民用飞机惯导信号仿真设计

金荣深， 惠光飞

（上海飞机设计研究院， 上海 200120）

引言

惯导信号是飞机机载导航系统的重要组成之一，也是飞机飞控系统控制律解算的重要输入。同时，惯导信号作为驾驶舱仪表显示系统的原始输入源，为飞行员执行飞行任务安全飞行提供重要的、直接的参考信息。

某型民用飞机惯性基准系统（IRS）由独立的多套传感器构成。该系统采用陀螺惯性导航技术，通过感受机体轴的角速率和轴向线性加速度，并对这些数据进行数字化处理来为飞机飞行提供姿态、航向、速率、加速度和即时地理位置等信息。IRS还可以与飞行管理系统和全球定位系统接口来提供多传感器组合导航[1]。

多套惯导传感器IRS分别经ARINC429总线将信号直接发送至飞控计算机进行表决、修正、解算，进而得到表决后的机体姿态信息、地速、航迹角等实时信号。基于飞控系统的地面模拟试验需求，需要灵活配置惯导传感器的静态值、故障注入等状态，对惯导信号的仿真提出了直接需求。

1 方案

1.1 软硬件组成

惯导信号仿真器主要由上位机和工控机组成，其中工控机内配置若干总线类通讯板卡（如Arinc429、VMIC、DIO板卡等）。同时，设置故障注入接口管理设备，将设备输出的总线信号、离散量信号统一梳理、配置，以满足灵活设置故障状态、故障快速恢复的功能。

上位机采用高性能计算机，运行Windows操作系统，以VC++或其他软件为平台进行定制软件的开发，用于参数在线配置、数据监控、显示和存储。下位机采用PXI机箱，配备总线通讯板卡，运行实时操作系统，其架构如图1所示。

图1 仿真器架构

各冗余通道间应保持高度同步，以避免触发系统故障，同时在参数在线配置中，应同步修改各通道数据。

为了实现不同总线信号的仿真，选用相应种类的接口卡以实现数据总线的输出，上下位机采用以太网方式连接。可用以太网形式接收试验管理系统的控制指令等，并可通过VMIC方式实现与飞行仿真系统的连接[2]。

1.2 故障注入接口管理设备

接口管理设备采用模块化设计，各传感器分别配置一个相应的试验模块，主要包括系统互联、信号切换、电气信号故障模拟以及信号采集与监测的功能。该设备与下位机之间以标准航空电缆连接，依据信号类型采用航空插头分离，保证在信号传输正确性和完整性的前提下提供采集与监控测试口[3]。

根据惯导信号的冗余管理特性，其故障注入手段必须能够真实地模拟单一部件或模块的异常情况；同时，需要兼顾多个部件同步并发故障，达到还原真实故障状态模拟的效果。在系统地面模拟试验中，还需兼顾ARINC429总线类故障，主要包括源识别码SDI、SSM、ODD等数据位，以偏航角速率Yaw_Rate配置为例，提供如图2所示的在线配置端口。

图2 参数配置示意图

1.3 接口模型

为了满足试验中灵活配置参数的目的，需要建立飞机姿态值与各通道传感器仿真的一一对应关系。同时，基于Matlab/Simulink平台搭建底层总线板卡的驱动模块[4]。

以惯导飞机IRS机体俯仰角速率扫频信号仿真为例，基于Matlab/Simulink平台搭建接口驱动模型，并编译下载至下位机工控机，实现实时仿真和在线参数配置，如图3所示。

图3 接口驱动模型

2 验证

在控制律扫频模拟试验中，利用惯导信号仿真器，飞控系统实时接收到仿真器设置的俯仰角速率Arinc429总线信号，经系统采集和控制律表解算后的角速率值如图4所示。

图4 飞控系统俯仰角速率数据采集结果

结果表明，仿真器能够准确模拟惯导俯仰角速率扫频，实现了多路惯导冗余传感器同步在线仿真配置，满足试验需求。

3 结论

从某型民机飞控地面模拟试验需求出发，介绍了惯导信号仿真器的软硬件架构和故障注入模块，并将此仿真器成功应用到惯导信号仿真中。在不具备IRS真件的前提下，利用该仿真器仿真了满足需求的惯导俯仰角速率Arinc429总线扫频信号，缩短时间周期，提高了试验效率。仿真器为故障类试验提供了一种可行、快捷的试验手段。