民用飞机惯性基准系统功能建模研究

刘利朝　郑智明

摘 要：民用飞机系统设计过程中，通过功能建模可以体现系统功能的追溯性和交联关系。EA软件可以完成从需求收集到模型设计到测试和维护的整个系统开发过程。该文以EA为平台详细分析了惯性基准系统的功能建模过程，建立了功能层级图和数据流图，对惯性基准系统的系统设计工作有重要的参考意义。

关键词：惯性基准系统 功能建模 功能分解

中图分类号：V214 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0043-02

惯性基准系统（Inertial Reference System，IRS）作为一种高精度的自主式导航系统在现代大型民用飞机上已经得到了广泛的应用。在早期的飞机系统研制和设计过程中，通过功能建模的手段不仅可以清楚地呈现惯性基准系统与飞机各系统的交联关系，使得系统与子系统之间的追溯关系清晰、完整。同时功能建模过程中系统功能的迭代和嵌套可以作为飞机后续详细设计阶段参考。

基于以上分析，该文以EA软件作为功能建模平台，论述了飞机惯性基准系统的功能建模方法。

1 功能分解

飞机级功能主要来源于市场需求和飞机的操作理念。进行飞机级功能的定义和分解时一般要遵循以下原则：（1）以需求为牵引，从上级功能分解到下级功能，以下级功能支撑上级功能；（2）确保功能的完整性；（3）尽量减少功能的重叠和交叉；（4）尽量提升功能级别，减少功能层次；（5）应将功能分解到合适的层次，便于进行飞机级的功能危害性分析。

根据功能分解的一般原则，可以将飞机的功能按照基础功能、主要功能，功能、子功能的层级顺序进行逐步分解，最终分配到责任系统。根据飞机级功能定义，最终有3项飞机级子功能分配到IRS，分别是：提供姿态、提供航向和提供位置，其追溯过程如下。

“从起点运动到终点”功能定义为：首先要提供导航和导引，明确目前的位置并指示设定轨迹，然后控制飞机的姿态、速度、高度及其他相关功能，使飞机沿预定轨迹飞行。此功能分解为“控制飞机”和“导航与导引功能”两个主要功能。

“控制飞机”即通过控制飞机的系统或部件，使飞机以预定的姿态、速度、高度等，完成在空中和地面的运动，可以分解为：“为控制飞机提供信息”的功能，继而分解出“提供姿态”的子功能。

“导航与导引”即提供飞机在地球坐标系的位置信息，为自动飞行系统提供导引指令信息。包括导航和导引功能，导航功能可以分解出“提供航向”和“提供位置”的子功能。

2 EA建模

2.1 建模目标

EA是一个基于UML的设计和分析工具，通过EA可以完成从需求收集到模型设计到测试和维护的整个系统开发过程，而且使整个系统建模具有可追溯性。

该文主要通过功能层级图（BDD）和数据流图（IBD）的建模以在系统设计过程中辅助实现以下目标：（1）确保系统的架构可以完成飞机任务；（2）确保所有航线可更换元件（LRU）的接口被明确定义；（3）确保系统架构满足安全性和可靠性要求。

2.2 功能层级图

根据系统的功能分解和IRS的功能追溯过程，在系统建模过程中通过单元框来代表特定功能，通过系统的功能分解过程，可以建立IRS的功能层级图。功能层级图可以用来捕获所有相关系统的功能，并将其按分组形式进行管理以确保所有功能不遗漏且不重复。根据功能分解过程，图1给出了IRS的功能层级图。

2.3 数据流图

通过IBD可以建立IRS的各个功能与其他系统功能之间的数据接口，同时可以验证每个功能所具有的数据的完整性。功能端口用来定义数据流的输入或输出，命名规则为： p代表数据端口，i/o代表数据输入或输出，XXXData代表具体数据信息。例如：poAttitudeData表示输出姿态数据的端口。

2.3.1 提供姿态

IRS的提供姿态功能与其他系统的功能交联关系包括：输出姿态信息给指示记录系统作为主要飞行信息进行显示；输出姿态信息给飞行管理系统（FMS）用于实现飞行计划、导航计算、水平和垂直导引、轨迹预测和性能管理和所需到达时间（RTA）功能；输出姿态信息给综合监视系统（ISS）用以实现地形预测告警、气象信息和预测型风切变告警、交通防撞、应答机、广播式自动相关监视发送和接收功能；输出姿态信息给自动飞行系统（AFCS）用于实现飞行导引和控制功能功能；输出姿态信息给飞控系统用于在三轴方向控制飞机。

2.3.2 提供航向

IRS的提供航向功能与指示記录系统的显示功能、FMS、ISS、AFCS和飞控系统统的相关功用都有数据交互关系。与提供姿态功能比较，主要差异体现在为：FMS的所需到达时间功能实现不需要航向信息，飞控系统使用航向信息以控制飞机进行滚转、偏航。

2.3.3 提供位置

IRS的提供位置功能与其他系统的功能交联关系包括：接收GNSS的位置信息进行处理输出高精度的组合位置信息给FMS和ISS，同时输出位置信息给通信系统用以实现数据链通信功能。

3 结语

在飞机的研发设计过程中，对系统的功能进行建模对后续的系统设计有很大帮助。该文主要论述了IRS系统的功能分解过程，并以EA软件为平台建立了IRS的功能层级图和功能数据流图，体现了IRS功能的可追溯和功能之间的交互关系。

参考文献

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[2] 管锋，周传喜，陈君若.带台阶厚壁管类工件水淬的计算机模拟[J].材料科学与工艺，2004（6）：590-593.