倪翔 范宝军
中航飞机研发中心 陕西汉中 723000
摘要：无线电的导航系统是航空飞行的重要组成部分，也是飞行检验仿真的基础。通过机载无线电导航相关组件的特点，设计了基于ARINC规范的系统及接口仿真平台。本文首先介绍了此仿真平台的功能和特点，然后给出了具体的方法实现仿真平台的硬件和软件。
关键词：无线电导航；仿真平台；接口仿真
一、仿真平台功能和特点
设计的仿真平台主要是针对机载无线电导航系统组件，主要包括NAV（导航）组件、DME（测距机）组件、GPS（全球定位系统）组件、RA（无线电高度）组件，其中 NAV 组件包括传统的 VOR（甚高频全向信标）组件、ILS（仪表着陆系统）组件和 ADF（自动定向仪）组件的功能，在较新的飞机中将三者集成于NAV组件中。以上机载无线电导航组件接口数据交互的数据类型主要是ARINC429总线数据类型，所以仿真平台主要是针对该类型的接口总线数据以及相关联的离散数据类型进行仿真。
仿真平台主要实现以下功能：
1、仿真平台能够按照设计的Ｉ Ｃ Ｄ 文档，进行机载无线电导航系统的接口数据仿真；
2、仿真平台能够监视仿真过程中底层总线上的数据；
3、仿真平台能够记录相关仿真数据，以供后续的分析使用。
机载无线电导航系统级接口仿真平台的设计是兼顾硬件和软件两个方面，分别在这两个方面上较以往的仿真平台有所改进，具有以下几个方面的特点：
1、仿真平台具有通用性。将需要进行仿真的机载无线电导航系统的相关ICD文档与仿真平台分离，即可以对不同的相关ICD文档进行仿真，而不需要对仿真平台做任何的改动。
2、仿真平台采用QAR（quick access recorder，快速存取记录器）数据进行动态仿真。仿真平台具有动态仿真模式，此时的数据来源是飞机在飞行过程中真实记录的QAR 数据包。这样，在一定程度上保证了仿真数据的合理性。
3、仿真平台的硬件终端采用飞机真实组件。仿真终端是对应的飞机真实组件，增加了整个仿真平台的真实性。
4、仿真平台具有一定的灵活性。仿真平台部分传输采用面向无连接的传输，增加了仿真平台布局的灵活性。
二、仿真平台设计
仿真平台主要由以下几个部分组成：主控程序、仿真终端、动态仿真数据源计算机以及数据库等，整体框架。如图1所示。
主控程序是仿真平台的核心，主要负责驱动底层物理板卡进行接口数据交互、大量数据的转发、监测总线数据、控制仿真终端程序的开启与停止、进行离散量控制等。
仿真终端包括对应无线电导航组件的软件仿真程序以及相应的真实组件。每个组件仿真程序有动态仿真和静态仿真两种方式，其中动态仿真又包含手动模式和自动模式，同时能够监测自身接收总线的数据；真实的无线电导航组件通过适配线缆和接头与对应物理板卡连接。
动态仿真数据源计算机主要提供仿真平台在动态仿真模式时的数据源。该计算机的数据源是采用飞机真实飞行记录的飞行数据包QAR数据，保证仿真数据的合理性，动态仿真数据源也称为航迹发生器。
数据库主要是用于存储需要仿真的机载无线电导航系统组件的ICD文档。将相关ICD文档和仿真软件设计相分离，保证了仿真平台的通用性，是此仿真平台设计的一个特点。
其中动态仿真数据源计算机采用 UDP广播的方式进行数据发送，主控程序和无线电导航组件的仿真程序之间也是通过UDP的方式进行通信。UDP传输是面向无连接的传输，传输协议简单，能够满足仿真平台数据传输要求，同时在一定程度上增加了整个仿真平台布局的灵活性。
1、仿真平台的硬件设计
在综合分析仿真平台的需求之后，硬件设计方面采用2台工业控制计算机、2块ARINC429板卡、2块离散板卡、对应的飞机真实机载无线电导航组件和满足连接要求的适配电缆和接头。
工业控制计算机具有良好的性能，能够满足该仿真平台的需要，同时工业控制计算机接口插槽丰富。ARINC429板卡和离散量板卡都采用PCI类型接口，装入对应的工控机插槽中。
真实机载无线电导航组件与板卡之间通过适配箱进行连接，将数据类型一致的接口和板卡接口一一对应连接。
2、仿真平台的软件设计
仿真平台中工业控制计算机采用Window XP系统，软件开发采用 Visual Studio 2008。Visual Studio 2008能够提供良好的底层开发以及人机交互接口。按照软件工程的思想，软件设计要具有模块化的特点，C++语言中的类概念正好具有此优点，它能够将功能模块封装起来，只提供外部程序的调用接口，方便开发和维护。ICD数据库利用 SQL Server 2008进行创建，SQL Server 2008具有智能高效的特点，对于数据库维护较为方便。
机载无线电导航系统级接口仿真平台的软件设计主要包括以下4个方面：主控程序设计、无线电导航组件仿真程序设计、ICD 数据库设计和动态仿真数据源设计，如图2所示。
（1）主控程序设计
主控程序是仿真平台的关键，相当于整个仿真平台的枢纽，起着至关重要的作用。主控程序需要处理的数据量较大，它是真正在控制底层的物理板卡进行对应类型数据的收发，具有以下功能：
①平台硬件检测：平台的硬件检测主要是在程序启动之初检测安装在工控机上的ARINC 429板卡和离散量板卡的状态，如果两种类型的４块板卡都正常运行，则进行下一步的操作，否则将停止整个仿真平台的运行。
②启动仿真软件：启动仿真软件是指主控程序在完成以上硬件检测和初始数据配置之后，用户可以通过主控程序界面启动对应的机载无线电导航组件仿真程序。
③总线数据监视：总线监视能够监测每个机载无线电导航组件仿真程序的总线数据，主要是 ARINC429 数据，同时包括数据的发送周期和发送次数。
由于主控程序处理的数据量较大，为了防止程序发生阻塞，在软件设计中采用多线程技术。对于总线数据发送和接收分别开启对应线程，线程的并行执行，解决了程序运行缓慢和可能发生阻塞的问题。
（2）机载无线电导航组件仿真程序设计
由于仿真平台上共有4个组件：NAV组件、DME组件、GPS组件和RA组件，每个组件分为左右两侧，共8个组件，所以对应有8个仿真程序。这些仿真程序整体的软件框架相同，唯一区别是仿真的接口数据不同，
具有以下的功能：
①初始数据配置：初始化数据配置主要是配置程序运行之初所需的数据，程序通过访问ICD数据库和.ini配置文件，将仿真软件界面上的数据初始化，配置文件和ICD数据库可以按照实际需要进行修改。
②仿真数据管理：仿真数据管理主要是编辑仿真数据和控制仿真数据的发送进程。
③仿真数据存储：为了能够独立分析具体某个机载无线电导航组件ICD文档的正确性，增加了仿真数据存储功能。对经过机载无线电导航组件仿真软件的所有数据进行存储，包括发送和接收的ARINC429数据以及离散量数据。
三、实验验证
机载无线电导航系统级接口仿真平台搭建完成之后，进行总体的联合调试。首先进行平台的静态调试，在确认每条总线通道正常通信之后，再进行平台的动态调试，分为手动仿真和自动仿真模式。
机载无线电导航系统级接口仿真平台严格按照验收测试报告进行测试，最终仿真平台能够实现平台设计之初制定的功能以及达到相关的技术指标要求，并且成功应用在我国某型飞机研制初期的相关仿真系统中，同时该研究结果也可以作为机载导航系统相关研究的参考依据。
参考文献：
[1]高海光.飞机着陆导航定位技术研究[D].长春理工大学，2014.
[2]杨镜.分布式多源融合自主导航系统信息传递与故障检测研究[D].南京航空航天大学，2014.
[3]于德斌.卫星（GPS/北斗）导航信号仿真研究[D].中国民用航空飞行学院，2014.
[4]唐辛冰.SINS/GPS紧密组合导航系统仿真研究[D].湘潭大学，2014.
论文作者:倪翔,范宝军
论文发表刊物:《基层建设》2015年22期供稿
论文发表时间:2016/3/21
标签：平台论文; 组件论文; 无线电论文; 数据论文; 程序论文; 板卡论文; 接口论文; 《基层建设》2015年22期供稿论文;