基于民用飞机航电综合验证平台的架构研究

摘 要

以航电系统技术现状为背景，从平台的需求分析、组成架构两方面出发，并结合国内TA600飞机航电试验平台的建设情况，对民用飞机航电综合验证平台的架构进行了剖析。

【关键词】航电系统综合验证故障注入

1 引言

随着电子技术的飞速发展，航电系统的成本在飞机上所占的比重逐步上升，对航电系统设计在安全性、可靠性、维修性、测试性等方面提出的要求也越来越苛刻，仅通过局部改进或优化已难以满足这种苛刻的要求。

通过航电综合验证平台的引入，全面考核所涉及到航电、非航电众多专业和系统，并根据各系统、各专业之间相互关联的特性，设计规范的测试进程，在进行机上地面试验之前，对航电系统进行大量的试验、分析、比对，通过多轮从简至繁的设计、验证循环迭代，提高设计效率和质量，确保系统的设计完善、最优。

2 航电综合验证平台架构分析

2.1 需求分析

航电系统验证试验通常采用增量式集成测试策略，从设备集成测试开始，逐步进行分系统级、系统级、飞机级的集成测试。通过这种增量式集成测试的策略，使得每一次测试的关注点从设备级的需求逐步转移到最终的整体需求，使得不同层级的问题在集成测试过程中都能得到充分暴露，确保最终整体系统测试的顺利完成。

因此航电综合验证平台应完成以下几个方面的测试。

（1）静态测试。对于设备级的验证试验，需要参照需求分析和功能描述文档，按照其中对系统总体及设备的要求，逐条设计激励-响应式的测试用例，通过静态测试的方法为待测设备提供激励信号，触发其内部的一系列运算、状态切换或数据传递，最后对其响应结果进行采集或测量，并与期望的响应进行比对，以得出测试的结论。

（2）动态测试。对于系统级或者飞机级的试验，不仅需要全面考核航电系统在实际飞行任务环境下的工作情况，还需要综合考察航电系统在各类故障模式下的处理方式，因此需要采用动态综合测试的方法，通过飞行仿真模型及故障注入方式提供试验所需的参数来实现系统联试。

（3）自动化测试。为了提高系统测试效率，减低人力和时间成本，在航电综合验证平台内引入自动化测试，使得自动化测试与手工测试完美结合，在测试质量保证的前提下获得最高效益。

2.2 组成架构

航电综合验证平台通过半物理仿真、全实物联试两种测试手段，提供激励航电LRU工作的环境，重点是验证航电LRU软硬件环境的匹配情况、航电LRU间接口的匹配情况、航电与非航电系统间的交联逻辑关系，考核航电系统的设计符合性。平台包括综合仿真系统、故障注入系统、接口管理系统、数据分析系统、测试管理系统、试验配电系统、实时数据交互系统及其他相关环境。

2.2.1 试验总控系统

总控系统包括实时数据交互系统、测试管理系统、数据分析系统，是整个验证平台的核心，通过集成各类高性能软件，对试验平台进行设定、配置、调度和管理，对试验任务进行规划和设定，对试验过程进行监控，并对试验结果进行分析。

2.2.1.1 实时数据交互系统

实时数据交互系统是整个航电综合验证平台的中枢，以配置的状态、数据包等为桥梁，以可视化、易操作的人机界面为手段，按配置的ICD、NCD传输周期为条件，实现试验设备与被测设备的逻辑连接，形成整个试验平台的总体调度，完成综合验证平台及航电被测设备之间实时数据的交互和控制，从而实现系统的集成和协作处理，主要完成以下三部分功能：

（1）系统初始化。按照系统试验需求，在人机操作界面上对整个试验环境进行配置，主要包括试验系统构型、试验任务规划、航电设备通信数据、飞行环境初始化数据等内容的配置。

（2）人机交互控制。通过人机操作界面，完成上位机软件与试验人员之间的数据/指令的交互，显示必要的运行数据，接收试验的控制指令，并将指令传递给实时调度模块执行。

（3）试验实时调度。根据试验任务规划，操作多项上位机软件，启动多个不同优先级的测试进程，并管理这些测试进程的调度，控制接口通信，为测试任务提供数据，保证各测试任务能按规划正常启动、运行和结束。

2.2.1.2 测试管理系统

测试管理系统是以航电系统顶层需求为来源，通过可视化测试脚本的编辑，按需求编写测试用例，定量的、完整的完成对整个航电系统的测试规划、管理、运行、记录及自动生成测试报表，实现有效的、高质量的航电验证、分析，主要实现以下两部分功能：

（1）手动测试。测试人员按照一定的操作流程，控制模拟座舱内的各种按键、旋钮等，通过实时数据交互系统与被测系统/设备进行通讯，手动进行测试操作。

（2）自动测试。测试人员通过测试管理系统内的测试编辑器可以重新建立测试内容，也可以修改早期的测试流程，完成新测试脚本的编译，最终将测试脚本组织成测试任务的形式执行。测试人员只需调用预先制定的测试任务，自动执行测试进程即可。

2.2.1.3 数据分析系统

数据分析系统是以用户定义的ICD、NCD、过程设计等需求为依据，通过测试用例、仿真模型对航电系统仿真、试验等过程中的数据进行监视、分析、存储、回放等处理，完成对航电系统通讯数据的分析与评判，主要包括以下三部分内容：

（1）数据测试分析。主要将仿真、测试过程中的数据按照ICD、NCD中规定的格式进行测试、分析，用于实时的显示、记录和分析。

（2）数据采集记录。主要对试验数据按照设定的格式进行存储记录，如记录数据的类型、数值、记录条件、起始和终止时间等，可以用于系统/设备的回归测试等。

（3）数据统一时标。主要对试验过程中数据的通讯或记录采用统一的时间轴，以保证对各类相关试验数据进行分析时的合理性。

（4）数据回放查看。主要是针对存储的历史试验数据，根据试验情况有选择的对其进行解析、显示，辅助试验人员进行事后分析。

2.2.2 综合仿真系统

综合仿真系统为航电综合验证平台提供一个通用的模拟环境，其中既可以运行各子系统/设备的机载软件，也可以通过扩展的接口程序运行仿真模型，包括以下两部分内容：

（1）航电系统的数字仿真。主要包括航电系统各分系统/设备的机载软件或仿真模型（包括系统/设备内部的综合处理逻辑、数据传输接口等内容的仿真）；

（2）航电系统的环境仿真。主要包括支持航电系统工作的环境仿真软件（如：飞机的运动仿真；发动机、飞行控制、燃油等非航电系统的仿真；大气、地形、导航台等物理环境的仿真；视景仿真等）。

2.2.3 接口管理系统

接口管理系统主要为航电系统综合验证平台提供航电接口支持。通过接口管理系统可以使将各模拟系统、仿真器、待测设备等按设计要求进行交联，从而构建一个半实物、实物的或多系统联合的综合验证平台，主要包括以下四部分内容：

（1）配线矩阵。通过被测系统配线矩阵的控制，可实现被测系统仿真模型与真实设备之间的切换，从而决定整个平台的构型，实现航电系统从数字仿真到半实物仿真的平滑过渡。

（2）数据I/O接口。通过被测系统的数据I/O接口，为航电系统的仿真模型提供数据交互的硬件接口资源和中间服务，完成航电系统半实物仿真，并支持航电系统的开环测试和接口数据采集。

（3）测试接口。通过被测系统的测试口，接入第三方测试工具，可实现被测设备通信数据的监视及故障状态的注入，完成整个航电系统某些重要设备通信数据的测试。

（4）对外交联接口。通过平台对外交联接口，实现航电综合验证平台与其他系统完成数据交互，辅助完成飞机级的交联试验。

2.2.4 故障注入系统

故障注入系统为航电综合验证平台各待测设备提供任意的软性和硬性的故障注入，检测航电系统在预期故障状态下的处理情况，验证整个航电系统的健壮性、可靠性、安全性，其中：

（1）软性故障注入。上位机软件模拟实际系统中可能产生的故障现象，通过实时数据交互系统，间接的与接口管理系统交联，使故障模拟信号与仿真模型/待测设备的输入信号进行叠加。

（2）硬件故障注入。测试工具对某些通信链路提供多种故障信号，直接与接口管理系统交联，使故障输入信号与仿真模型/待测设备的输入信号进行叠加。

2.2.5 试验配电系统

试验配电系统负责为整个航电试验中参试的真件设备、试验设备提供统一的电源支持，并实现对配电系统的模拟和电源管理（如进行电源的通断控制）等。

为便于试验操作，航电综合验证平台提供硬件操作和软件控制两种方式，实现配电系统的本地或远程的电源管理。

2.2.6 其他辅助系统

由于在地面综合验证试验阶段，要求航电综合验证平台能够逼真的模拟被测设备的飞行环境，并且能够实时的接收其他系统的数据输入，同时在将这些内容经过综合处理后，输出被测设备所需的激励信息，来驱动被测设备工作。

为满足试验对环境仿真的要求，可以增强综合仿真系统环境仿真部分的功能，集成所有飞机运动状态、物理环境、非航电等方面的仿真；或者通过接口管理系统接入其他辅助系统，采用相对独立的环境仿真系统（如：视景系统、激励系统等），来实现航电系统自动的、实时的、全面的闭环测试。

3 工程应用

3.1 试验室简介

TA600飞机的航电系统综合验证平台是在仿真的基础上，通过仿真件与真件的切换逐步完成两大飞机级功能性试验：航电系统试验、航电系统与非航电系统的MINI-RIG联试。综合验证平台主要由主控台、模拟座舱、综合机柜组成，其效果如图1所示。

3.2 验证平台组成

3.2.1 主控台

主控台采用开放式控制平台，用于部署工作站和上位机应用软件供试验人员使用。上位机软件用于试验资源的统一管理，包括：试验总控系统、综合仿真系统、接口管理系统、故障注入系统、试验配电系统相关的试验资源。在试验开始前，通过应用软件对整个试验环境进行配置，并向各试验设备发送控制指令，设置试验参数；在试验过程中，对试验进程进行控制，并对个模型的运行情况和设备间的接口数据进行监控，同时支持故障注入或静态测试等试验；在试验完成后，对试验过程中产生的数据进行统一存储和管理。

主控台上安装的试验软件主要包括：ICD开发与管理工具；硬线连接管理软件；试验健康监控管理软件；自动化测试软件；航电仿真管理软件；综合配线/配电管理软件；IO资源配置与数据激励软件；试验数据采集监控管理软件。

3.2.3 模拟座舱

模拟座舱由模拟座舱平台、模拟座舱台架、遮光罩、左右操纵台、中央操纵台、顶部控制板、顶部控制板安装架、驾驶舱操纵组件、多功能显示器、告警指示组件、相关控制面板、指示记录分系统控制盒、导航监视分系统控制盒、通信分系统控制盒、灭火控制组件、驾驶员座椅、机械师座椅和万向机械臂等组成，如图2所示。

模拟座舱中的操纵系统和模拟件等通过I/O 计算机与飞行仿真系统进行铰接，航电系统、顶部控制板等真件直接与飞行仿真系统交联，完成航电验证试验平台中各系统的交互通讯。

3.2.3 综合机柜组

（1）服务器机柜：主要包括仿真服务器和数据服务器两大部分。仿真服务器提供航电仿真环境和飞行仿真环境，各仿真模型之间通过数据网络实现数据的共享和传递，同时通过数据网络与I/O接口资源进行双向数据传输以实现仿真模型与参试设备的半物理仿真。数据服务器能够将I/O接口采集的数据连同时钟同步信息进行保存。

（2）I/O接口柜：在试验台与真件设备间搭建桥梁，为仿真模型提供硬件接口资源，实现仿真模型与真件设备的互联，支持半物理航电系统的开环测试和接口数据采集。

（3）综合配线柜：可同时接入所有待测设备与相应的仿真模型，通过对信号的程控切换完成试验构型的灵活管理，实现真件设备与仿真模型之间的配线切换和信号交联，并对交联信号提供采集和测试接口。

（4）电源管理柜：为参试的真件设备提供电源与电流监控。

（5）其他机柜：包括无线电设备激励柜、非航电系统MINI-RIG、航电设备柜。

4 总结

航电综合验证平台为航电系统提供按系统需求或设计内容制定的测试验证，逐步完成从设计、仿真到地面联试的测试与分析，实现航电系统开发各个阶段的无缝连接。平台的应用将会大大提高综合开发的效率和质量，缩短型号研制周期，同时大幅度提高飞机的安全性、先进性，为我国民用飞机的发展提供有利的平台和条件。

参考文献

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[2]新航空概论[M].北京：航空工业出版社，2010.

[3]莫伊尔等著.范秋丽等译.民用航空电子系统[M].北京：航空工业出版社，2009.

[4]王行仁.飞行实时仿真系统及技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[5]曹全新.航空电子综合仿真系统研究[J].测控技术，2007.

作者简介

赵永红，女，现为中航通飞研究院有限公司主管设计师、工程师，研究方向为航空电子系统。

石磊，男，现为中航通飞研究院有限公司航电研究室副主任、工程师，研究方向为航空电子系统。

谭大维，男，现为中航通飞研究院有限公司主管设计师、工程师，研究方向为飞行器设计。

作者单位

中航通飞研究院有限公司 广东省珠海市 519040