综合监视系统仿真器研究

【前言】综合监视系统仿真器研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2 综合监视系统仿真器总体要求 综合监视系统仿真器主要用于民用飞机型号研制初期的系统功能确认、接口确认、架构设计及航电系统集成验证环境的设计、调试工作。基于这一应用需求，在仿真器的总体设计中，仿真器需重点满足以下总体设计要求： （1）便捷的系统接口定义...

摘 要综合监视系统作为机载航空电子系统主要的传感器和信息源之一，能够保证飞机在整个飞行过程中避免恶劣气象环境、空域内其它飞机与本机距离过近以及可控飞行撞地事故等威胁，对飞行安全起到至关重要的作用。本文研究了综合监视系统仿真器的开发，论述了综合监视系统仿真器总体设计和各部分功能软件设计，开发的综合监视系统仿真器可以支持飞机型号研制初期的系统需求确认、架构确认和接口确认。

【关键词】综合监视系统 仿真器 TAWS TCAS

1 引言

综合监视系统作为机载航空电子系统主要的传感器和信息源之一，通过探测飞行航路上的地形、气象以及空域交通状况信息，帮助机组人员对周边空域的交通状况有全面、详细的了解，规避恶劣气象条件及可控飞行撞地、撞机事故，同时配合地面二次雷达询问机，实现合理的空中交通管制。当今机载监视系统已不再是传统意义上的单功能设备，而是对TCAS、XPDR、WXR及TAWS等功能进行了综合化设计和数据融合，并根据机型用途、飞行空域、安全要求及成本的不同可实现多种组合与配置，它代表了一种崭新的设计思想、技术潮流和发展方向。ARINC 公司2006年了ARINC768-1《综合监视系统（ISS）》标准，2011年了更新版本ARINC768-22。该标准给出了ISS设计规范，定义了4 种构型的综合监视系统，全球主要航空电子系统供应商根据自身的技术优势和市场需求，推出了不同构型的综合监视系统产品。

本文以采用ARINC664总线接口形式的综合模块化综合监视系统为仿真对象，基于航电系统总体设计、集成、验证的实际应用需求，总体介绍了一种综合监视系统（ISS）仿真器设计方法。

2 综合监视系统仿真器总体要求

综合监视系统仿真器主要用于民用飞机型号研制初期的系统功能确认、接口确认、架构设计及航电系统集成验证环境的设计、调试工作。基于这一应用需求，在仿真器的总体设计中，仿真器需重点满足以下总体设计要求：

（1）便捷的系统接口定义数据（ICD）的重构功能；

（2）便捷的硬件接口通道配置更改功能；

（3）仿真模型、软件模块应具备可移植性；

（4）具备实时的仿真数据采集、显示能力；

（5）提供典型的静态气象目标仿真能力；

（6）尽量提供与型号试飞场地一致或类似的典型近地告警场景仿真能力；

（7）提供典型的空域交通目标仿真能力，能够模拟TCAS的各种工作模式。

3 综合监视系统仿真器硬件架构和软件设计

仿真器软件主要由综合处理I/O模块、子功能仿真模块、转接单元、仿真器人机界面、千兆交换机、机柜及电缆组成，如图1所示。其中，子功能仿真模块由气象雷达仿真器主机、TAWS仿真器主机和TCAS/XPDR仿真器主机三部分组成。

综合监视系统仿真器软件设计以WINDOWS XP为编程环境，以Microsoft Visual C++ 6.0为编程工具。仿真器软件设计充分利用Windows操作系统的事件响应机制和多任务特性，应用多任务编程技术，提高软件系统运行效率和响应时间；在系统设计和实现上，采用面向对象的编程思想，系统设计自上而下按功能划分子系统和子模块，每个子系统模块由若干个封装设计类来实现其功能，方便系统的重构、功能扩展和可移植性。

综合监视系统仿真器软件主要分为综合处理I/O软件、WXR（气象雷达）仿真软件、TAWS仿真软件和TCAS/XPDR仿真软件四个软件模块。软件模块之间运行相对独立，通过以太网进行相互之间的数据交换。整体软件框架如图2所示。

4 气象雷达模块仿真设计

从飞机系统集成的角度，气象雷达（WXR）仿真主要用于支持气象雷达与显示及机组告警系统交联相关的接口、功能确认分析工作。因此对气象雷达仿真的最主要要求就是：提供气象、湍流、风切变、地图等显示系统所需的仿真数据，及与显示数据相匹配的文字及音频告警信息。

WXR仿真软件的控制输入源有监视系统控制面板和人机界面两个，软件启动时默认为控制板输入。切换策略为逐Label切换。数据自控制面板输入后根据综合监视系统仿真器内总线定义，按照地址分发到状态切换和航电数据判断。状态切换用于切换场景，运行时可以在三个场景间进行切换，场景使用独立的文件系统进行存储。状态切换输出全部场景数据至探测模式切换。配合独立的场景设置软件可以进行场景设置。探测模式切换根据探测模式的不同，抽取出不同的气象数据至目标和告警信息输出，抽取数据规则待自动反馈逻辑落实后决定。航电数据判断识别出不满足合理性/合法性要求数据时，在人机界面上显示错误类型；输出数据保持最后一个正确的数据。航电数据判断后的数据输入目标和告警信息输出。参数设置为目标和告警信息输出提供必要参数，具体参数待自动反馈逻辑落实后决定。目标和告警信息输出有自动反馈和人工设置两种方式，启动时默认为自动反馈。故障模拟和显示输入源有监视系统控制板和人机界面两个。

5 TCAS模块仿真设计

TCAS仿真模块，响应综合处理I/O模块、监视系统控制板的控制输入；接收航电数据输入，判断数据有效性，并根据特定的数据给出相应的响应；输出TCAS目标信息（四个等级目标：无威胁（OTHER）、接近威胁（PROX）、交通咨询（TA）和决断咨询（RA））；输出TA、RA视频和音频告警信息；提供仿真器人机界面。

对TCAS软件功能组成说明如下：

5.1 场景显示

模拟显示器显示罗盘、距离环、TCAS目标、主机状态和故障状态等信息。本模块将模拟场景中本机与目标机位置关系对应显示到人机界面，并根据目标的威胁度等级确定目标的显示方式。当有RA目标时，将显示RA相关的视频告警。输入数据包括本机信息，目标信息，控制输入信息，故障状态信息等，包括整个模拟显示界面的画面截图。

5.2 控制输入

通过网络数据接收线程，接收来自外部的网络数据，然后根据接口协议定义，解析并获取输入的控制信息。通过接收来自人机界面用户输入获取控制信息。控制信息包括交通信息显示开关、显示器量程、垂直方向显示范围和本机状态控制信息等。输入数据包括外部网络数据，用户输入等。输出数据包括综合处理I/O软件控制信息等。

5.3 场景设置

提供典型场景选择功能，当选择某一典型场景后，软件将根据选择取出当前的场景和目标数据。显示画面中的模拟目标将按照预定的轨迹运动，软件根据目标机与本机之间的关系，将对目标机与本机的空中撞击可能性进行评估，并产生相应的视频和音频告警。提供静态目标输入工具，用户可根据需要在当前场景中设置静态目标，显示画面将显示用户输入的目标信息。软件将目标信息、告警信息等按照接口协议形式封装后发送到综合处理I/O软件。输入数据包括目标数据等。输出数据包括目标信息、告警信息等。

5.4 故障模拟

根据用户在软件人机界面上进行的故障模拟操作，收集模拟故障信息，并按照接口协议形式封装后发送到综合处理I/O软件。输入数据包括人机界面数据。输出数据包括故障信息。

6 TAWS模块仿真设计

TAWS仿真软件按照接口数据定义规范接收航电数据输入（数字量与离散量接口数据），判断输入数据有效性，并根据特定的数据输出特定的TAWS地形画面信息，判断告警模式并输出与告警模式相匹配的告警信息。TAWS仿真软件的输入、输出数据都按照以太网口通讯协议经综合处理I/O模块进行统一的接口数据处理。

TAWS仿真的关键在于根据七种近地告警模式、基于数据库的前视地形警戒（FLTA）以及基于数据库的过早下降（PDA）告警等目标测试场景开展典型的飞行环境及飞行模式仿真。TAWS仿真的另一个关键技术是解决大量地形数据的载入问题。TAWS仿真软件在飞机定位和轨迹预估的基础上，区域扫描读取地图数据，动态显示地形情况。仿真所用环境地形选用的是我国一部分的陆地（包括常见试飞区域）的真实地形高度数据，数据包含当前地理位置的高精度纬度、经度、高度数据。读入的地形数据是一个1001×1001的数组，以每个元素的下标值作为地形的横纵坐标，元素值作为地形高度值，建立一个二维1000×1000的地形数据库。TAWS软件读入的地形数据可以是无限的，但在真实飞行中，飞机并不关心距离自己过远的地形状况，因此还设计了一个前视地形的显示数组，数组大小可调，最小范围为175×85的前视地形数组。软件功能框图如图3所示。

7 结束语

本文概要介绍了一种综合监视系统仿真器的总体设计情况，该仿真器充分考虑了民用飞机研发过程的通用需求，具有灵活的系统逻辑架构及接口数据重构能力。经过早期研发试验的应用证明该仿真器适用于型号研制初期的系统需求确认、功能架构确认、接口确认及航电系统集成验证环境的设计、调试工作。

参考文献

[1]朱文渊，李元祥，马进，宋金泽，敬忠良.飞机环境监视系统的数字仿真[J].光电与控制，2011（09）： 64-68.

[2]李视阳，何方，赵春玲，肖刚.飞机地形感知和告警系统仿真器设计[J].电子科技，2013，26（11）：92-98.

[3]何进.民用飞机机载监视系统发展综述[J].电讯技术，2014，54（07）：1025-1030.

作者简介

郭晓燕，女，河南省洛阳市人。曾经获得上海大学硕士学位。现在供职于上海飞机设计研究院国家重点实验室，从事大型客机航空电子系统集成与测试技术研究。

作者单位

上海飞机设计研究院国家重点实验室 上海市浦东新区 201210