论文部分内容阅读
摘 要：机载航空电子导航设备为飞机的正确航行提供指导，关系着飞机飞行的安全性和稳定性，从而影响着人们的生命财产安全。本文将针对机载航空电子通信导航监视系统数字建模展开研究，通过仿真模型的建立测试系统的功能和性能，不断优化通信导航监视系统的架构设计，提高空中交通运行水平，更好的为国家社会服务。
关键词：机载航空；电子通信设备；导航监视系统；数字建模；研究分析
Communication Navigation and Surveillance简称CNS，即通信导航监视系统，它是机载航空电子系统的基本组成部分，主要可以分为通信子系统、综合监视系统、导航子系统三个部分，其中通信子系统可以实现飞机与地面、飞机与飞机之间的数据通信和可靠通话，综合监视系统可以实现气象告警、近地、防撞等功能，导航子系统可以实现起飞、巡航、着陆的导航和定位功能。下面我们将针对CNS系统数字建模展开研究。
一、简析机载航空电子通信导航监视系统数字建模的内涵
1. CNS系统数字建模的重要意义
机载航空电子通信导航监视系统数字建模仿真具有如下作用：实现CNS系统的架构定义、架构优化和分解安全性指标；实现系统性能、功能、接口仿真；进行系统内外总线传输延迟分析以及使用率分析，等等。通信导航监视系统数字建模可以为新型飞机研发先进航空电子系统提供数据和理论支持，提高飞机飞行的安全性、稳定性、高效性，从而维护空中交通的正常运行，保证人们生命财产安全。
2. CNS系统数字建模的基本框架
CNS系统数字建模可以采用SIMULINK软件，它是一种可视化的仿真工具，可以提供动态系统建模、仿真、综合分析的设计环境，而且不需要编写大量程序便可以构造出复杂的系统。然后我们应用自上而下的设计方法、模块化的建模方法、分离式仿真技术以及分布式仿真技术等方法和技术，实现一体化架构设计，提高系统集成度、灵活性、可维护性，同时实现CNS仿真系统的人机功效【1】。
二、研究机载航空电子通信导航监视系统数字建模的重点环节
1.通信导航监视系统设备仿真建模
通信导航监视系统设备仿真建模是CNS系统数字建模的核心部分，可以实现仿真通信、导航、监视系统各种设备的数据与功能通信，从而检测各种设备的仿真运行状态。通信导航监测系统设备仿真模型是通过航空电子双向以太网（AFDX）、离散、ARINC429总线等信号进行通信的，而且可以交换通信导航监视系统内部数据。
1.1 CNS通信子系统仿真模型
CNS通信子系统仿真模型主要用来实现仿真无线电通信收发机的话音通信功能、输入输出数据传输功能、数据链功能、接受調谐控制功能、离散控制功能、VHF应急调谐功能等等，通信子系统主要由高频收发机仿真模型（HF）、卫星通信仿真模型（SATCOM）、甚高频收发机仿真模型（VHF）等部分组成。
1.2 CNS导航子系统仿真模型
CNS导航子系统仿真模型需要实现仿真无线电导航收发机的离散控制功能、导航功能、自检功能、接受飞管调谐控制功能、接受调谐控制功能、ILS应急调节功能等等，导航子系统主要由GPS即全球定位系统接收机、多模导航接收机（NAV）、无线电高度表（RA）、测距仪（DME）、北斗定位系统（BDS）等仿真模型组成。
1.3 CNS监视子系统仿真模型
CNS监视子系统仿真模型包括了综合监视系统（ISS）模型，用来满足防撞及近地警告、气象雷达等多样化监视需求，监视子系统主要由空中交通防撞系统（TCAS）、异步接收机（XPDR）、地形识别和预警系统（TAWS）、气象雷达（WXR）等仿真设备组成
1.4 CNS系统数字建模的其他仿真模型
除了上述三个子系统仿真模型，我们还要建立调谐控制面板仿真模型（TCP）和无线电数据接口单元（RDIU）仿真模型，其中调谐控制面板仿真模型用来实现仿真调谐控制设备对通信导航监视设备的应急调谐功能、调谐控制功能、飞管调谐数据同步功能、多个调谐控制面板之间的数据同步功能等，而无线电数据接口单元仿真模型用来实现外部与CNS系统数据交互，它分为左右两侧，用来实现CNS外部与CNS系统左右两侧各仿真模型的数据收发，同时无线电数据接口单元仿真模型具备航空电子双向以太网和ARINC429之间的协议转换功能，从而保证CNS对外数据交互接口统一。
2.通信导航监视系统激励仿真建模
通信导航监视系统激励仿真模型主要功能有飞行管理系统调谐控制功能、起落架信号功能、多功能显示导航数据功能、惯导辅助GPS快速定位功能等。通信导航监视系统激励仿真模型可以分为左右两侧，根据两侧预定的轨迹生成飞行路线，然后依据航线产生飞行状态信息，从而激励通信导航监视系统各设备仿真模型，并且显示各仿真模型的输出数据。设备激励仿真模型和设备仿真模型共同组成了通信导航监视系统仿真模型，有利于系统顺利进行测试工作，我们可以对系统其中某一设备仿真模型进行测试，并且实时修改设备激励仿真模型的激励参数，观察测试结果。
3.通信导航监视系统仿真建模的优点
通信导航监视系统仿真模型应用了模块化设计结构和标准化的开放体系架构，各设备模型符合相关规范标准，有利于设备的按需组合和重复使用。模块化建模方便CNS系统设计不同架构，比较性能差异，实现快速定义和设计。同时模型接口特性符合真实设备接口需求，因此该仿真模型具备良好的功能扩充和系统扩展性能，方便日后维护，满足未来发展需求。CNS系统仿真模型的建立是以TSO标准、ARINC标准以及国内外适航产品为基础，所以具备高度的复原性，能够真实反映机载航空电子设备的相互关系、功能、输入输出接口数据传输逻辑，该模型可以使用真实航空飞行数据包进行激励，保证了仿真模型的系统功能和性能得到了充分的检验。另外，该仿真模型是根据未来通信技术的发展趋势建立的，拓展了AFDX的数据借口和功能，利用该模型设计完善系统架构，可以提升机载电子系统的开发效率和质量，并且有效降低了研发成本【2】。
综上所述，我们对机载航空电子通信导航监视系统数字建模展开了研究，首先明确了CNS系统数字建模的重要意义和基本框架，然后分析了通信导航监视系统设备仿真模型和激励仿真模型的建立，二者共同构成了通信导航监视系统仿真模型闭环，从而使整个系统更具可测试性，最后分析了CNS系统仿真建模的优点，便于现代航行系统的功能验证、接口定义、架构设计、总线数据分析等，为日后的机载航空电子通信导航监视系统设计提供参考。
参考文献：
[1]赵育良，许兆林. 飞机导航数据仿真系统设计[J]. 飞机设计，2007（01）：40-42.
[2]冯众保，冯晓波. 机载航空电子通信导航监视系统数字建模[J]. 兵工自动化，2018，37（08）：83-86.
关键词：机载航空；电子通信设备；导航监视系统；数字建模；研究分析
Communication Navigation and Surveillance简称CNS，即通信导航监视系统，它是机载航空电子系统的基本组成部分，主要可以分为通信子系统、综合监视系统、导航子系统三个部分，其中通信子系统可以实现飞机与地面、飞机与飞机之间的数据通信和可靠通话，综合监视系统可以实现气象告警、近地、防撞等功能，导航子系统可以实现起飞、巡航、着陆的导航和定位功能。下面我们将针对CNS系统数字建模展开研究。
一、简析机载航空电子通信导航监视系统数字建模的内涵
1. CNS系统数字建模的重要意义
机载航空电子通信导航监视系统数字建模仿真具有如下作用：实现CNS系统的架构定义、架构优化和分解安全性指标；实现系统性能、功能、接口仿真；进行系统内外总线传输延迟分析以及使用率分析，等等。通信导航监视系统数字建模可以为新型飞机研发先进航空电子系统提供数据和理论支持，提高飞机飞行的安全性、稳定性、高效性，从而维护空中交通的正常运行，保证人们生命财产安全。
2. CNS系统数字建模的基本框架
CNS系统数字建模可以采用SIMULINK软件，它是一种可视化的仿真工具，可以提供动态系统建模、仿真、综合分析的设计环境，而且不需要编写大量程序便可以构造出复杂的系统。然后我们应用自上而下的设计方法、模块化的建模方法、分离式仿真技术以及分布式仿真技术等方法和技术，实现一体化架构设计，提高系统集成度、灵活性、可维护性，同时实现CNS仿真系统的人机功效【1】。
二、研究机载航空电子通信导航监视系统数字建模的重点环节
1.通信导航监视系统设备仿真建模
通信导航监视系统设备仿真建模是CNS系统数字建模的核心部分，可以实现仿真通信、导航、监视系统各种设备的数据与功能通信，从而检测各种设备的仿真运行状态。通信导航监测系统设备仿真模型是通过航空电子双向以太网（AFDX）、离散、ARINC429总线等信号进行通信的，而且可以交换通信导航监视系统内部数据。
1.1 CNS通信子系统仿真模型
CNS通信子系统仿真模型主要用来实现仿真无线电通信收发机的话音通信功能、输入输出数据传输功能、数据链功能、接受調谐控制功能、离散控制功能、VHF应急调谐功能等等，通信子系统主要由高频收发机仿真模型（HF）、卫星通信仿真模型（SATCOM）、甚高频收发机仿真模型（VHF）等部分组成。
1.2 CNS导航子系统仿真模型
CNS导航子系统仿真模型需要实现仿真无线电导航收发机的离散控制功能、导航功能、自检功能、接受飞管调谐控制功能、接受调谐控制功能、ILS应急调节功能等等，导航子系统主要由GPS即全球定位系统接收机、多模导航接收机（NAV）、无线电高度表（RA）、测距仪（DME）、北斗定位系统（BDS）等仿真模型组成。
1.3 CNS监视子系统仿真模型
CNS监视子系统仿真模型包括了综合监视系统（ISS）模型，用来满足防撞及近地警告、气象雷达等多样化监视需求，监视子系统主要由空中交通防撞系统（TCAS）、异步接收机（XPDR）、地形识别和预警系统（TAWS）、气象雷达（WXR）等仿真设备组成
1.4 CNS系统数字建模的其他仿真模型
除了上述三个子系统仿真模型，我们还要建立调谐控制面板仿真模型（TCP）和无线电数据接口单元（RDIU）仿真模型，其中调谐控制面板仿真模型用来实现仿真调谐控制设备对通信导航监视设备的应急调谐功能、调谐控制功能、飞管调谐数据同步功能、多个调谐控制面板之间的数据同步功能等，而无线电数据接口单元仿真模型用来实现外部与CNS系统数据交互，它分为左右两侧，用来实现CNS外部与CNS系统左右两侧各仿真模型的数据收发，同时无线电数据接口单元仿真模型具备航空电子双向以太网和ARINC429之间的协议转换功能，从而保证CNS对外数据交互接口统一。
2.通信导航监视系统激励仿真建模
通信导航监视系统激励仿真模型主要功能有飞行管理系统调谐控制功能、起落架信号功能、多功能显示导航数据功能、惯导辅助GPS快速定位功能等。通信导航监视系统激励仿真模型可以分为左右两侧，根据两侧预定的轨迹生成飞行路线，然后依据航线产生飞行状态信息，从而激励通信导航监视系统各设备仿真模型，并且显示各仿真模型的输出数据。设备激励仿真模型和设备仿真模型共同组成了通信导航监视系统仿真模型，有利于系统顺利进行测试工作，我们可以对系统其中某一设备仿真模型进行测试，并且实时修改设备激励仿真模型的激励参数，观察测试结果。
3.通信导航监视系统仿真建模的优点
通信导航监视系统仿真模型应用了模块化设计结构和标准化的开放体系架构，各设备模型符合相关规范标准，有利于设备的按需组合和重复使用。模块化建模方便CNS系统设计不同架构，比较性能差异，实现快速定义和设计。同时模型接口特性符合真实设备接口需求，因此该仿真模型具备良好的功能扩充和系统扩展性能，方便日后维护，满足未来发展需求。CNS系统仿真模型的建立是以TSO标准、ARINC标准以及国内外适航产品为基础，所以具备高度的复原性，能够真实反映机载航空电子设备的相互关系、功能、输入输出接口数据传输逻辑，该模型可以使用真实航空飞行数据包进行激励，保证了仿真模型的系统功能和性能得到了充分的检验。另外，该仿真模型是根据未来通信技术的发展趋势建立的，拓展了AFDX的数据借口和功能，利用该模型设计完善系统架构，可以提升机载电子系统的开发效率和质量，并且有效降低了研发成本【2】。
综上所述，我们对机载航空电子通信导航监视系统数字建模展开了研究，首先明确了CNS系统数字建模的重要意义和基本框架，然后分析了通信导航监视系统设备仿真模型和激励仿真模型的建立，二者共同构成了通信导航监视系统仿真模型闭环，从而使整个系统更具可测试性，最后分析了CNS系统仿真建模的优点，便于现代航行系统的功能验证、接口定义、架构设计、总线数据分析等，为日后的机载航空电子通信导航监视系统设计提供参考。
参考文献：
[1]赵育良，许兆林. 飞机导航数据仿真系统设计[J]. 飞机设计，2007（01）：40-42.
[2]冯众保，冯晓波. 机载航空电子通信导航监视系统数字建模[J]. 兵工自动化，2018，37（08）：83-86.