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民机飞控计算机系统虚拟样机验证平台研究
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1 飞控系统虚拟样机技术概况
随着虚拟样机技术的成熟，国外已经将虚拟样机技术成功的应用到各种复杂系统中。飞行控制系统正向着数字化、综合化、智能化的方向发展，系统功能增加，构成复杂，和机上其它系统交联越来越多，设计难度越来越大。基于虚拟样机技术的设计方法为飞控系统的研发制造提供强有力的支持。
本文分析了民机Boeing777、A340和BuAA民机型方案的非相似多余度飞控计算机系统，对民机非相似余度飞控计算机系统虚拟样机的验证平台进行研究。
1．1虚拟样机技术
虚拟样机(Virtual Prototyping，简称VP)技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机(virtual prototype)，又称为虚拟原型机，将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，采用相应分析工具，对虚拟样机的功能，性能进行仿真分析，对虚拟样机的行为进行模拟分析，并基于分析结果，修改产品设计和相应的仿真分析模型。虚拟样机支持并行工程方法学，利用虚拟样机替代物理样机在产品全寿命周期过程中对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练，可以缩短研发周期、提高产品质量。虚拟样机技术是基于先进的建模技术、多领域协同仿真技术、信息集成与管理技术、工程设计分析技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。
1．2飞控系统虚拟样机技术
飞机是一种极其复杂的系统，在其设计、制造、试验和飞行过程中都将面临许多技术难题，特别是一些新的关键技术和试验项目能否达到预期的目标，依赖制造物理样机和进行飞行实验来验证的代价是非常大的。随着虚拟样机技术的飞速发展和广泛应用，飞机的设计、试验和运行在概念和方法上有了新的飞跃。通过建立虚拟样机来实现飞机的设计和试验已经成为主流方向之一。
飞行控制系统作为飞机系统的重要一部分，也通过建立虚拟样机来实现。它可以在一定的程度上实现真实物理系统的功能，验证系统性能是否合乎设计要求，进行系统的性能评价，克服飞控系统物理样机花费昂贵、制造周期长等缺点。使用虚拟原型机可以在飞控系统的设计开发过程中实现真正的并行工程开发，满足多学科设计组的工作要求，提高产品的开发效率。虚拟样机技术可以贯穿于飞控系统研制的全过程，包括功能需求、软件设计(包括概要设计和详细设计)、设计实现、系统集成和测试验证等阶段。通过全生命周期的建模和仿真技术的应用，VP为我们提供了一个能够对飞控系统进行反复设计、测试、验证和评估的开发平台。
Honeywell空间系统部门提出了用于飞行器开发过程的航空电子综合开发环境的概念，它综合了很多商业软件工具，各子系统设计并行进行，采用共同的数据库管理。系统的建模通过商用图形交互环境VAPS完成，设计者可以采用图形化的快速建模进行初始设计配置和系统性能分析。AIDE提供标准组件的软件模型库，支持Ada、C和FORTRAN语言，库中模型具有标准格式，使设计过程中所有的部门可直接获得。J佃E的硬件结构样机开发单元建立在商业硬件上，包括两部分：商业MIL-STD-1750A处理器，其上运行Ada语言的飞行控制软件；Intel 860的单板计算机，其上运行相关的环境仿真软件，称为仿真引擎。仿真引擎的底板总线基于MultibusⅡ，提供飞行处理器和仿真引擎间的数据通信。
ADE综合了TLD(Ada开发系统)和Tartan(Ada编译系统)图形化调试器，提供了运行在飞行处理器和仿真引擎上的代码可视性。用户可同仿真引擎实时进行交互，提供了一个快速设备观察在用户定义的条件下整个系统的执行情况。使用Matrix X工具进行自动代码产生。
美国国家航空实验室NLR的FBW的设计与实验环境具有模块化的结构和定义的界面。整个环境包括完全的飞机和飞行控制系统结构，具有图形化用户界面和线性化分析工具。FBW系统的设计过程自动化和性能评价通过开发的操作品质评价工具箱执行，这个工具箱是由一系列的功能组成，这些功能支持飞机性能的设计结果同设计需求进行比较分析。为了获得合适格式的分析数据，具有能够计算纵向和横向飞行品质的低阶等效系统，基于初始系列军用规范建立设计参数。所有工具都是在Matlab/Simulink环境中设计，支持设计数据的交换进行系统快速分析。仿真环境具有在线和离线分析能力；提供飞行可视化分析，数据以视频方式存储用于回放：飞行测试时进行故障设置和测试。
JPL(Jet Propulsion Lab)开发的FST(Flight System Testbed)环境主要由COTS产品和JPL开发的工业标准的软件组成忉。该环境由模块化组件组成，定义和执行标准化实时的功能界面，具有标准网络接口和总线、基于32位CPU的商用实时操纵系统和支持广泛使用的语言(C、C++和LabView)。先采用以太网作为通信媒介，之后被1553B总线代替，并不影响飞行器和仿真子系统。FST由一些太空船的子系统组成，可以开发太空船单个子系统的仿真模型。提供系统设计的连贯性和标准的系统水平界面。通过TCP／IP以太网将地理位置不同的部门连接，支持方便的获得测试台活动需要的组件或子系统模型。JPL同工业部门协商和建立合作关系，进行新技术的评价。减少了工程成本，支持重复使用，对未来的任务需求评价新技术，发展测试环境的能力。基于以上虚拟样机技术在飞控系统的应用情况，飞控系统设计虚拟样机支持环境的特征如下：开发环境由模块化组件组成，可扩展和重复使用；使用COTS硬件、软件以及支持广泛使用的语言；标准实时的系统界面，在不影响系统性能情况下允许真实子系统或组件的直接代替；由统一数据库管理，网络连接飞控系统设计过程中各部门进行实时信息交换；图形化交互软件，可进行可视化建模和分析。基于虚拟样机技术在以上飞控系统中的应用情况，并随着虚拟样机技术的发展，飞控系统虚拟样机技术的发展方向如下：
(1)建立一个先进的、开放的、分布的和集成的支撑平台，工具集，支持飞控系统整个生命周期的设计过程和性能评估。
(2)虚拟样机开发环境具有通用性和可重用性，能够完成多种不同类型飞控系统的虚拟样机，系统参数可调，模型具有良好的通用性、可移植性和可扩充性，在更改有关算法和数据库后，设计研究人员和使用方可对飞控系统进行二次开发和分析研究。
(3)系统由大多数市场上COTS产品组成，采用模块化结构，具有易于扩展和可重复使用的特性。标准实时的系统界面，在不影响系统性能情况下允许真实子系统或组件的直接代替；
(4)飞控系统设计过程中各学科组、各部门和工业可实时地参与飞控设计和试验，交换设计信息，具有图形化交互环境，可进行可视化建模和分析。
(5)开发虚拟样机平台的关键技术，工程管理技术、多学科虚拟样机协同仿真技术、前期概念规划和后期性能评估技术、设计优化技术、虚拟环境技术、模型的校验、验证和确认技术。
(6)可进行虚拟样机的可制造性、可维护性和可适用性评估。
随着虚拟样机技术的成熟，国外已经将虚拟样机技术成功的应用到各种复杂系统中。飞行控制系统正向着数字化、综合化、智能化的方向发展，系统功能增加，构成复杂，和机上其它系统交联越来越多，设计难度越来越大。基于虚拟样机技术的设计方法为飞控系统的研发制造提供强有力的支持。
本文分析了民机Boeing777、A340和BuAA民机型方案的非相似多余度飞控计算机系统，对民机非相似余度飞控计算机系统虚拟样机的验证平台进行研究。
1．1虚拟样机技术
虚拟样机(Virtual Prototyping，简称VP)技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机(virtual prototype)，又称为虚拟原型机，将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，采用相应分析工具，对虚拟样机的功能，性能进行仿真分析，对虚拟样机的行为进行模拟分析，并基于分析结果，修改产品设计和相应的仿真分析模型。虚拟样机支持并行工程方法学，利用虚拟样机替代物理样机在产品全寿命周期过程中对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练，可以缩短研发周期、提高产品质量。虚拟样机技术是基于先进的建模技术、多领域协同仿真技术、信息集成与管理技术、工程设计分析技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。
1．2飞控系统虚拟样机技术
飞机是一种极其复杂的系统，在其设计、制造、试验和飞行过程中都将面临许多技术难题，特别是一些新的关键技术和试验项目能否达到预期的目标，依赖制造物理样机和进行飞行实验来验证的代价是非常大的。随着虚拟样机技术的飞速发展和广泛应用，飞机的设计、试验和运行在概念和方法上有了新的飞跃。通过建立虚拟样机来实现飞机的设计和试验已经成为主流方向之一。
飞行控制系统作为飞机系统的重要一部分，也通过建立虚拟样机来实现。它可以在一定的程度上实现真实物理系统的功能，验证系统性能是否合乎设计要求，进行系统的性能评价，克服飞控系统物理样机花费昂贵、制造周期长等缺点。使用虚拟原型机可以在飞控系统的设计开发过程中实现真正的并行工程开发，满足多学科设计组的工作要求，提高产品的开发效率。虚拟样机技术可以贯穿于飞控系统研制的全过程，包括功能需求、软件设计(包括概要设计和详细设计)、设计实现、系统集成和测试验证等阶段。通过全生命周期的建模和仿真技术的应用，VP为我们提供了一个能够对飞控系统进行反复设计、测试、验证和评估的开发平台。
Honeywell空间系统部门提出了用于飞行器开发过程的航空电子综合开发环境的概念，它综合了很多商业软件工具，各子系统设计并行进行，采用共同的数据库管理。系统的建模通过商用图形交互环境VAPS完成，设计者可以采用图形化的快速建模进行初始设计配置和系统性能分析。AIDE提供标准组件的软件模型库，支持Ada、C和FORTRAN语言，库中模型具有标准格式，使设计过程中所有的部门可直接获得。J佃E的硬件结构样机开发单元建立在商业硬件上，包括两部分：商业MIL-STD-1750A处理器，其上运行Ada语言的飞行控制软件；Intel 860的单板计算机，其上运行相关的环境仿真软件，称为仿真引擎。仿真引擎的底板总线基于MultibusⅡ，提供飞行处理器和仿真引擎间的数据通信。
ADE综合了TLD(Ada开发系统)和Tartan(Ada编译系统)图形化调试器，提供了运行在飞行处理器和仿真引擎上的代码可视性。用户可同仿真引擎实时进行交互，提供了一个快速设备观察在用户定义的条件下整个系统的执行情况。使用Matrix X工具进行自动代码产生。
美国国家航空实验室NLR的FBW的设计与实验环境具有模块化的结构和定义的界面。整个环境包括完全的飞机和飞行控制系统结构，具有图形化用户界面和线性化分析工具。FBW系统的设计过程自动化和性能评价通过开发的操作品质评价工具箱执行，这个工具箱是由一系列的功能组成，这些功能支持飞机性能的设计结果同设计需求进行比较分析。为了获得合适格式的分析数据，具有能够计算纵向和横向飞行品质的低阶等效系统，基于初始系列军用规范建立设计参数。所有工具都是在Matlab/Simulink环境中设计，支持设计数据的交换进行系统快速分析。仿真环境具有在线和离线分析能力；提供飞行可视化分析，数据以视频方式存储用于回放：飞行测试时进行故障设置和测试。
JPL(Jet Propulsion Lab)开发的FST(Flight System Testbed)环境主要由COTS产品和JPL开发的工业标准的软件组成忉。该环境由模块化组件组成，定义和执行标准化实时的功能界面，具有标准网络接口和总线、基于32位CPU的商用实时操纵系统和支持广泛使用的语言(C、C++和LabView)。先采用以太网作为通信媒介，之后被1553B总线代替，并不影响飞行器和仿真子系统。FST由一些太空船的子系统组成，可以开发太空船单个子系统的仿真模型。提供系统设计的连贯性和标准的系统水平界面。通过TCP／IP以太网将地理位置不同的部门连接，支持方便的获得测试台活动需要的组件或子系统模型。JPL同工业部门协商和建立合作关系，进行新技术的评价。减少了工程成本，支持重复使用，对未来的任务需求评价新技术，发展测试环境的能力。基于以上虚拟样机技术在飞控系统的应用情况，飞控系统设计虚拟样机支持环境的特征如下：开发环境由模块化组件组成，可扩展和重复使用；使用COTS硬件、软件以及支持广泛使用的语言；标准实时的系统界面，在不影响系统性能情况下允许真实子系统或组件的直接代替；由统一数据库管理，网络连接飞控系统设计过程中各部门进行实时信息交换；图形化交互软件，可进行可视化建模和分析。基于虚拟样机技术在以上飞控系统中的应用情况，并随着虚拟样机技术的发展，飞控系统虚拟样机技术的发展方向如下：
(1)建立一个先进的、开放的、分布的和集成的支撑平台，工具集，支持飞控系统整个生命周期的设计过程和性能评估。
(2)虚拟样机开发环境具有通用性和可重用性，能够完成多种不同类型飞控系统的虚拟样机，系统参数可调，模型具有良好的通用性、可移植性和可扩充性，在更改有关算法和数据库后，设计研究人员和使用方可对飞控系统进行二次开发和分析研究。
(3)系统由大多数市场上COTS产品组成，采用模块化结构，具有易于扩展和可重复使用的特性。标准实时的系统界面，在不影响系统性能情况下允许真实子系统或组件的直接代替；
(4)飞控系统设计过程中各学科组、各部门和工业可实时地参与飞控设计和试验，交换设计信息，具有图形化交互环境，可进行可视化建模和分析。
(5)开发虚拟样机平台的关键技术，工程管理技术、多学科虚拟样机协同仿真技术、前期概念规划和后期性能评估技术、设计优化技术、虚拟环境技术、模型的校验、验证和确认技术。
(6)可进行虚拟样机的可制造性、可维护性和可适用性评估。
