【学习笔记】航空航天（6）：飞行模拟器中的大气数据仿真系统设计

　　摘  要： 飞行模拟器的分系统建模不同于真实机载系统建模，它以地面件为载体，仅对座舱可见设备做实物仿真，目标是能够覆盖地面及空中的飞行科目和训练任务。因此，对于大气数据系统必须从原理上进行建模，才可满足与飞行模拟器其他分系统的数据交互，逼真地呈现故障、特情等现象。通过阐述飞行模拟器系统框架，了解大气数据仿真系统软件驻留及硬件驱动原理。以系统输入和输出的交联关系整理出软件运行流程，最后通过系统建模及设计实例和仿真输出证明该仿真方法的实用性。该方法已通用于多型号的不同等级模拟器中，功能可覆盖模拟飞行训练全任务要求。

1 系统组成

　　1.1 仿真系统架构

　　通常情况下，大气数据计算机（Atmosphere Data Computer）就是在获得全静压受感器、总温传感器和其他参数（如迎角传感器）输入后，经解算后输出大量的大气数据信息提供给航电火控、飞行控制等系统，因此通常被称为ADC。

　　以某型飞行模拟仿真训练设备为例，飞行运动学、动力学、飞行控制、电源、燃油、液压等系统仿真软件与ADC系统同时运行在同一台计算机中，即图1所示模拟器主机中，并同时接受主控实时系统调度运行；各系统输入输出数据即主机数据通过以太网或内存反射方式与接口系统交联。接口计算机再通过RS422串行总线激励机载座舱设备，完成控制、驱动及显示。

　　1.2 信号交联

　　空速管、总温传感器及攻角传感器是大气数据计算机的激励数据，作为大气计算机的原始参数传感器输入信息，仍需要大气数据仿真软件实现模型内容的仿真。该系统与各机载仿真分系统交互关系如图2所示。

　　ADC输出的信息主要包括：气压高度（Hp）、相对气压高度（Hc）、马赫数（M）、大气静温（Ts）、校正空速（Vc）、真空速（Vt）、升降速度（Vp）、压力比（ρr）、真攻角（?琢t）、总温（Tt）及大气密度比（ρ/ρ0）、ADC状态、速压（qc）、失速告警等。

2 仿真软件设计实现

　　2.1 软件结构

　　依据图2的ADC总体结构框图信息，软件算法流程图如图3所示。

　　2.2 传感器数据仿真模型

　　以国际标准大气的基准数据为基础，在高度32 km以内、标准大气条件下，上述模拟传感器数据具体获取方法如下：

　　（1）温度T（K），压强p（N/m2）和密度ρ（kg/m3）对于Hp≤11 000的情况下：

　　T=288.15-0.006 5Hp（1）

　　p=1.013 25×105（1-0.225 557×10-4Hp）5.255 88（2）

　　ρ=1.225 0（1-0.225 577×10-4Hp）4.255 88（3）

　　对于11 000 m<Hp≤20 000 m情况下：

　　T=216.65（4）

　　p=2.263 204×104exp[-1.576 885×10-4（Hp-11 000）]（5）

　　ρ=0.363 917 6exp[-1.576 885×10-4（Hp-11 000）]（6）

　　对于20 000 m<Hp≤32 000 m情况下：

　　p=5.474 879×103[1+4.615 74×10-6（Hp-20 000）]-34.163 22（7）

　　T=216.65+0.001（Hp-20 000）（8）

　　ρ=8.803 471×10-2[1+4.615 740×10-6（Hp-20 000）]-35.163 22（9）

　　（2）高度小于32 000 m的其他参数：

　　

　　静压ps=p（12）

　　2.3 大气计算机解算模型

　　在获取到上述传感器参数后，进入大气计算机，进行如图4所示的解算流程。

　　流程中各参数解算可查阅资料获得。例如：

　　音速

　　其中，R为气体常数。

　　可获得马赫

。（14）

3 应用示例

　　在项目实施过程，ADC系统运行在模拟器主机中，主调用程序以100 Hz为运行周期进行调用，即时间常数τ=0.01 s，依据上述仿真设计方法应用于该实时仿真系统，示例如图5所示。

　　依据上述大气计算机获取气压高度和升降速度的方法，截取在包含侧风等气象环境下，操作某型号飞行模拟器，完成一个起降过程的高度数据信息仿真，得到如图6~图8所示结果。

4 结束语

　　该大气数据系统仿真设计方法已应用于一些型号全任务飞行模拟器和高等级模拟器中。大气数据系统建模方法及仿真思路着眼于工程实践及应用，具备严谨性的同时完成了“空中”飞行参数的生成，包括传感器特性的仪表驱动显示，能满足各等级模拟器的飞行任务训练要求，并达到较为逼真的人机交互显示效果。