综合航空电子与控制虚拟仿真实验教学系统设计与开发

涂继亮，陶秋香，刘 辉

（南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063）

综合模块化航空电子与控制系统是由导航、控制与机载电子设备组成的复杂系统，是各国争相发展的高科技领域，也是关系国防安全的关键领域[1-2]。航空电子信息类相关专业为培养该领域人才，迫切需要充分利用信息化技术，建立先进的、面向多学科专业的虚拟仿真实验教学系统，帮助学生更好地理解综合模块化航空电子与控制系统中的关键技术问题，从而为飞机的制造、安装与调试工作打下良好的基础[3-7]。南昌航空大学建立了一套虚实结合、形象直观、反映工程实际的航空电子与控制虚拟仿真实验教学系统[8-9]。该系统旨在服务本校电子信息工程、电子信息科学与技术、自动化、电气自动化专业以及近航空电子与控制类专业高年级学生及导航制导方向的研究生课程教学，包括基础实验教学、综合性实验教学和创新性实践教学，并且实验教学内容、教学模式和机制的不断更新、发展和优化，在青年教师培养，航空企事业单位、军地融合人才培养中发挥了重要的作用。

1 实验教学系统建设环境

本文设计实现的虚拟仿真实验教学系统依托南昌航空大学综合航电系统数字实验平台，该平台主要面向全校5个学院近控制类专业及课程的高年级本科生及导航制导方向研究生进行飞行控制理论的实验教学，实验内容强调以航空工业为背景，产学研结合，突出学生创新型工程能力的训练和培养。本数字实验平台于2015年投入约400多万元资金建设完成，主要设备包括：连接各实验室的100兆交换式Ethernet（与校园网相连）、16口千兆以太网交换机、SGI Onyx2工作站、HP服务器、VR人机交互设备、高档微机、集群、图像数据采集设备（高分辨率扫描仪、数字摄像机）、高分辨率投影仪、小型三自由度转台、移动靶标、飞行模拟座舱、舵面可驱动飞机模型等。该数字实验平台室内场景如图1所示。

图1 综合航电系统数字实验平台室内环境

2 实验教学系统的建设目标

通过虚拟仿真实验，应实现以下教学目标：

（1）利用实验室全数字综合航电系统先进便捷的原型实现途径和虚拟仿真技术，让学生掌握航电系统及其控制系统（包含系统结构设计、动力学仿真、传感检测元件、飞行控制系统等）的教学内容，帮助学生从原理到实现的全过程完成认知实践；

（2）模拟飞机操控，通过虚拟仿真形式获取各导航卫星的信息，并利用虚拟仪表进行跟踪处理，帮助学生掌握和学习多传感器组合定位与导航系统中所采用的设备与系统的特点、结构和工作流程，完成整个飞机驾驶的实际场景仿真；

（3）按照虚拟教学系统提供的虚拟环境，允许通过远程网络设计飞机起降制导律和控制律，完成设置飞行数据以及操作起飞、巡航、攻击及返航等一系列飞行控制实践，利用三维虚拟仿真的形式给出飞行器的运动轨迹生成与获取的过程。

3 虚拟实验教学系统模块设计

本虚拟实验教学系统以航空机载系统为背景，把飞行器设计、飞行导航控制、电子工程和计算机等专业内容以虚拟实验的形式加以提炼，开发出系列的基于虚拟现实与增强现实的虚拟仿真实践资源。将相关专业的实验资源进行整合和优化，形成与之相对应的航空电子与控制虚拟仿真实验教学体系，设计若干虚拟仿真开发项目，以立项的形式，促进虚拟仿真学生俱乐部和开发小组的组建。

综合航空电子与控制系统虚拟仿真实验教学系统项目建设包括4个模块。

（1）飞行器导航与测试虚拟仿真实验模块。该模块主要服务于“定位与导航系统”“现代导航测试技术”“最优滤波与组合导航”“全球导航卫星系统”及“测试信号分析与处理”等专业课程[10]，主要内容包括航空电子与控制系统的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式，飞行器信息感知、信息传输、飞行任务控制、执行机构，以及实验对象的构思、分析和计算，通过三维虚拟仿真实现惯性导航系统与卫星导航系统，为后续惯性/卫星深组合仿真奠定基础。

（2）飞行器信息传输与处理虚拟仿真实验模块。该模块主要服务于“网络通信实现技术”“航空总线技术”“并行与分布式计算”和“嵌入式测控系统”等专业课程，以虚拟仿真的形式生成各类机载总线数据，通过测试软件和硬件对所设计的航空总线架构、传输协议、误码率及时延等进行分析。

（3）飞行器控制系统虚拟仿真实验模块。该模块主要服务于“光通信”“飞行控制系统”“直升机/无人机飞行控制”和“飞行综合控制”等专业课程，通过三维虚拟仿真环境，对电/光传飞控实现过程中的关键技术，如光作动器、光传感器、光总线等进行设计与开发实验。

（4）飞行器电气系统虚拟仿真实验模块。航空电源系统包括发电、电能变换、配电、负载等多个单元及部件，部件本身特性及部件之间的相互影响均较为复杂。该模块以飞机电源实物系统为测控对象，通过虚拟仪器软件或示波器进行飞机电源结构、电子线路、电压检测与控制的设计与分析。

在虚拟仿真实验教学模块建设的基础上，按照综合航空电子与控制系统闭环仿真架构，将各实验模块关联起来，针对无人机、直升机、大型客机等飞行器构建综合性虚拟仿真实验平台。结合虚拟仿真实践资源，促进虚拟仿真学生俱乐部和开发小组的组建。

4 实验教学系统实现路径

4.1 飞行器导航与测试虚拟仿真实验模块

飞行器导航与测试主要是测得飞机的航姿信息和大气数据信息，为飞行控制系统提供实际数据，并与飞行指令比较后生成指令误差，送到飞行控制计算机进行控制律计算[11]。在虚拟实验室构建过程中，可采用2种虚拟仿真实验实现方式：一种是采用VRML技术结合ActiveX控件实现的三维虚拟仿真实验；另一种是基于Flash的二维虚拟仿真实验。

该虚拟仿真实验教学系统包括参数设置与传感器数据读入接口、导航设备仿真、信息存储与处理、硬件综合控制与通信、导航计算机以及信息显示处理等模块，其体系结构如图2所示。图3为惯性导航和卫星导航系统交联图。

图2 飞行器导航与测试虚拟仿真实验模块体系结构

图3 惯性导航和卫星导航系统交联图

本模块可为本校电子信息工程、通信工程、电子信息科学与技术、自动化、测控与仪器、飞行器设计等专业的本科生、研究生开设以下惯性导航与卫星导航虚拟仿真实验项目：

（1）飞行器高精度航迹仿真实验（认知型）：通过三维虚拟仿真的形式给出飞行器的运动轨迹生成与获取的过程；

（2）加速度及陀螺数据仿真实验（基本型）：获取加速度计及陀螺数据，进行误差仿真分析；

（3）多星座卫星信息的捕获跟踪仿真实验（设计综合型）：通过虚拟仿真形式获取各导航卫星的信息，并进行跟踪处理；

（4）惯性/卫星深组合仿真实验（创新研究型）：分析惯性和卫星虚拟仿真实验结果，并开展深度融合算法研究；

（5）飞机空速仿真实验（基本型）：以虚拟仿真形式给出飞机空速传感器的工作原理，并设计提高测量精度的措施；

（6）传感器冲击响应仿真实验（基本型）：以虚拟仿真形式分析在振动冲击情况下气压、空速传感器精度变化。

4.2 飞行器信息传输与处理虚拟仿真实验模块

飞行器信息传输与处理，是指将测得传感器信息和指令信息通过数据链传输到计算装置并进行数据的预处理。

该实验模块以民用飞机上的 ARINC-429、AmNC-629 和CSDB机载数据总线，应用于军用飞机上的MIL-S1D-1553B、STANAG3838 /3910机载数据总线[12]，线性令牌传递总线 LTPB，光纤分布式数据接口FDDI和航空电子统一网络中可变规模互连接口SCI，光纤通道FC，以及目前最新全双工交换式以太网AFDX为实验对象，通过虚拟仿真实验，让学生了解不同航空总线的工作原理，并能熟练分析各类航空总线的架构设计、技术特点、协议规范、拓扑结构、通信接口设计方法。该实验模块可完成以下虚拟仿真实验教学项目：

（1）1553B总线仿真实验（基本型）：以虚拟仿真形式生成1553B总线数据的架构设计、传输协议分析、误码率分析；

（2）FC总线仿真实验（基本型）：以虚拟仿真形式进行 FC总线的架构设计、传输协议分析、误码率分析；

（3）AFDX总线仿真实验（基本型）：以虚拟仿真形式进行AFDX总线数据分析；

（4）航空网络综合仿真实验（设计综合型）：以虚拟仿真形式生成先进航空网络（如LTPB、FDDI和SCI总线）总线数据，对其进行分析。

4.3 飞行器控制系统虚拟仿真实验模块

飞行器（含发动机）控制主要通过获取的传感器信息和指令信息进行控制指令计算，并由执行机构执行。该实验教学模块不仅结合当前实际研究进展，还面向未来飞行器控制领域发展趋势，通过光电信息传输、光传控制作动器、超高速光传信息传输等虚实结合实验，培养学生的创新意识和创新能力，同时为教师提供科研实验平台。

利用虚拟现实技术和真实气动力学模型，可创建逼真的飞航环境与操作环境来进行飞航模拟，极大增强模拟训练的真实感，能够对模拟座舱中的驾驶杆、油门杆以及实验平台的转动、伺服机构的伸缩进行模拟，提供不同飞航情况下驾驶、机组人员及乘客的模拟训练。学员可以根据需要修改参数，通过对故障设备局部放大及故障过程进行慢速度回放的方式，帮助驾驶员从多角度观察设备运行情况或故障发生过程；在动态重构的三维场景中，通过动画实时显示飞机模型在飞行程序的控制下如何实现制导飞行和姿态控制，驾驶舱虚拟仪表能够显示飞行器的实时姿态和位置。

该实验教学模块融合飞行中所遇到的各种元素，对于气象及地理环境、飞行控制率、空气动力、稳定增强系统、自动驾驶仪和其他飞行器装备（例如航电、电气）、地面飞行引导等，都能够在虚拟实验教学模块中以独立的控制组件进行建模，从而全面考验飞行控制程序的适应能力，在一定的程度上能够避免人工判读飞参数据效率低及漏判、误判问题。图4为飞行控制虚拟仿真演示系统结构。

图4 飞行控制虚拟仿真演示系统结构

4.4 飞行器电气系统虚拟仿真实验模块

当代新型飞行器朝着多电、全电飞机方向快速发展，有必要通过建模、仿真以及搭建虚拟实验教学对飞行器电气系统进行研究。飞行器电气系统主要包括提供能量的发电系统、航空电机及其热管理系统等。该虚拟仿真实验模块利用现有航空电源系统仿真支撑平台，结合多电飞机发展方向，构建航空宽变频交流电源系统、航空高压直流电源系统虚拟仿真实验教学模块。限于篇幅，下面给出的是双发电通道飞机电源系统虚拟仿真实验流程，如图5所示。

图5 双发电通道飞机电源系统虚拟仿真实验流程

该模块能够以虚拟仿真的形式进行飞机低压直流电源结构、电子线路、电压检测与控制设计与分析，生成双发电通道电源输入和输出信号，通过虚拟仪器进行电子线路、电压检测与控制的设计与分析。

5 实验教学手段和方法

在综合航空电子与控制虚拟仿真实验教学中，灵活采用线上线下相结合、案例教学、情景体验式教学、小组讨论等教学方法。

（1）线上线下相结合教学法。由于GPS卫星导航及SY-80A型火控雷达设备配置数量有限，或GPS卫星导航的一些重要功能（如航线监测、故障报警）无法实现，需采用线上线下相结合的方式进行实验教学，对重要的真机设备采用虚拟现实技术，直接、快速、精炼地让学生进行认知实践，同时允许学生对重要的设备进行网络查找资料及教学资源等，使学生具有坚实的理论基础。

（2）案例教学法。在教师的指导下，由学生在全数字航电系统环境下自主选定飞行控制系统典型案例，自行完成案例学习，在学习过程中提出问题、展开讨论、归纳总结、做出判断和评价。这种实验教学方法拓宽了学生思维空间，可起到印证原理、加深理解、巩固知识的作用，充分发挥本实验项目的启发性、实践性。这种范式特别适合培养学生的应用能力。

（3）情景体验式教学法。实验项目模拟了 20种不同的飞行环境。学生在飞航模拟中可真实体验飞行环境和操作环境，并且不受实体座舱数量限制，提供驾驶、机组人员及乘客等针对不同的飞航情况进行模拟训练，并且强化训练人员的操作水平。

（4）小组讨论法。在本实验项目教学中多处采用小组讨论法。讨论主题可由教师指定，例如飞行器通信协议、航电系统架构及组成、航电系统安全性分析、网络通信与控制一体化、飞行器协同自主控制；也可以由各小组学生自由进行，学生根据实验项目涉及的知识点，自主决定实验时长、次数。这种小组成员之间相互依赖、相互沟通、相互合作、共同负责，强调集体性任务，强调教师放权给学生，非常符合飞行器导航及控制实践中的真实情况。

（5）产学研协同教学法。通过校企合作，持续拓展虚拟仿真实验教学项目，提升航空电子与控制虚拟实验教学平台内涵，完善虚实结合的在线虚拟仿真实验教学资源库，促进教学资源的深入建设。以此为基础，我校成立了校企联合虚拟仿真实验室，构建系统先进、综合性强的航空电子与控制虚拟仿真实验教学体系，引导学生将虚拟仿真技术应用于实验实践和科技竞赛中，促进VR技术在实践教学中的普及，固化产学研协同育人的合作成果。

6 结语

本文设计开发的虚拟仿真实验教学系统以服务航空电子系统发展需求为导向，以培养学生工程实践和创新能力为目的。通过场景虚拟、设备虚拟等技术手段，为学生展现与航电系统及飞行控制实际相一致的操作流程，帮助学生操作包括机上电源、多功能显示器、惯性导航系统、大气机、任务机、武器外挂管理系统等与雷达相关的综合航电系统主要设备的工作情况及使用技能，达到指导训练和操作的目的，搭建起学校和用人单位间的技术桥梁。通过紧密结合航空国防特色科研，将有更多的优质科研资源转化为课程教学虚拟仿真实验项目。