中国指挥与控制学会会刊 
仿真是产品正向研制过程中的重要环节,通过仿真能够提前发现设计中的缺陷,避免在实物测试阶段因设计错误而增加高额修改成本和大量迭代工期。在航空航天领域,为了提高仿真系统的置信度,通常会加入真实的物理设备,构建硬件在环仿真(Hardware-In-the-Loop-Simulation,HILS)环境,减少与实物的误差[1]。当前研究总结了半实物仿真系统的进展,对飞行器制导仿真装备等发展方向进行了预测和展望[2];无人机相关的飞行控制半实物仿真系统通过内部解算模型数据获得舵面偏转量,大幅提升了无人机飞控系统设计的可靠性[3];运载火箭半实物仿真试验系统通过模拟火箭外部环境信息,按实际接口形式和协议为箭上计算机提供相应的数据,实现飞行姿控与制导的仿真验证[4];基于半实物仿真飞行平台的飞行记录系统通过ARINC664采集模块采集模拟飞行产生的位移,集成飞控模型和飞行仪表模型,实现“人在环以及飞控在环”验证[5]。机载航电系统围绕机载设备的工作特性,可在地面评估机载航电设备性能和飞机作战效能[6]。同样地,在船舶与汽车领域,半实物仿真系统也得到了广泛使用,并在某些关键技术点取得较大进展,某观测级ROV半实物仿真系统架构有效降低了半实物仿真软件系统的耦合性[7];无人艇半实物仿真系统融合了可靠性测试工具,提高了验证算法的鲁棒性[8];机车控制半实物仿真系统克服了离线仿真中缺少中断延迟的局限性,减少了实际试验成本[9]。通过总结以上研究发现,目前大部分的半实物仿真系统均基于具体设备对应的通信接口(如RS422、RS232等)完成接口交互机制设计[10],未有一个航空领域通用模式的半实物仿真系统实现一类物理设备通信接口的数据交互。
本文基于虚拟集成与仿真验证平台,提出了物理件接口适配器的概念,用于实现物理设备与仿真模型之间的数据交互。本文设计了一个基于ARINC664协议通用接口适配器的半实物仿真系统,支持各类ARINC664接口机载设备适配接入,无需针对具体场景和设备重新研制半实物仿真平台,大幅提升了仿真验证的效率。最后通过接入真实的北斗定位处理机板卡,实现北斗定位处理机与显控模型之间的仿真数据实时交互,验证该平台的正确性与实用性。
1 虚拟集成与仿真验证平台
虚拟集成与仿真验证平台主要由实时仿真总线、模型封装工具、视景适配器、仿真配置与控制模块、数据采集监控模块、自动化测试模块和分析及报告生成模块构成,其架构如图1 所示。
1) 实时仿真总线是虚拟仿真平台的核心纽带,用于完成多源异构模型以及仿真支持组件之间的数据交互,由实时仿真内核和调度程序组成。仿真内核作为平台所有仿真数据交互的中心,通过调度程序实现各仿真任务的同步控制,从而实现各仿真任务的联合仿真。
2) 模型封装工具负责将高安全性的应用程序开发环境(SCADE)等模型转换成可以与仿真总线进行数据交互的可执行程序模型,并与总线进行数据交互。
3) 视景软件适配器用于完成对视景仿真参数的读写仿真以及视景仿真参数与总线参数的数据交互。
4) 仿真配置与控制模块用于配置仿真参数,控制仿真过程的启停等。
5) 数据采集监控模块负责对各仿真件之间的各类接口数据进行实时采集存储与监控显示。自动化测试组件基于测试用例自动生成测试脚本并执行。
6) 分析及报告生成组件用于分析仿真数据,并依据模板自动生成仿真测试报告。
虚拟集成与仿真验证平台利用X86环境下丰富的通信手段,将不同技术实现的仿真功能以数据通信的方式进行集成。为减少集成技术之间的差异,我们采用相应通信协议定制有针对性的适配器,加载相应的接口映射配置,实现集成的标准化和自动化。
2 半实物仿真系统设计
2.1 系统架构
为接入真实的物理设备,构建半实物仿真系统,本节在虚拟集成与仿真平台基础上增加了物理件接口适配器模块。首先,通过符合标准总线协议规范的板卡设备将真实物理总线信号转换成为计算机可识别的数字信号,然后解析总线协议数据获取需要传输的业务数据,将真实物理设备参数与总线参数进行映射,并通过UDP通信程序将数据发送至总线,完成总线数据的读写操作,功能逻辑如图2 所示。
物理件接入虚拟集成与仿真验证平台所需的软硬件包括工控机、硬件驱动、数据处理程序、UDP通信程序等,通过硬件驱动与数据处理程序能够将符合通信协议的物理信号转换为软件可识别的数字信息,从而与总线进行交互。同时,物理设备集成也需要接收总线上的仿真数据,并通过硬件驱动与数据处理程序转换成为符合通信协议的物理信号,作为物理设备的激励输入。物理设备接入集成仿真如图3 所示。
2.2 ARINC664接口适配器
为满足机载系统广泛的工程应用需要,基于物理件接口适配器的功能架构,本节设计了ARINC664接口适配器,将ARINC664协议数据包解析为业务数据或将业务数据封装成总线协议数据包,同时配置业务数据与总线参数的映射关系,结合总线控制接口函数,编译生成可与总线集成交互的可执行仿真任务。
如图4 所示,ARINC664接口适配器具有协议解析、参数定义与映射、总线API定义以及接口读写的功能。协议解析用于解析物理设备发出的数据包,为后续读取参数做准备;参数定义与映射用于定义变量名称,完成与总线的映射;总线API定义主要用于与仿真总线建立UDP通信机制;接口读写则用于读取接口数据。ARINC664接口适配器首先通过协议解析完成数据包拆字,随后进行参数定义与总线变量映射,在完成映射的基础上,获取总线API,建立对应的通信机制,最后通过程序内部轮询模式不断读取和写入参数,实现物理设备进行集成仿真时的数据交互。
ARINC664接口适配器的应用模式能够满足大部分机载系统半实物仿真场景的需求,验证人员只需在工控机一侧接入支持ARINC664协议的机载设备,并在上层应用中,简单适配场景中需要交互的物理设备数据,即可基于虚拟集成与仿真验证平台实现HIL仿真测试,减少了半实物仿真系统的构建成本和工期,通用化程度高。该模块可突破半实物仿真系统本地局域网的限制,在依托工业互联网的基础上,基于ARINC664接口适配器异地接入机载设备,能够完成异地远程半实物联合仿真,其实现架构如图5 所示。
3 半实物仿真系统的实现与验证
3.1 场景定义
通过ARINC664接口适配器,本文提出的半实物仿真系统可接入北斗定位处理机,实现定位处理机数据与仿真模型数据的交互。北斗定位处理机主要用于接收北斗定位数据,通过地面基站做RTK解算,得到当前高精度时间和位置信息,如图6 所示。
北斗定位处理机通过接口和实时仿真总线连接,当接收到总线发出的开始定位指令后,以10 Hz的刷新率,采用标准NEMA协议,向实时仿真总线发送当前的经纬高等定位信息。上位机对NEMA格式的信息进行解码,得到飞机导航所需要的定位信息并在显示模型上显示。
本文在ARINC664接口适配器接入北斗定位处理机的基础上,定义了机载显控系统半实物仿真场景,如图7 所示,虚拟三维飞机从南京禄口机场自动飞行至上海浦东机场,自动飞行涵盖起飞、巡航至降落全飞行阶段。通过构建PFD、ND、MFD、HMI北斗定位信息等显示模型以及发动机、风速传感等逻辑模型与视景软件进行联合仿真,显示模型能够实时动态显示视景软件飞机飞行以及逻辑模型产生的飞行参数。同时,验证人员可通过HMI人机交互界面操控虚拟飞机的飞行状态。
3.2 实现方式
北斗定位处理机接收参数时,实时仿真总线读取显控模型发出的控制指令后,通过调用总线API发送至工控机。工控机中的ARINC664接口适配器接收到控制指令后,根据总线参数与北斗定位处理机的映射关系,将总线参数打包成可发送的数据,通过协议封装发送给北斗定位处理机,处理板卡进行内部解析,驱动或暂停板卡启停。
北斗定位处理机发送参数时,北斗定位处理机发送GGA报文至工控机,工控机中运行的ARINC664接口适配器程序接收并按照标准ARINC664协议解析虚拟链路,获得数字信息。将北斗定位处理机的输入输出参数与总线数据进行映射,并通过调用总线API,实现与实时仿真总线的数据传输。
其交互数据流向如图8 所示。
在梳理完数据流向后,完成物理架构的搭建,即基于以太网构建的局域网连接各分布式仿真设备,构成半实物仿真系统的基础硬件架构,如图9 所示,北斗定位处理机与工控机相连,实时仿真机、导航控制模型、北斗定位显示模型、仿真管理工具以及PFD、ND等模型通过以太网交换机构建的局域网与北斗定位处理机进行数据交互,实现半实物仿真。
3.3 结果验证
根据定义的场景,通过SCade工具完成导航模式控制模型、显示模型以及逻辑模型的开发。基于ARINC664适配器的半实物仿真系统,模型可实时控制北斗定位处理机的启停,实时接收北斗定位处理机的时间、经度、纬度以及高度参数,模型接收的数据与北斗定位处理机发出的经/纬/高参数随平台的运行时间如图10 所示。
由图10 可知,通过半实物仿真系统控制北斗定位处理机启动后,处理机向显示模型发送经/纬/高参数的时间与显示模型接收的经/纬/高参数的时间之间的时延差均值约为1 ms,误差较小,且显示值与发送值保持一致,结果显示,基于ARINC664适配器的半实物仿真系统能够保证物理数据传输的有效性与实时性。
同时,该半实物仿真平台加载机载显控系统仿真场景后,验证人员能够使用平台提供的仿真测试工具对场景需求进行测试验证,通过运行基于场景需求的测试用例,工具命令窗口会显示单个测试用例是否通过的信息以及测试总结报告的信息。本文针对具体场景需求共编制了30条测试用例,其测试结果以及报告信息如图11 所示,结果表明,该平台仿真运行的系统场景符合设计需求,对系统研制过程具有指导作用。
4 结束语
本文主要介绍了基于ARINC664适配器的半实物仿真系统的基本原理与系统组成,通过创新性地引入ARINC664接口适配器的概念,将基于特定半实物仿真通信协议接口研制任务转换为柔性、易于配置的通用仿真模块,支持验证人员根据机载半实物仿真场景快速适配真实机载设备数据,在虚拟集成与仿真验证平台的基础上,进行仿真测试,快速验证机载系统设计。最后通过接入北斗定位处理机的硬件在环集成仿真场景验证,表明该半实物仿真系统是正确且合理的,具有较高的工程应用价值。