飞行模拟机数据包发展综述

2021-07-30张俊杰伍小东孙绍辉

测控技术 2021年7期

张俊杰, 李刚, 伍小东, 王清, 孙绍辉

(1.北京蓝天航空科技股份有限公司，北京 100085；2.中国民航科学技术研究院，北京 100028；3.中航西飞民用飞机有限责任公司客户服务中心，陕西西安 710089)

飞行模拟机数据包是飞机制造商经民航管理或其他航空管理机构审定批准后提供给飞行模拟机制造商(Training Devices Manufacture,TDM)用于设计、制造和测试飞行模拟机所需各类数据的集合[1-3]。

高等级飞行模拟机(Full Flight Simulator,FFS)要求与所模拟的飞机具有极高的性能逼真度，而性能逼真度的关键是成熟、完整的飞行模拟机数据包。它的完整性、准确性决定了模拟机在飞机系统功能、飞行特性、感觉提示等方面的逼真程度，从而影响到飞行训练的质量和飞行运营的安全。

随着国内航空产业的迅速发展，民用飞机和军用飞机不断研制成功，而与之相配套的高等级飞行模拟训练设备的发展却进展缓慢。分析其原因不难发现，飞行模拟机数据包开发技术成为制约国产飞机的高等级飞行模拟训练设备发展的关键。

因此，有必要对国际上飞行模拟机数据包的发展进行研究，以期为国内飞行模拟机数据包技术和高等级飞行模拟训练设备的发展提供借鉴。

1 国外发展

飞行模拟训练设备产业是航空工业的一个细分方向，与航空产业的发展水平同步，以波音和空客为代表的西方航空产业发展十分成熟，在飞行模拟训练设备及数据包方面同样十分成熟，下面以波音公司和空客公司的数据包为例进行介绍和分析。

1.1 波音数据包

根据波音公司的介绍，波音公司全球服务部门(Boeing Global Services ，BGS)下属的Training & Simulation Digital Services针对模拟机提供专门的高质量服务，包括波音仿真包(Boeing Simulator Packages，BSP)、软件建模仿真以及训练中心运营支持等[4]。其中，波音仿真包就是波音为其飞机的模拟机制造商提供的全套数据、软件、硬件套件及技术支持。

实际上，根据资料分析，波音公司对模拟机的数据包服务最初并非如此，经历了以下3个阶段。

1.1.1 传统数据包(Traditional Simulator Data Packages，SDP)

波音公司SDP应用于787之前的机型，例如麦道系列、737、747、757、767和777。SDP提供包含飞机图表、图纸以及专门为模拟机的气动、推进、飞控、地面操纵、飞机系统、声音和振动等仿真而编制的技术文档。

传统数据包以纸质或电子版格式提供，包括.pdf文件、接口控制文件(ICD)，规范控制文件(SCD)等。TDM获得数据包授权后，可根据这些文件开发模拟机的仿真模型，进行模拟机的测试、验证和鉴定等工作。

波音意识到这种方式提供的数据包可以无限复制，无法有效地控制波音的知识产权，因此，波音逐渐采用二进制的形式提供数据包的核心部分，以前的机型也采用新的方式进行授权。

1.1.2 波音仿真包(787)(BSP)

从787开始，波音以BSP的形式提供数据包，787 BSP的特点如下。

① 包含波音及其供应商的数据、软件和硬件。

② 通过包含供应商资料和硬件，波音帮助TDM节省与每个供应商就每个细节谈判的成本。

③ 提供模拟机使用的支持ARINC 610C标准[19]的集成软件的机载部件。

④ 支持维护训练功能(包括启动测试和机内自检设备)。

⑤ FFS授权许可费用中包含数据更新升级服务和技术支持。

从第二阶段可以看出：波音提供的数据包已经包含软件(二进制)、硬件和支持ARINC 610C的机载航电等，名称也由数据包变为仿真包。

1.1.3 波音仿真包(BSP)

737MAX、777X以及更新的机型的BSP的特点如下。

① 包含波音及其供应商的数据、软件和硬件。

② 维护训练功能可选。

③ 相当比例的飞机和系统仿真以二进制的形式提供，并由波音开发和维护。

④ 除买方提供的设备(Buyer Furnished Equipment，BFE)外，全面提供模拟机硬件套件供TDM选择。

⑤ 提供模拟机使用的支持ARINC 610C标准的集成软件的机载部件。

⑥ FFS授权许可费用中包含数据及二进制数据包的更新升级服务和技术支持。

从第三阶段可以看出：波音以二进制的形式提供几乎所有的飞机和系统仿真模型，并全面提供开发和维护服务。

需要说明的是，波音提供了专门为模拟机设计的座舱硬件，包括硬件套件(Hardware Kit)和仿真航电(Simulated Avionics)，其中硬件套件按照标准飞机构型的机载件经过裁剪后制造，仿真航电专门为模拟机设计了多种接口。因此，这些硬件具备与真机媲美的品质且更适于模拟机使用。

此外，根据资料，737MAX的仿真包包含供应商的授权，无须TDM再与飞机供应商进行授权谈判。这无疑极大地提升了TDM的研制效率，降低了研制风险。

模拟机的设计很大程度上取决于数据包的提供形式，波音针对二进制数据包的使用也提出了建议。基于波音二进制数据包的模拟机架构如图1所示。

图1 基于波音二进制数据包的模拟机架构示意图

1.2 空客数据包

空客公司的数据包服务由空客GO5团队提供，该团队聚焦于服务飞行训练运营商和模拟机制造商。每一台空客模拟机的销售都必须取得空客数据包的授权，并与空客签署最终用户协议。训练培训中心在向空客支付知识产权使用费的同时，也获得了数据包一定期限的更新升级服务[5]。

与波音类似，空客也提供包括数据、软件和硬件等全方位的训练设备的开发和制造支持服务，并且以Standard Simulator Configuration Packages(SimPack)提供。如图2所示，空客SimPack包括座舱设备(Cockpit Material)、数据包(Data Package)和仿真软件包(Simulation Software Package)3个部分[6]。

图2 空客SimPack组成示意图

1.2.1 座舱设备

空客提供多达350项飞机座舱部件和飞机真件，包括：① 主要航电设备；② 座舱结构和内饰；③ 座舱控制板；④ 供应商设备。

1.2.2 数据包

数据包按照IATA数据要求标准发布，每个数据包大概有1500个文档，包括：① 飞机设计数据；②飞机建模数据；③飞机运营和维护数据；④ 飞机验证数据；⑤ 飞机声音和抖振数据。

1.2.3 仿真软件包

仿真软件包复现了飞机的系统，如：① 电子飞行控制系统；② 飞行告警系统；③ 网络服务系统；④ 飞行动力学模型，含地面操纵模型、气动模型等；⑤ 发动机模型。

可以看出，空客数据包与波音数据包类似，都尽可能地为TDM提供所有模拟机服务。但是空客与波音不同的是，空客仅提供了核心的仿真软件包(对应于波音的二进制软件包)，比如EFCS、FWC、NFL和Engine，并没有提供更多的飞机系统的仿真软件，这些仿真软件仍然需要TDM根据数据包进行编程。因此，空客数据包相对于波音数据包属于半二进制，这点在二者的报价上也有一定程度的体现。

2 国内发展

2.1 ARJ21飞机数据包

中国商用飞机有限责任公司所属的上海飞机客户服务有限公司联合中国民航科学技术研究院在工信部民用飞机专项科研项目中，结合ARJ21飞机飞行模拟机研制和C919大飞机项目，对飞行模拟机D级数据包的开发和评审技术进行了全面的研究[1]。通过研究国内外相关标准、规章，结合飞行模拟机开发工作，搭建了民用飞机模拟机数据包基本构架，明确了民用飞机模拟机数据包中至少应包括的数据，对数据包中的数据进行了合理的分类并明确了各类数据采集、处理方法，形成了飞行模拟机数据包规范，并以ARJ21-700飞机为研究对象，开发了ARJ21-700飞行模拟机数据包(下简称ARJ21数据包)，验证了飞行模拟机数据包规范。

ARJ21数据包是我国按照CCAR-60部和相关国际、国内标准开发的能够支持飞行模拟机研制、鉴定和运营的飞行模拟设备数据包。ARJ21数据包开发与模拟机验证经历了数据需求确定、ARJ21数据包架构设计、试飞要求制定、工程数据包开发、试飞验证数据包开发、验证方案确定、模拟机设计制造、构型升级、过渡C级/D级取证等攻关阶段。其中，验证数据包包括验证参考数据、匹配证明信息、验证数据路线图和其他说明信息[7]，全部为试飞数据，是国内第一个完备的飞行模拟机验证数据包。

ARJ21数据包的开发过程中按照国际标准建立了飞行模拟机数据包数据分解方式、数据构型控制的方法，制定了数据包版本控制的机制[8]，在飞行模拟机数据包构型管理方面积累了丰富的经验。

基于ARJ21数据包研制的全动飞行模拟机已经在上海飞机客户服务有限公司投入使用并取得良好的训练效果，为ARJ21飞机成功进行商业化运营起到了至关重要的作用。

2.2 MA60飞机数据包

2001年，西安飞机工业(集团)有限责任公司(简称西飞公司)为北京蓝天航空模拟器技术发展中心提供了供模拟机研制的文档资料和数据，当年的文档资料大都以纸质介质提供，仅有一部分数据以光盘和软盘的电子介质形式提供。验证数据主要来源于飞机适航审定试飞数据。在此基础上，北京蓝天成功研制了MA60飞机C级飞行模拟机，填补了国内高等级飞行模拟机的空白。此阶段的数据包可以称之为MA60飞行模拟机数据包V1.0。

2010年，在第二台MA60 C级模拟机研制时，根据局方的要求，对MA60模拟机的数据包进行了第一次修订工作。根据飞机的构型变化，对飞机的构型/设计数据、飞机系统建模数据等进行了更新，并全部以电子版的形式发布，确定版本号为V2.0。

自2013年以来，西飞公司开始对MA60飞机模拟机的数据包进行第二次更新，主要包括：驾驶舱构型数据、动力系统仿真建模数据、补充试飞数据(验证数据、建模数据)、声音数据、抖振数据、验证数据路线图等。

对试飞数据进行全面补充是这次数据包升级的重要前提，并在此基础上提升数据包的覆盖范围，以满足MA60系列模拟机更高的训练需求。2019年10月，MA60飞机飞行模拟机补充试飞数据通过技术评审，认为补充试飞数据可用于D级模拟机数据包开发，为MA60数据包进一步升级奠定了基础。

2019年10月1日起，CCAR-60-R1《飞行模拟训练设备管理和运行规则》[12]开始施行，模拟机的鉴定性能标准以咨询通告AC-60-FS-2019-006《飞机飞行模拟机鉴定性能标准》[13]的形式发布，客观测试科目和具体要求均有一定的变化。

基于上述背景，在中国民航科学技术研究院的要求和指导下，西飞民机按照国际数据包的标准要求，并借鉴了ARJ21数据包开发的成功经验，对MA60飞行模拟机数据包的架构、内容、形式等进行了全面的开发和修订工作，形成MA60飞行模拟机数据包V3.0(组成见表1)。此次数据包升级工作遵循国际飞行模拟行业规则和CCAR-60部相关要求，参考国际模拟机数据包标准和成熟的数据包开发流程，使得该版本数据包在模拟机研制中具备更好的实用性和可操作性，并能为该型号D级模拟机的研制提供足够的数据支撑。

图3 MA60飞行模拟机数据包V3.0 VDR示例

3 国内数据包发展建议

由前文所述可以看出，国内在高等级模拟机数据包的发展上仍然处于起步阶段，国内研究、开发飞行模拟机高等级数据包尤其是D级模拟机数据包的技术相对于国外尚不成熟，数据包的形式仍然停留在传统数据包阶段。

传统数据包的特点是飞机制造商提供了模拟机研制的所有资料，TDM可以根据这些资料进行编程，开发自己的仿真模型，这就会造成不同的TDM开发出的模型存在一定的差异。虽然有模拟机鉴定标准的客观测试和主观测试的约束，但是鉴定标准并不能全面覆盖飞机的所有特性，导致不同厂家生产的模拟机性能存在一定的差异，从而导致飞行训练效果不一致。

此外，对飞机制造商来说，传统数据包不利于保护其核心技术秘密和知识产权；对于TDM来说，模拟机开发周期长、技术风险大；对局方来说，模拟机鉴定的难度和工作量都较大。

因此，国内模拟机数据包的发展可参考波音空客的模式，在以下几个方面进一步发展。

(1) 二进制数据包。

参考波音的二进制数据包，将飞机和系统仿真模型在工程模拟机上完成仿真验证和性能匹配，打包成二进制软件包或仿真软件包的形式发布，可在一定程度上代替传统数据包中的仿真建模数据。

对于二进制数据包的开发，可以分阶段进行。第一阶段可以参照空客的模式，先将核心性能模型(如飞行动力学、动力系统和飞行控制系统)以仿真软件包形式开发并提供给TDM，确保数据包的性能和操纵品质的一致性；第二阶段参照波音的数据包模式，将所有机载系统的性能模型和逻辑模型全部按照二进制开发，将飞机的全部特性都纳入数据包，作为一个整体发布。

(2) 试飞数据包。

模拟机试飞数据包包含试飞验证数据和试飞建模数据，是模拟机数据包的关键组成部分，这些数据的试飞科目和试飞点需要按照模拟机验证数据要求以及仿真模型参数辨识的需求确定，往往需要多达500～600个试飞点。飞机试飞及数据采集的费用高昂，尤其是大型民机的试飞。因此，根据试飞点的试飞要求，科学合理地制定试飞大纲，充分利用每个试飞架次采集更多试飞点的数据，对于降低试飞数据采集的成本和周期至关重要。

在数据判读和处理方面，随着技术的发展，在飞机试飞的同时，在地面可对遥测数据实时监控，通过试飞数据自动判读系统进行同步判读和在线处理。更进一步，可在地面通过试飞模拟机进行天地同步试飞，使用遥测数据同步驱动试飞模拟机进行仿真，对试飞数据和仿真数据同步绘制曲线并进行在线对比，从而快速识别二者存在的显著差异并判定试飞数据的有效性，提高试飞数据甄别的效率和试飞数据处理的质量。

(3) 座舱硬件。

飞行模拟机的座舱硬件可采用飞机真件或仿真件实现。由于飞机真实座舱硬件价格高昂，在飞行模拟机上全部采用飞机真件的经济性较差。因此，可参考波音公司硬件套件的思路，按照飞机真件的标准构型进行裁剪或改进，使其更适用于模拟机。

这些适用于模拟机的高品质仿真座舱硬件可由飞机制造商开发或授权制造，包括座舱结构、内饰、座椅、操纵机构、控制面板等，作为数据包(或者仿真包)的一部分，代替构型/设计数据。

(4) 仿真航电。

相对于一般的飞机座舱硬件，飞机航电设备价格更为高昂，并且航电设备的接口复杂，在模拟机上直接应用也带来一些不便，不能采用模拟机灵活的接口和通信方式。对于一些特殊的航电设备，如集成式备份仪表(ISI)，在模拟机上需要进行改装才能使用。此外，由于模拟机需要实现冻结、重定位等功能，对于不支持ARINC 610C标准的航电设备，在模拟机上使用可能带来故障和异常，从而影响训练效率，增加模拟机的维护成本。

因此，由飞机制造商或航电供应商开发适用于模拟机的仿真航电设备或Rehost软件，采用灵活的接口，可便于模拟机快速集成。不过由于国产民机的航电大都由国外供应商提供，需要飞机制造商与供应商就仿真航电的开发达成协议，将仿真航电或Rehost纳入数据包，从而节省TDM与供应商直接谈判的成本。

(5) 技术服务体系。

飞行模拟机数据包的开发与应用是一个相辅相成、循环往复的过程。一方面，随着飞机构型的不断变化和发展，数据包的构型也不断更新；另一方面，模拟机数据包十分复杂，在TDM和模拟机运营人的实际应用过程中，必然存在大量的问题咨询与反馈。因此，飞行模拟机数据包必须有一个专门的团队来对数据包进行构型管理和提供技术咨询服务。

波音和空客都有专门的团队为全球的TDM和模拟机运营人提供专业的数据包技术服务，促进了自家机型模拟训练设备和飞行训练产业的发展。国产飞机制造商也可以参考这种模式，逐步建立模拟机数据包开发团队和技术服务体系，在模拟机制造、鉴定和使用过程中为TDM和模拟机运营人提供数据包的全方位技术支持，同时，处理TDM和模拟机运营人在数据包应用中的问题反馈，优化完善数据包内容，从而提升模拟机的逼真度，提升训练效果。