CRC码，提高数据交付的完整性，探测传输中的错误。可以看出，信息冗余是这四种冗余手段中最低级的方式，只应用于信号层，以损失数据有效载荷来换取可靠性提高。

2.2 表决监控

冗余技术应用时，配合表决技术，从多个尤其是硬件冗余和软件冗余输出中选择一个，用于控制命令。飞控系统的表决监控点一般选择为：飞行员命令输入端；传感器输出数据处；控制律解算前；作动器命令输入点；告警命令显示输入。监控器和表决器的正确性和可用性是冗余技术的关键环节。表决器的表决原则，包括：最简单按照预定顺序选择；中值表决，平均值表决甚至加权表决算法等。每类表决算法都各有优缺点，需要从多方面权衡，以选出的值可信度高，对系统其它相关功能影响最小为标准。

此外比较监控器也是双冗余飞控架构的重要技术，常采用交叉通道比较技术，这样可实现对本通道的监控，提高通道输出的可靠性。比较监控器即：将来自不同源的同一参数的两个值进行比较，如果其差值超过门限，时间超过设定延时，则认为两者不一致，有可能发生错误，因此可采用安全默认值或直接关闭输出。可见，监控门限和设定延时的设定对故障探测和告警有重要影响。仅采用比较监控和表决技术，依然无法满足对飞控系统的维修性和测试性，以及故障覆盖率的要求。此时，机内自检（BIT）技术是不可或缺的补充，它能使系统架构更加简单。

本文主要就光传飞行控制系统设计中，一系列关键技术进行了详细对比和分析。对飞控系统设计中，不同层级的容错技术进行优缺点分析，可作为工程设计之参考。目前，我国光传飞控系统研究刚刚起步，还需要进一步深入研究。

参考文献

[1] 王新华.光传飞行控制系统实现技术研究[J].南京航空航天学院，2012（3）.

[2] 李玉飞.光传飞行控制系统研究[J].航空科学技术，2009（05）.

[3] 郭偶凡.三余度光传飞控总线配置及实现技术研究[J].南京航空航天大学，2011（06）.