试飞数据在飞行模拟器上的应用

赵旭东

(北京蓝天航空科技股份有限公司,北京 100085)

随着航空飞行器的迅猛发展,大量军用、民用飞机投入使用和运营,因此飞行模拟训练得到各国军队、民航的普遍重视。利用飞行模拟器进行飞行训练,具有提高训练效率、节省训练经费、保证飞行安全、减少环境污染等优点[1]。

飞行模拟器和风洞、喷气发动机试验台、结构环境试验设备并列为航空四大试验研究设施,涉及到飞行仿真、机电控制、导航制导与控制、计算机控制、图形图像、虚拟现实、人体工程学等多个学科知识,是多学科交叉集成的高科技产品,它能够逼真地再现飞机的飞行特性,在民用和军事上发挥着重要作用[2-3]。

飞行仿真中的数据处理、建模及数据拟合等专业技术是研制高等级飞行模拟器的核心所在,特别是试飞数据的应用及数据包的生成技术,已成为研制高等级飞行模拟器的关键技术。

1 国内外研究现状与发展趋势

在飞行过程中,飞机各系统、各部件的工作状态总能通过相应的参数表现出来。20世纪中期,美国、德国、法国等国家研制出了飞行参数(下文简称飞参)记录系统,该系统能记录并保存飞机的一些重要飞参[4]。经过近半个世纪的发展,飞参记录系统由最初记录几个或十几个数据,发展到今天能同时记录上千个数据。对这些数据的利用也不再是局限于事故调查,而是拓展到飞机研制、试飞、飞行模拟训练、飞机状态监控、飞机故障诊断与预报、飞机视情维修及飞行模拟器研制等诸多方面。

从20世纪70年代开始我国研制飞参记录系统,虽然起步较晚,但是发展迅速、技术日臻成熟。当前,我国机载飞参记录系统已能记录几十乃至上百个参数,主要应用于利用飞参数据测试和验证飞机的设计性能、调查失事原因、对飞机进行维护和监控、评估飞行考核等方面。自飞参记录系统大规模列装国产军机后,如何充分利用飞参数据已成为研究热点。通过对飞参数据中飞行员操纵信息及实时航向和姿态等六自由度参数的智能分析,实现飞行员操作水平的评估[5-7]。

以飞参数据为输入,对试飞数据进行一系列的分析、截取、加工及图形化处理,所得结果可作为高等级飞行模拟器性能的客观评价依据[8-9]。

2 试飞数据的分析和处理

试飞数据的分析和处理工作包括:①分析工作,结合经验和标准对试飞数据的可用性进行判断,主要由人工完成;②处理工作,通过技术手段提取数据或调整文件格式,主要依赖程序实现。

2.1 试飞数据的分析和处理流程

试飞数据的分析和处理是循环迭代的过程。处理和分析的服务对象是后续的拟合工作。根据拟合工作的需求,需要反复与客户协商,获取补充数据。试飞数据分析和处理流程如图1所示。

图1 试飞数据分析和处理流程Fig.1 Flow chart of test flight data analysis and processing

(1)客户提供试飞数据

试飞数据由客户提供。试飞数据应至少包括以下3种文件:试飞数据文件、飞行日志、参数对照表。

(2)数据提取

数据提取是指从原始试飞数据文件中选取测试所需的数据,生成标准格式数据文件并画图。

原始试飞数据文件包含的内容较多,测试中需要识别并截取有效部分。根据客户提供的说明文件,可确认原始试飞数据文件中各列的含义;若客户提供的原始试飞数据没有分科目截取,则需要参照飞行日志,按时间段截取原始试飞数据。

原始试飞数据也称为直接数据,通过在航空总线上抓取串行数据电气信号的方式获取,以Label号为列记录下来。同一Label号可包含多个物理信息。数据提取的目的是使原始试飞数据具有可读性,为数据处理工作奠定基础。

(3)数据标准化

原始试飞数据的单位、符号需要与飞行模拟器中的定义一致。数据标准化是对原始试飞数据文件进行再处理,从而生成飞行模拟器测试所需的鉴定测试指南(QTG)数据文件和初始化文件。

(4)初步拟合

初步拟合需要达到以下2个目的:对气动模型进行初步调整,检验试飞数据的正确性。

与初步分析阶段不同,本阶段加入了飞行模拟器测试,可以更客观地对原始试飞数据进行分析,并发现数据中存在的矛盾。

(5)数据优选

根据初步拟合结果,确定用于QTG测试的试飞数据。这项工作包括以下2个步骤:①对于同一个科目提供多组试飞数据的,选择拟合效果最好的一组数据;②根据鉴定标准和拟合效果,对试飞数据进行截取。

通过数据优选,能够确定用于QTG测试的试飞数据。将测试过程中发现的问题反馈至试飞数据的提供方,从而确保选取的数据段可以得到认证。

通过以上工作,理论上已经可以发布数据包,之后若没有重大问题,则不再对试飞数据进行处理。如果无法找到合适数据段,就需要与客户协商,请客户重新提供试飞数据。

2.2 试飞数据的处理方法

数据处理工作的输入包括以下3种文件:原始试飞数据文件、飞行日志、参数对照表。

数据处理工作的输出包括以下3种文件:标准格式数据文件、QTG测试文件、初始化文件。

(1)原始试飞数据文件

试飞过程中传感器采集的数据被记录在原始试飞数据文件中。原始试飞数据文件的格式为“1+n”的形式,其具体含义为:第1行为变量名称,以空格作为分隔符;第1行以后为数据行,每一行代表一帧数据,以空格作为数据列分隔符,数据列的列数与变量名的个数相同。

原始试飞数据的形式如图2所示,列标题为数据在航空总线的Label号。其中,TIME列为相对时间,TTTT列为绝对时间。

图2 原始试飞数据文件Fig.2 Original test flight data file

(2)飞行日志

飞行日志记录了试飞时的基本信息。飞行日志中至少需要包含以下信息:日期、架次、天气、起飞重量、燃油重量、飞机重心、试飞科目、科目对应的数据文件名、科目的开始和终止时间。

日期、架次等信息是试飞数据检索和归档的重要依据。在向试飞单位反馈问题时,需要按日期和架次确定试飞数据的来源,使得试飞科目、试飞条件等影响试飞数据的因素可追溯。试飞数据中的起飞重量、燃油重量和飞机重心需要参与运算,这些数据将直接影响测试结果。

(3)参数对照表

在提供试飞数据的同时,试飞单位需要提供参数对照表或数据字典,用于解析数据文件中的内容。参数对照表记录了各传感器测量的参数名、单位以及数值的含义,如图3所示。对于测量值为0或1的参数,必须注明所代表的含义。

图3 参数对照表节选Fig.3 Extraction from parameter label list

(4)标准格式数据文件

标准格式数据文件包含95列数据,又称95列文件,如图4所示。95个参数可以描述飞机的工作状态,满足鉴定工作需要。如果机型改变,部分内容就会被调整。文件末尾有7列预留,可以根据需要添加数据。

图4 标准格式数据文件Fig.4 Standard format data file

标准格式数据文件的生成依据Excel工作簿中的客观测试95列标准数据选取表,如表1所示。在表格中需要填写原始试飞数据文件中列名与95列文件中各列的对应关系。处理程序会自动读取该表格,并依据所填内容进行处理。填写时,必须区分不同架次。

表1客观测试95列标准数据选取表格式

Tab.1Formatofobjectivetest95lablestandarddataselectionlist

列名内容No数字编号Variable In QTG DataOutput[95] Array95列文件中的列名中文含义参数的中文名称Parameter Name客户文档中记录的参数名101架次101架次中的Label号103架次103架次中的Label号104架次104架次中的Label号Unit单位

(5)QTG测试文件

QTG测试文件用于飞行模拟器主机端和绘图软件读取。QTG测试文件与标准格式数据文件的列数相同,但标题行不同。QTG测试文件采用6行标题格式,具体内容如图5所示,数据部分的内容与标准格式数据文件(95列文件)的内容完全相同。

图5 QTG测试文件Fig.5 QTG test file

(6)初始化文件

初始化文件记录了飞机在测试开始时的初始化状态,包括姿态、起飞重量、大气环境等。每个科目都需要一个初始化文件。在测试开始时,模拟器会读取文件内容。同时,初始化文件也可用于编写客观测试指南。

初始化文件具有较好的可读性,但格式复杂。图6所示为初始化文件的一部分。初始化文件的生成方法采用模板化思路。将初始化文件中固定的文本写在模板(见图7)中,数字的位置和来源记录在Excel表格中。处理程序根据每条记录找到这些数据的来源,并填写在模板的特定位置,最终生成新文件。

图6 初始化文件Fig.6 Initialization file

图7 初始化文件模板Fig.7 Template for initialization file

初始化参数对照表的格式如图8所示。在生成初始化文件时,处理程序首先读取参考文件列,从而获知该参数来源于哪种数据文件。随后,在客观测试95例标准数据及科目汇总表中查找到文件的路径并读取。最后,通过对应的重量文件或95列文件,获得相应数据文件中的列名,找到相应数据。图8中的行和列表示数据在初始化文件中的位置,处理程序会根据这2个信息将数据插入到文件模板的相应位置。

使用模板生成初始化文件的优势在于,可以实现对文件格式的任意修改。只需修改初始化参数对照表和模板文件的内容,就可完成修改工作。

图8 初始化参数对照表Fig.8 Comparison table of initialization parameters

2.3 试飞数据处理的关键技术

由于传感器误差、机载电压不稳等因素造成原始试飞数据与噪声数据杂糅,因此需要使用正确的方式对原始试飞数据进行滤波,同时抽取真实有效的试飞数据。

试飞数据处理宗旨是找出试飞数据处理的最优方法,目的是在去除噪声数据的同时,获取最真实有效的试飞数据,并且对试飞数据进行平滑处理。试飞数据处理主要包括以下工作:

(1)对原始传感器数据的格式、单位、值域、符号等进行转换及滤波。

(2)对转换后的传感器数据进行质量检查,评估不满足要求的科目,从而确认是否需要重新试飞。

(3)按照客观测试要求,对数据进行筛选提取,形成满足鉴定测试要求的数据。

(4)按照标准格式建立数据文件,并选取试飞验证数据和模型校核数据。

3 试飞数据拟合方法

试飞数据拟合的目标是通过调整仿真模型,保证所有试飞数据符合容差要求。根据CCAR-60规章对客观测试的相关规定,试飞数据拟合需要保证飞行模拟器仿真结果与试飞数据的误差在一定范围内。CCAR-60规章中对容差的规定比较严格,即使理论模型与实际情况存在微小偏差,也会导致仿真结果超过容差要求,所以拟合工作在飞行模拟器客观测试中是必不可少的。

3.1 试飞数据拟合方法的工作流程

国外公司在客观测试方面具有丰富的经验,以KSR公司的客观测试准备工作流程(见图9)为例,客观测试准备工作包括以下3个重要部分:理论模型构建、试飞数据处理、气动模型辨识。

对比国内某项目客观测试准备工作流程(见图10),可以发现:虽然国内在这方面的工作经验有限,但是与国外公司的基本工作框架一致。这说明现阶段工作的整体方向是正确的,只是在实现方法上存在差距。图9中的“气动模型辨识”即为本文所述的数据拟合工作。

图9 KSR公司的客观测试准备工作流程Fig.9 Objective test preparation working flow of KSR Company

图10 国内某项目客观测试准备工作流程Fig.10 Objective test preparation working flow of a project in China

在国内某项目中,气动模型由客户提供,符合国际通用的飞行模拟器建模方式,气动模型的完备程度也是迄今为止所有项目中最高的。之后的数据拟合工作是对理论模型的调整。如果没有理论模型,而完全通过试飞数据构造模型,就几乎无法实现所有科目的拟合。

国外公司在强调理论模型重要性的同时,采用气动模型辨识技术进行数据拟合。气动模型辨识技术依然需要原始模型作为支撑,如果理论模型与试飞数据差别很大,就很难辨识出正确结果[10]。

理论模型需要符合飞机的飞行包线,以及具有正确的动态特性。最终,理论模型还需要通过飞行员的主观测试。

国内某项目中的气动模型,曾在工程模拟器上得到飞行员验证。用于飞行模拟器仿真的气动力理论模型,可以参考国际航空运输协会(IATA)的相关文档。气动模型需要输出6个全机气动力系数,对应空间内的六自由度运动[11]。

3.2 试飞数据拟合方法的实现

数据拟合是一个循序渐进的过程,通过一轮工作很难使所有结果符合容差。因此,利用数据拟合方法,逐步修正气动模型和试飞数据之间存在的问题,最终达到鉴定要求。

在初步拟合阶段,不要求测试结果符合容差规定,只要与试飞数据近似即可。调整气动模型的手段为整体对气动系数增加偏移量,或修改气动导数。初步拟合阶段主要关注舵效、配平以及动态特性的运动周期和阻尼。

图11和图12展现了初步拟合前后的测试效果。虽然图12中的曲线拟合效果很好,但是局部放大后(见图13),与试飞数据间的误差依然很大,不符合容差要求。然而,这样的结果已经达到初步拟合的目的,可以开始后续工作。

图11 初步拟合前的测试结果Fig.11 Test results before preliminary fitting

图12 初步拟合后的测试结果Fig.12 Test results after preliminary fitting

图13 初步拟合后测试结果放大图(俯仰角)Fig.13 Detailed test results after preliminary fitting(angle of pitch)

客观测试中的科目可分为地面科目和飞行科目,与气动相关的是飞行科目。飞行器的气动特性可分为纵向特性和横向特性;飞行器的飞行状态可分为稳态特性和动态特性,其中动态特性又包括了长周期特性和短周期特性。

对气动模型的调整,需要遵循一定顺序,可将调整顺序简单概括为:先纵向再横向,先稳态后动态。

4 展望

在飞行模拟器试飞数据获取的基础上,结合国际高等级飞行模拟器数据包的开发经验和规范要求,对高等级飞行模拟器数据包的开发进行深入研究,形成符合国际飞行模拟行业的完整规范的数据包,实现全面掌握飞行模拟器数据包开发技术,进而打造具有自主知识产权的各种机型的高等级飞行模拟器。