航电系统避障与盲降地面验证环境

航电系统避障与盲降地面验证环境

姜娜 1 曹阳 2

（ 1 航空工业直升机设计研究所，江西景德镇 333001 ）

（2 航空工业直升机设计研究所，江西景德镇333001）

【摘 要】目前，传统的地面航电试验环境只能满足静态地面试验的开展，无法在试验室阶段对着陆等动态功能实现验证。随着航空电子系统设计要求的不断提升，对航电地面试验环境的要求也向着更全面化、更贴进真实应用场景的方向发展。与此同时，随着科学技术的迅速发展，数字化仿真技术日益成熟，这为建造更加真实、全面的航电试验环境提供了技术支持。本文针对地面航电系统避障辅助决策及盲降的验证需求，提出了一种适用于地面联试试验的航空电子系统智能避障辅助决策与盲降仿真验证系统，以解决在目前地面联试阶段无法验证系统着陆这一动态功能的困境。

【关键词】航电系统地面试验；动态试验；数字化仿真

1 概述

航空电子系统综合试验贯穿航空电子系统研制、使用到升级维护的整个生命周期，设计不同的学科和领域，相互交叉。近年来，随着信息技术的发展，航空电子系统的能力不断提升，系统的综合化程度和复杂度也越来越高，导致系统综合化试验本身也是一项复杂的系统工程。航空电子系统的综合试验验证主要是利用仿真与综合测试平台，逐步把航空电子系统内部结构的所有部分（模型或实物）按照系统设计的逻辑框架和物理结构集成起来，使之在各种外部环境下运行，从而验证和测试整个系统是否正常工作，系统整体是否满足设计所要求的功能与性能。

系统的综合设计过程是一个逐步进行，不断发现问题、解决问题、及迭代设计的过程。根据国内外大型武器装备系统的研制经验表明，通过仿真的方法，尽早地开始全系统的下的综合试验可以降低项目的风险、缩短研制周期。因为早期建立的试验平台更易运作，测试成本低，也更容易发现问题；而且早期发现的问题比后期飞行试验时更容易处理，问题发现的越晚，就越需要更多的时间来解决问题并测试所有后续设备的调整，而且可能波及其他系统，图1为航电测试系统阶段的划分。因此，尽早地对系统进行测试是极其必要的，对提高设计的可靠性、稳定性、经济性都大有裨益。

与此同时，由于航空电子系统具有空中作业的特点，目前传统的地面试验环境基本为静态试验环境，只能对系统进行静态功能或者接口的测试，无法达到验证航空电子系统空中作业的要求。然而，如上所述，尽早地对系统开展全面详尽的测试有利于降低项目风险、提高项目经济性及系统可靠性。因此，为了实现对航空电子系统避障辅助决策及盲降这类空中作业的功能测试，本文将提出一种结合数字化仿真技术的具备所要求的避障辅助决策及盲降动态功能验证条件的地面航电试验验证系统 ，为航空电子系统设计提供试验支持，并提高设计项目的可靠性，保障试飞的安全性与经济性。

图 1航电测试系统阶段的划分

2面向地面航电试验的动态仿真验证系统

在航电系统地面综合联试中，因数字化仿真本身具备一定的验证功能，因此与现有的航电测试技术有相当的可交融性。在航电设备的测试过程中，数字化仿真技术能够提供巨大的支持：利用仿真验证成果，可在系统开发阶段进行产品调试；通过仿真功能，还可对与系统开发进度不一致的子系统进行模拟测试等。针对航空电子设备产品结构和研制周期的特殊性，需要建立可以兼顾系统方案验证、调试环境构建、子系统联调联试、设计验证及测试的系统仿真平台。即以半实物仿真为基础，综合系统验证、系统测试、设备调试等多种功能的硬件平台和软件环境。

传统的地面航电系统试验，主要包括航电系统软硬件综合试验、航电系统功能验证试验、航电系统与飞机其它系统的交联试验等。为了实现航空电子系统的避障辅助决策及盲降这类空中作业功能，需设计一套具备动态仿真功能的航电系统试验环境，包括航电系统 LRU、飞行座舱显示控制平台、飞行仿真系统、动态实时测试系统、飞机其它系统半物理仿真平台。航空电子系统动态仿真试验环境图如下所示。

图 2 航空电子系统动态仿真试验环境图

用于航电系统的数字化验证系统主要包含试验环境主控、飞行控制仿真、传感器仿真、显控模拟仿真以及飞行视景仿真等功能模块。在仿真环境下通过人在回路操纵或自动驾驶方式驱动直升机飞行，传感器仿真模型将飞行过程中所感知的环境及障碍物信息通过相应接口进行输出。完成直升机从起飞行进、环境感知、避障处理以及降落等业务流程的仿真，形成直升机航电任务系统在探测、信息显示、操控及动作执行的闭环论证环境，完全仿真出飞机在进行空中飞行与航空电子系统中相交联的外部环境状态，以实现试验室阶段的航电系统工作环境的动态仿真。

试验环境主控通过试验方案管理对仿真节点、试验场景进行设置，对各节点进行初始化参数编辑，对仿真过程中节点间的数据交互关系进行定义，并完成仿真运行过程的控制以及数据的监控采集。

飞行控制仿真基于发动机模型、气动模型、飞控制模型创建高精度飞行动力学仿真模型，支持自主飞行及人在回路的操控飞行，实时解算飞行状态数据；支持通过参数化的编辑生成不同型号的直升机模型，实现不同机型飞行控制模型的快速构建；

传感器仿真基于对真实地形、环境、目标模型的探测感知，形成红外图像、可见光图像、夜视图像、雷达图像等，为直升机目标探测、避障处理、多环境降落等提供传感器数据支撑；

显控模拟仿真通过设计舱体结构、操纵杆、显控面板等，形成直升机座舱的地面模拟环境，通过操纵杆对直升机的飞行进行控制，通过显控面板对飞行状态机传感器状态进行显示，并支持对不同类型传感器的操作控制；

飞行视景仿真通过实时接收直升机平台数据，基于地形数据、三维实体数据完成飞行过程中背景环境、目标以及障碍物等实体的视景展示，实现逼真的飞行视景感受。

通过构建上述仿真系统，可以为航空电子系统某些空中作业功能如避障辅助决策及盲降功能进行试验室阶段的动态试验验证，实现尽早把设计与验证迭代开来，该试验动态验证系统针对性地完成了对试验室阶段关于航电系统的避障辅助决策与盲降功能的验证需求。该动态仿真系统将目前飞速发展的数字化仿真技术注入到传统的地面联试任务中来，二者相结合，对日益复杂的航空电子系统功能设计与测试提供了发展方向与技术支持，可以使设计更加完善、试验更加完全，极大地增加了航空电子设备的可靠性，缩短了研制周期，提高了研制的经济性，也使得地面航电试验向着更加智能化的方向发展。

3 动态仿真验证系统主要模块介绍

3.1 主控模块

试验环境主控模块，具备地形数据库，可根据直升机执行任务区域进行试验环境的地形导入，包括高山、平原、沙漠、水面等；具备实体模型库，可实现实体模型编辑部署，完成区域中的实体模型的导入，包括建筑物、地面防空单元、电塔、空中线缆等；可对试验环境、飞机平台类型及特性、载荷类型及参数进行设置；可对仿真数据进行存储及回放。

试验环境主控由试验方案管理模块、仿真配置及运行管理模块组成，其中试验方案管理模块又包括模型数据库、场景编辑三个子模块；仿真配置及运行管理模块又包括模型数据交联、仿真运行控制、数据采集监控三个子模块。其中，模型数据库部分采用Creator进行机场部分模型精细制作，采用现场拍照、建筑CAD图等素材通过Creator进行机场中建筑模型制作；选用Terra Vista作为地形生成工具。TerraVista 能自动将所需的各种数据元素合成并生成内容丰富的三维地形数据库,输出的地形数据能直接为用户使用,可以大幅度降低手工劳动强度,提高建模效率。

3.2 飞行仿真模块

飞行仿真模块是直升机地面仿真验证环境中的重要模块，为试验提供动态数据。飞行仿真模块提供自主飞行模式，也可通过获取模拟座舱中的驾驶杆、油门杆、脚蹬等操控信息，按照设定的飞行空气动力特性和运动方程进行仿真、解算，生成飞机的即时位置信息、姿态信息以及其它的飞行参数，然后通过DDS/HLA/网络共享内存或以太网等方式将这些数据传输给座舱显控系统，实现系统的动态集成测试。

本项目采用专业直升机飞行仿真软件HeliSIM实现飞行仿真功能。HeliSIM 是由加拿大 PRESAGIS 公司开发的高精度旋翼仿真平台。它具备建模快速性、用户界面简洁性和良好协调性等特点，能够通过参数化定制实现各类直升机模型的仿真，不管是刚性桨叶还是柔性桨叶，涡轴发动机还是用户自定义的发动机类型。HeliSIM是创建旋翼飞行动力学仿真的工业标准解决方案。从建立和评估模拟器、训练设备和驾驶舱，到开发飞行训练设备和子任务训练器，HeliSIM都是高安全度仿真应用的理想方案。

3.3 传感器仿真

传感器仿真模块提供光电（电视、红外、微光）、雷达、激光雷达、毫米波雷达器共六类传感器仿真功能。通过不同传感器类型的选择，可实现直升机夜视系统、分布式光电系统、稳瞄系统、激光雷达系统、毫米波雷达系统的仿真，支持目标侦察、跟踪、测距和光电图像仿真等功能，实时成像及避障解算；同时接收人在回路的传感器操控指令进行工作模式或参数调整。其中，红外和微光传感器构成夜视载荷系统；红外传感器构成分布式光电系统；电视和红外传感器构成稳瞄载荷系统。

3.4座舱显控

座舱显控模块在设计上主要包括通用仿真座舱支撑及操纵结构和航电仿真操作、显示部件，支持对直升机的飞行动力学、飞控、航电及仪表功能的移植，能够通过拼接屏实现视景显示功能。仿真座舱支撑及操纵结构主要为操作人员提供仿真操作的硬件设备以及仿真座舱航电设备的安装支撑结构，通过硬件操作环境对直升机平台及传感器进行操作控制，模拟直升机驾驶力感；航电仿真操作、显示部件主要为操作人员提供虚拟的座舱航电操作及显示功能。

系统设计上采用组合式通用仿真模块搭建仿真通用平台的仿真模式，不但可以降低仿真座舱硬件研制及改装成本、缩短制作电子驱动及布线等研制周期，而且可以极大地提高系统的可靠性，减少系统故障率，降低系统维护成本；更重要的是可以通过软件升级和更换，在通用平台上仿真出不同的机型，具有极大的通用性和可扩展性，并且可随计算机技术的发展，为系统提供了极大的升级空间。

3.5 飞行视景仿真

飞行视景仿真模块基于地形数据、三维实体模型数据，仿真试验过程中实时接收直升机平台以及目标运动数据，完成飞行过程中背景环境、目标以及障碍物等实体的可视化展示，提供逼真的视景显示效果。

视景系统是由视景数据库、成像子系统、显示子系统组成。利用Creator开发飞机三维模型及目标实体三维模型，视景显示子系统选用Terra Vista作为地形生成工具，完成视景数据库中的建模工作。采用Vega Prime作为视景仿真模块工具，可以实现气候特征管理、粒子系统等仿真目标。

4 结 论

传统的地面航电试验环境只能满足静态地面试验的开展，无法在试验室阶段对空中作业功能实现验证。随着航空电子系统对验证环境日益复杂的要求，对航电系统的地面试验也提出了更高的要求，针对所需的航电系统避障辅助决策与盲降的功能验证，本文提出了一种适用于地面联试试验的航空电子系统智能避障辅助决策与盲降仿真验证环境系统，为航空电子系统某些空中作业功能的验证提供了实验室环境，极大地提高了研制设计的效率及经济性，增大了研制设备的可靠性，是将传统试验与发展迅猛的数字化仿真技术的有效结合，在航电系统功能愈见发展的今天，为航电地面试验提供了新的发展视角。

参考文献：

[1]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.

[2]陆屹,董磊,郭勇.基于模型的复杂航电系统联合设计[J].飞机设计,2021,41(04):8-14.

[3]田昊.飞机航电系统集成验证方法探究[J].中国设备工程,2020(03):110-111.

[4]刘元斌,占日新.航电系统仿真环境通信架构研究[J].中国新技术新产品,2021(03):16-18.

[5]赵燕辉. 基于大数据的航电综合分析系统的设计与实现[D].电子科技大学,2020.