Демонстрационно-исследовательский стендовый комплекс для имитации и полунатурного моделирования движения воздушного судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.7.05

Демонстрационно-исследовательский стендовый комплекс для имитации и полунатурного моделирования движения воздушного судна

В.Л. Федотов

(НИУ МАИ, Москва)

Рассмотрена концепция построения демонстрационно-исследовательского стендового комплекса для имитации и полунатурного моделирования движения воздушного судна. В комплексе используются программные имитаторы навигационных систем. Информационный обмен осуществляется на основе трёхуровневой системы. Предлагаемый стендовый комплекс служит для отображениядвижения воздушного судна во время отработки нового оборудования или устранения ошибок старого. Трёхуровневая система информационного обмена, обеспечивающая снижение объема вычислений в имитационных компьютерах, позволяет в реальном времени использовать более полные и сложные математические модели оборудования ПНК и движения ВС.

Основным назначением воздушного судна (ВС), независимо от его конструктивной схемы и тактико-технических характеристик (ТТХ), является выполнение полёта по заданному маршруту и совершение требуемых полетным заданием эволюций.Задачи реализации траектории полёта, контроля точности выполнения этого процесса и коррекции возникающих отклонений возлагаются на бортовую информационно-управляющую систему (БИУС), элементами которой вычислительный комплекс и пилотажно-навигационный комплекс (ПНК).

Последние десятилетиябортовое оборудование непрерывно и все стремительнее совершенствуется, внедряются новые технологии и стандарты. Для снижения стоимости внедрения новой техники создают полунатурные стенды, которые способны программно и аппаратно воспроизводить работу оборудования, входящего в состав ПНК[1].

Другой стороной совершенствования бортового оборудования является учет требований пилотов к кабине ВС. Для изучения этогосоздают демонстрационно-исследовательские стенды (ДИСК), имитирующие кабинное пространство и траекторное движение ВС.

В данной работе предложена концепция построения демонстрационно-исследовательского стендового комлпекса. Основной особенностью концепции является применение трехуровневой системы (архитектуры) информационого обмена. Использование данной архитектуры позволяет использовать: программный имитатор навигационный

-высокую скорость информационого обмена;

-большие вычислительные мощности;

-более точные математические модели.

Помимо этого одной из решаемых задач является создание такого стенда, который обеспечивает работу БО даже при частичном отсутствии реального оборудования, позволяет проводить статическую имитацию при полном или частичном наборе БО и динамическую при помощи моделей БО.

Состав демонстрационно-исследовательского стендового комплекса

ДИСК обеспечивает отработку действий экипажа в нормальных (штатных), сложных и аварийных ситуациях полета в реальном масштабе времени на всех этапах выполнения полета согласно «Руководству по летной эксплуатации».

Целями разработки ДИСК является создание опережающего научно-технического задела по интеграции комплекса бортового оборудования, демонстрация элементов пилотажно-навигационного оборудования в режиме полунатурного моделирования на всех этапах полета самолета, отладка, испытания и проверка взаимодействия блоков и систем бортового оборудования, комплексирование оборудования, демонстрация взаимодействия элементов пилотажно-навигационного оборудования.

Оборудование, входящее в состав ПНК, должно удовлетворять всем динамическим характеристикам ВС и соответствовать требованиям ARINC.

Предполагается, что проектируемый ДИСК будет предназначен для отработки оборудования дальнемагистрального авиалайнера, поэтому в состав его систем должны входить:

- бесплатформенная инерциальная навигационная система;

- спутниковая система навигации;

- информационный комплекс высотно-скоростных параметров;

- доплеровский измеритель скорости и сноса;

- радиотехническая система ближней навигации и посадки;

- радиотехническая система дальней навигации;

- радиовысотомер;

- навигационная вычислительная система;

- бортовая система технического обслуживания;

- бортовая система предупреждения столкновений;

- система автоматического управления полетом;

- комплексная система электронной индикации и сигнализации.

Перечисленные системы составляют почти полный список систем, входящих в комплекс, и на основании данных от них можно решать задачу комплексирования в ПНК. Кроме этого, на борту ВС размещаются отдельные приборы и датчики, данные от которых так же учитываются при формировании измерений в ПНК. Ниже представлен список некоторых из них:

- датчики аэродинамических углов;

- датчик положения руля;

- самолётный дальномер;

- автоматический средневолновый радиокомпас (АРК).

Особенности построения ДИСК

Кабина ДИСК выполнена из каркасных конструкций, на которых закреплены панели жидкокристаллических сенсорных экранов, предназначенных для отображения электропультов и приборных досок, имитируемого типа ВС. Расстояния до элементов управления в кабине тренажера максимально приближены к реальному воздушному судну.Кабина оснащена штатными органами управления и сиденьями членов экипажа. В тренажере может быть реализован как электромеханический имитатор системы загрузки органов управления, так и система загрузки с использованием штатных загрузочных механизмов.

ДИСК выбранной конфигурацииможет быть сделан реконфигурируемым. Достоинством данного типа тренажера является возможность в течение 15 минут преобразовать кабину воздушного судна под другой состав оборудования и модель динамики полета. Это свойство обеспечивается многофункциональностью тренажеров с сенсорными ЖК-мониторами и важно для подготовки экипажей однотипных ВС с различным составом оборудования, а в некоторых случаях позволяет использовать тренажеры для подготовки экипажей разнотипных ВС с одинаковыми или близкими по размещению органами управления[5][6].

Информационный обмен и специфика математических моделей

Трехуровневая система информационного обмена.Трехуровневая система обмена -- архитектурная модель программного комплекса, предполагающая наличие в нём трёх компонентов: клиента, сервера приложений (к которому подключено клиентское приложение) и сервера баз данных (с которым работает сервер приложений). Указанная архитектура представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема трехуровневой архитектуры

Для передачи данных между стендом и сервером использоваться FastEthernet. При этом используется протокол 100BASE-SX, а передача организована с применением многомодового волокна, так как используется недорогая коротковолновая оптика. Протокол 100BASE-SXпозволяет работать на расстояниях до 300м.

По сравнению с клиент-серверной или файл-серверной архитектурой трёхуровневая архитектура обеспечивает, как правило, большую масштабируемость, более широкие возможности по безопасности и отказоустойчивости. Кроме того, в сравнении с клиент-серверными приложениями, использующими прямые подключения к серверам баз данных, снижаются требования стабильности каналов связи между клиентом и серверной частью.

III уровень информационного обмена «терминальный сервер».Терминальный сервер-сервер, предоставляющий клиентам вычислительные ресурсы для решения задач.

В рамках увеличения мощностных характеристик используют понятие масштабируемость.

Масштабируемость- это увеличение вычислительную мощность сервера или операционной системы (в частности, их способности выполнять больше операций за определённый период времени, либо запускать больше различных служб) за счёт установки большего числа процессоров, оперативной памяти и т. д. или их замены на более производительные. Такая масштабируемость называется аппаратной. Различают масштабируемость вертикальную и горизонтальную. Под вертикальной масштабируемостью подразумевается создание одной системы с множеством процессоров, а под горизонтальной -- объединение компьютерных систем в единый виртуальный вычислительный ресурс. Каждый из этих подходов рассчитан на использование в различных областях. В нашем случае наиболее пригодным оказалось вертикальное масштабирование, так как именно оно лучше всего подходит для больших баз данных, управлять которыми на одной системе проще и эффективнее[4].

II уровень информационного обмена «умная сеть»Базовая локальная сеть построена на топологии «двойное кольцо + звезда». В двойное кольцо входят все тонкие клиенты, находящиеся на одном стендовом комплексе. Принцип работы полностью совпадает с топологией TokenRing[3], но здесь добавлен «умный маршрутизатор», который собирает всю информацию от интерфейсов, присваивает ейсвой (маршрутизатора) идентификационный маркер и отправляет к серверу данных. Основное преимуществопреимуществозаключается в том, что маршрутизатор является программируемым модулем и выполняет функцию анализа и сравнения поступающих данных. Именно топология связи маршрутизаторов с сервером построена по принципу «звезда» с дополнительными перекрестными связями между маршрутизаторами. Перекрестные связи нужны для более полного выполнения функций анализа и распределения информации,обработанной в сервере.

I уровень информационного обмена «тонкий клиент»Для реализации режима интерфейса используется так называемый тонкий клиент. Под термином «тонкий клиент» подразумевается достаточно широкий с точки зрения системной архитектуры ряд устройств и программ, которые объединяются общим свойством: возможность работы в терминальном режиме. Таким образом, для работы тонкого клиента необходим терминальный сервер. Этим тонкий клиент отличается от толстого клиента, который, напротив, производит обработку информации независимо от сервера, используя последний в основном лишь для хранения данных.

Для расширения функциональности тонкого клиента прибегают к его «утолщению», например, добавляют возможности автономной работы, сохраняя главное отличие - работу в сессии с терминальным сервером. Когда в клиенте появляются подвижные детали (жёсткие диски), появляются возможности автономной работы, он перестаёт быть тонким клиентом в чистом виде, а становится универсальным клиентом.

Тонкий клиент обрабатывает данные после маршрутизации и передает сигналы управления на кросспанель с устройствами ввода/вывода, которые в последствии связываются с БО.

Специфика использования математических и графических моделей. Применение вышеуказанных концепций позволит использовать не только модели погрешностей, но и полные математические модели, включающие имитацию сложных траекторий и полных бортовых алгоритмов систем. Первым немаловажным фактором является возможность использования достаточно точной модели движения ВС, что очень важно применительно к ДИСК. Вторымнемаловажным фактором является использование сервера для расчёта визуализации движения ВС на основе обработанных данных. Все математические модели хранятся на сервере, где происходит обмен между математическими и графическими моделями[7].

Применение моделей разного уровня проработки реализуется за счет возможности масштабировать серверную машину.

Применение предложенной технологиипозволит ускорить процесс информационного обмена и последующей визуализации, за счет выноса вычислительной мощности в сервер, интеграции в рабочее место аппаратного тонкого клиента. Возможность масштабировать сервер позволит использовать как полные математические модели оборудования и движения ВС, так и модели ошибок систем и датчиков. Важным преимуществом также является возможность подключать к одному серверу несколько стендовых комплексов. Все эти особенности обещают существенные преимущества ДИСК заявляемой архитектуры.

Литература

1. Федотов В.Л., Стендимитационногомоделированияпилотажно-навигационногокомплекса.//13-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2014».17-21 ноября 2014 года. Москва. Тезисы.- СПб.: Мастерская печати,2014.-710с. ISBN 978-5-206-00927-9, УДК 629.7, ББК 39.5

2. Федотов В.Л.,Демонстрационно-исследовательский стендовый комплекс для иммитации и полунатурного моделирования движения воздушного судна.//Московская молодежная научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике-2015». 21-23 апреля 2015 года. Москва. Сборник тезисов докладов. УДК 629.7, 330.3, 316.42; ББК 94.3 39.52 39.62

3. Олифер В.Г., Олифер Н.А., Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Издание 4-ое.

4. ТоддМазерс. Часть ІІІ. Реализация служб терминалов и пакета СitrixMetaframe // Администрирование WindowsServer 2003/2000 на терминальном сервере = WindowsServer 2003/2000 ThinClientSolutions. -- 3-е изд. -- М.: «Вильямс», 2007. -- С. 1072. -- ISBN 1-57870-276-3.

5. Руководствопокритериямоценкисамолетныхтренажеров ИКАО 9625 = Manual of Criteria for the Qualification of Flight Simulation Training Devices. -- 3-е изд. -- ИКАО, 2009. -- Т. 1. -- 664 с. -- ISBN Doc 9625 AN/938.

6. Требования к данным конструкции и к данным характеристик авиационных тренажеров. IATA, 7-е издание, 2009 г.

7. Навигация и управление движением. Материалы докладов XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»/Науч. Редактор д.т.н. О.А.Степанов/ Под общ. ред. академика РАН В.Г.Пшехонова - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2012. - 515с. ISBN 978-5-900780-93-1 стр.338; стр.325

Размещено на Allbest.ru