一种用于态势感知增强的显示系统综合验证系统的制作方法

1.本发明属于航空电子领域，涉及一种用于态势感知增强的显示系统综合验证系统。


背景技术：

2.随着航空电子技术的发展和进步，驾驶舱显示系统从最初的分立式仪表到后来的联合式架构，再而演变成综合化、模块化、大屏幕触摸显示等新技术特点的发展趋势，增强飞行机组的情景意识和态势感知能力成为目前驾驶舱显示系统综合化、集成化发展的新方向。而机场场面引导与显示、座舱交通信息显示以及空管员/飞行员数据链通信显示等态势感知增强应用在显示系统上的应用实践亟待解决。
3.与此同时，近年来随着我国航空工业的飞速发展，对飞行模拟、机载设备验证的需求越来越多，因此，搭建一套具有安全、可靠、节省资源的飞行仿真系统、尤其是支持态势感知增强应用的开发和集成验证的综合验证环境显得尤为重要。飞行仿真系统通常还会结合视景仿真系统一起使用，从而增强飞行员的“等效目视能力”，视景仿真系统可为飞行仿真创建和体验虚拟世界，可以节省昂贵的现实培训开支，减少真实资产的浪费，更有效地整合信息和数据，帮助用户对关键任务和决策做好最佳准备，优化产品开发流程，从根本上改变人们工作的方式。随着航空业务量的增长，对空中交通服务的安全保障水平和管理能力提出了更高要求。目前，空中交通管理系统的管理体制和运行机制已经不能适应航空运输业的发展，并且逐渐成为制约我国民航持续发展的瓶颈。
4.目前市场上缺少面向机场场面引导与显示、座舱交通信息显示以及空管员/飞行员数据链通信显示等态势感知增强应用的系统集成与验证环境，本发明涉及的综合验证方法可为支持态势感知应用的显示系统开发和验证提供支持，有效提升产品的开发和集成验证水平。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于态势感知增强的显示系统综合验证系统，具备态势感知增强的，兼备空管运行、视景仿真、飞行场景设置以及新显示应用的综合验证方法。本综合验证方法是一种集飞行动力学仿真、视景仿真和空管运行仿真于一体的综合验证方法，在常规显示应用程序的开发和验证的基础上，支持面向机场场面引导与显示、座舱交通信息显示以及空管员/飞行员数据链通信显示等态势感知增强应用的设计、画面开发以及性能验证等任务。
6.本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
7.一种用于态势感知增强的显示系统综合验证系统，包括飞行仿真软件、视景仿真软件、空管运行仿真软件、综合验证平台测试软件，综合验证平台测试软件将飞行仿真软件发出的飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据，以及空管运行仿真软件发出的空管运行数据和场面相关运行数据编绎成激励数据输出给显示系统，供显示系统对
显示画面进行绘制，将视景仿真软件输出的仿真视景分发给所需的显示器，其特征在于：
8.综合验证平台测试软件事先对收发数据的icd、数据通道以及转发规则进行配置；数据监控启动后，对数据通道上接收到的飞行仿真数据、航电系统仿真数据、非航电系统仿真数据、空管运行数据和场面相关运行数据使用绑定的icd进行解析，生成icd数据再根据转发规则将接收到的icd数据转换成目标格式的二进制数据，并通过数据通道转发出去。
9.本发明有益效果如下：
10.1、本发明基于真实的机场及场面数据进行建模，在此基础上通过飞行仿真软件以及空管仿真软件结合，实现从起飞前的场面引导、起飞、空中飞行、降落、停机位分配、降落后引导等阶段的飞行全过程的实时仿真。
11.2、本发明中视景仿真软件提供贴近真实的三维地景显示、机场模型显示以及飞机模型显示功能，根据飞行仿真软件及空管仿真软件实时输出的仿真数据进行驱动，实现一套具有态势感知增强能力的飞行仿真显示系统。
12.3、本发明中综合验证平台测试软件提供测试资源调度、数据监视及存储功能，可建立与显示系统的硬件数据通道，转发飞行仿真软件及空管仿真软件实时输出的仿真数据，从而实现对驾驶舱显示系统飞行全过程的仿真测试及验证。
13.4、本发明具备支持机场场面引导与显示应用的验证与性能评估。以真实的显示系统和飞行管理系统，配合驻留在实时系统中的空管运行仿真系统、飞行仿真系统，对航班规划、飞行计划分配、进离港规划、航行路线分配、机场流量规划等机场场面功能进行验证，对常规运行和支持a-smgcs的先进运行两种场面运行策略进行性能评估，提出了先进策略下滑行路径分配技术、场面运行中航班滑行冲突解脱技术等提高场面运行效率的关键技术。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图。
15.图2为jsbsim仿真流程图。
16.图3为航电/非航电仿真模块工作流程图。
17.图4为视景仿真软件工作流程图。
18.图5为空管运行仿真软件结构示意图。
19.图6位综合验证平台测试软件结构示意图。
具体实施方式
20.为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
21.如图1所示，一种用于态势感知增强的显示系统综合验证系统，包括飞行仿真软件、视景仿真软件、空管运行仿真软件、综合验证平台测试软件等。综合验证平台测试软件将飞行仿真软件发出的飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据，以及空管运行仿真软件发出的空管运行数据和场面相关运行数据编绎成激励数据输出给显示系统，供显示系统对显示画面进行绘制，将视景仿真软件输出的仿真视景分发给所需的显示器。
22.由飞行仿真软件生成飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据的
方式有很多种，本实施例作为举例说明提供了一个较佳方案。在本实施例中，飞行仿真软件包含jsbsim六自由度飞行器仿真模型和航电/非航电仿真模块，飞行仿真软件通过jsbsim六自由度飞行器仿真模型产生飞行仿真数据，航点/非航点仿真模块根据飞行仿真数据生成航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据，将飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据一起发送给视景仿真软件、空管运行仿真软件、综合验证平台测试软件，综合验证平台测试软件在接收到航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据会作为激励数据转发给显示系统进行测试。
23.jsbsim六自由度飞行器仿真模型仿真流程如图2所示，首先读取飞机模型数据及初始化配置文件完成对飞机模型和飞机参数的初始化，其中，飞机参数包含姿态、位置、速度、发动机、起落架等。然后结合空管运行仿真软件给出的空管运行数据、场面相关运行数据进行模型解算，得到飞机按照既定要求进行飞行或者场面运行时飞机姿态的变化趋势。在一个仿真周期内，当模型解算完成后可得到飞机从当前时刻到下一个仿真步长的飞行仿真数据，将当前仿真周期内模型数据的仿真数据存储到文件或内存中。最后，因进行模型解算的过程远远快于实际仿真时间周期，为了实现实时仿真，需进行仿真延时，从而使仿真时间和实际仿真周期保存同步，确保实时仿真的真实性。jsbsim六自由度飞行器仿真模型还可以接收外部输入的操纵飞行器的控制指令进行模型解算，比如在实施例中接受驾驶舱显示系统发送的驾驶杆、油门、踏板信号量实现手动驾驶。输出的飞行仿真数据包括位置信息、姿态信息、飞行控制设备信息、速度信息、发动机信息、空气动力信息、大气信息、其他信息。
24.航电/非航电仿真模块通过lua脚本语言进行航电各传感器及非航电各分系统仿真模型的构建。航电传感器仿真模型包括ads-b设备、大气数据机、惯性导航系统、航向姿态参考系统、磁航向传感器、无线电高度表、测距仪、甚高频通信、自动定向仪、甚高频全向信标、气象雷达、空中防撞系统、地形感知与警告系统、广播式自动相关监视等。非航电仿真模型包括发动机状态信息仿真模型、apu系统信息仿真模型、起落架信息仿真模型、环控信息仿真模型、电气信息仿真模型、液压信息仿真模型、舱门信息仿真模型、燃油信息仿真模型、飞行控制信息仿真模型等。航电/非航电仿真模块工作流程如图3所示，航电/非航电仿真模块中的各仿真模型根据jsbsim六自由度飞行仿真模型输出的各项飞行仿真数据为基础进行数据解析，通过lua脚本仿真模拟航电传感器和非航电各分系统的各项数据。
25.由视景仿真软件生成仿真视景的方式有很多种，本实施例作为举例说明提供了一个较佳方案。在本实施例中，视景仿真软件包括数据接收模块、数据转发模块、视景显示模块，视景仿真软件工作流程如图4所示，所述数据接收模块采用udp网络通信协议接收外部发送的视景激励数据，并将接收到的视景激励数据发送给数据转发模块；其中，视景激励数据飞行仿真软件的飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据以及空管运行仿真软件的场面相关运行数据。所述数据转发模块接收数据接收模块发送的视景激励数据，并通过simconnect api将视景激励数据转发视景显示模块，所述视景显示模块采用成熟的商业飞行仿真软件prepar3d，将视景激励数据作为视景显示驱动，根据飞行仿真数据解算出飞机姿态、高度和位置等信息，从而生成联动的飞行外部视景，根据空管运行数据和场面相关运行数据生成机场场面的运行视景，包括机场环境、跑道和障碍物等。生成的仿真视景会先输出给综合验证平台测试软件，然后通过综合验证平台测试软件进行控制和分
发，一路是输出到座舱前部的视景电视机，图像包含天气效果，一路输出到前视，图像与hud(平视显示器)叠加显示并移除天气效果。
26.由空管运行仿真软件生成空管运行数据和场面相关运行数据的方式有很多种，本实施例作为举例说明提供了一个较佳方案。如图5所示，在本实施例中，空管运行仿真软件基于web下的b/s模式进行整体架构设计，包括场面二次建模模块、参数配置模块、运行仿真模块、航班计划规划模块、航班运行规划模块、仿真冲突探测及解脱模块、仿真评估模块、空管通信模拟交互模块。
27.场面二次建模模块负责读取并解析机场静态结构数据，包括机场矢量图绘制子模块、机场建模场景显示子模块。机场矢量图绘制子模块从数据库中提取结构化场面静态数据，如跑道、滑行道、停机位等，将其加载至显示界面用于对机场场面进行二次建模绘制，并基于计算机图形学原理将场面结构化数据按照停机位、滑行道、跑道等类型数据以及不同的颜色和形状进行场面绘制。机场建模场景显示子功能是将机场矢量图绘制子模块绘制的场面进行显示化处理。
28.参数配置模块负责管理运行相关的参数数据，参数配置模块包括航空器参数配置子模块、场面参数配置子模块、跑道参数配置子模块。航空器参数配置子模块对航空器的滑行速度、过站时间、跑道占用时间等航空器运行参数进行配置及维护。场面参数配置子模块对场面的地面阻塞数、滑行安全时间间隔、穿跑道滑行路径的最大等待时长等场面参数进行配置及维护。跑道参数配置子模块对跑道进场激活池航班等待最大数、离场激活池航班等待最大数、跑道是否使用、起飞时间间隔、落地时间间隔等跑道参数进行配置及维护。
29.航班计划规划模块负责管理航班计划，航班计划规划模块包括历史航班计划子模块、航班仿真计划子模块。历史航班计划子模块用于历史航班计划新增、导入、删除。航班仿真计划子模块用于航班仿真计划新增、导入、删除。航班仿真计划子模块通过界面对航班计划进行规划，规划内容包括对单个航班计划进行手动创建、将指定的文件将航班计划数据自动批量导入至系统数据库中、对单个或者多个航班计划进行手动删除、根据筛选条件从数据库中读取航班计划列表用于显示在界面中、增加航班模拟增量自动生成一批满足条件的模拟航班。
30.航班运行规划模块负责停机位、滑行路径、跑道的初始规划等，航班运行规划模块包括初始停机位分配、初始滑行路径分配、初始跑道分配三个子模块，初始停机位分配子模块对航班计划有效分配初始停机位，初始滑行路径分配子模块对航班计划进行初始滑行路径分配，初始跑道分配子模块对航班计划进行初始滑行路径分配。
31.仿真冲突探测及解脱模块通过场面的运行情况，探测并解决跑道冲突、滑行道冲突、跑道穿越冲突、停机位推出冲突等，仿真冲突探测及解脱模块包括准许放行推出子模块、滑行路径冲突解脱子模块、跑道冲突解脱子模块、跑道穿越探测及解脱子模块。准许放行推出子模块结合相应规则从停机位提取出一架航班后，即刻触发跑道的占用状态，同时禁止其他航班在跑道占用状态使用该跑道，直至跑道进入空闲状态，继续从停机位进行提取分配。所述滑行冲突解脱通过基于线性视野感知模型的冲突解脱算法、以及基于滑行路径感知模型的冲突解脱算法使得两航空器之间在同路径上保持一定的安全间隔，避免在滑行路径上出现相撞。跑道冲突解脱子模块结合相应规则对跑道出现的冲突进行优化解脱处理，跑道穿越探测及解脱子模块结合相应规则处理滑行路径穿越跑道情况下的航空器之间
的冲突问题。所述跑道穿越探测及解脱通过航班轮询对航班是否穿越跑道以及穿越跑道段进行分析，当航班实际需要执行进入穿越跑道段时，则进一步进入跑道激活池，由跑道激活池基于提取规则对航班进行相应提取，提取该穿越航班后，跑道修改为占用状态，并维持记录穿越航班的运行时刻，当记录穿越航班成功穿越跑道后，跑道修改为空闲状态，航班穿越完毕。
32.运行仿真模块负责运行仿真场景的创建、参数配置及运行仿真事件的驱动，运行仿真模块包括仿真模式调用、运行模式调用、仿真参数调用、仿真运行驱动四个子模块。仿真模式调用子模块用于调整软件仿真模式。运行模式调用子模块用于调整软件运行模式。仿真参数调用模块用于调整软件仿真参数。仿真运行驱动子模块根据仿真模式、运行模式和仿真参数，开启仿真运行驱动对整体场面进行运行仿真，在接收到飞行仿真软件输出的某飞机的飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据后，在飞机场面运行、滑跑以及起飞阶段给出该飞机对应的空管运行数据和场面相关运行数据。
33.仿真评估分析模块用于对已经仿真结束的运行情况进行统计和评估分析，仿真评估分析模块包括仿真评估分析子模块和仿真评估分析子模块，仿真评估分析子模块对通过对机场飞行起降量、航空公司飞行起降量、机场航班的延误、航空公司在该机场执行航班的延误的统计，完成飞行流量评估分析及飞行延误评估分析。仿真评估分析显示子模块对仿真评估分析子模块的仿真评估分析结果进行显示。
34.空管通信模拟交互模块通过通信交互和显示完成cpdlc数据链的模拟通信。空管通信模拟交互模块包括机载端建链子模块、机载端激活会话子模块、指令集维护子模块。机载端建链子模块中的机载端向地面系统注册申请，为管制区内的航班通过机载端设备与地面系统建立起数据通信链路。机载端激活会话子模块对激活成功的机载端，进行地空对话。指令集维护子模块负责维护local指令集。
35.如图6所示，综合验证平台测试软件是验证环境的测试资源调度及测试执行的核心，对于一个复杂度稍高的软件系统，系统的各个模块或分系统通常会以独立的应用程序方式运行，并且各个应用程序可能会运行在不同的计算机之上。这些应用程序之间需要使用通信协议进行通信，常见的通信协议包括文本协议和二进制协议。文本协议如xml和json，虽然具备标准性和通用性，但是与二进制协议相比，其信息传输效率以及编解码性能低下。二进制协议存在如下缺点，如可读性非常差、解码难度高、容易出错、应对变化能力弱等。因此在本实施例中，综合验证平台测试软件以一种可配置的方式解决二进制协议使用上的多种缺点，同时确保有较高的性能。
36.综合验证平台测试软件包括icd(接口控制)功能模块、硬件资源管理功能模块、数据激励功能模块、数据监控功能模块、数据存储记录功能模块。
37.icd功能模块包括icd核心库、icd编辑管理子模块，icd核心库子模块负责对二进制数据流进行解析，得到各个数据字段的数据值，icd编辑管理子模块对icd数据进行编辑、管理。
38.icd核心库提供icd数据类型支持以及icd编解码功能。icd核心库支持的数据类型包括整形(uint8、uint16、uint32、uint64、int8、int16、int32、int64)、浮点型(float、double)、字符串这三个基本类型，也支持任意比特长度的自定义类型以及由上述类型合成的复合数据类型。icd编解码提供二进制数据流解码到对应的数据格式结构，以及将数据格
式结构及每个字段的数据编码成对应的二进制数据流的功能。
39.icd编辑管理提供icd可视化编辑器、icd导入导出以及icd检索功能。其中icd可视化编辑器实现了对数据格式、数据内容、字段属性进行编辑的功能。icd导入导出提供从icd描述文件生成数据格式定义及内容数据，以及将icd结构以及数据写入到icd描述文件的功能。icd检索可根据关键字在icd仓库中检索出目标icd，并在界面上进行显示。
40.综上所述，icd功能模块能够让用户快速、精准的设计出自定义数据，并且能够很方便的为其他模块所使用。如udp数据通道绑定icd数据，结合数据监控设置能够接收并解析飞行仿真软件发送的飞行仿真数据以及空管运行仿真软件发送的空管运行数据和场面相关运行数据。arinc 664数据通道绑定icd数据，结合数据转发配置能够将接收到的飞行仿真数据以及空管运行数据和场面相关运行数据转换为目标格式的二进制数据，并转发给用户设备idu。
41.硬件资源管理功能模块将所有硬件相关的操作集中起来，实现软件设计上的高内聚和低耦合，同时也提升人机工效、方便用户操作。硬件资源管理功能模块，包括硬件管理子模块、数据通道配置子模块。硬件管理子模块用于以太网、rs232、arinc664等硬件的配置及操作，不同硬件的配置操作方式是完全不一样的，因此需要为每个硬件提供单独的配置界面和操作逻辑，然后将这些界面组合到统一的硬件管理界面中，供用户调用和操作，在软件设计上实现高内聚的作用。数据通道配置子模块用于数据通道创建、数据通达管理、数据传输测试，通过在用户界面中选择的飞行仿真软件、视景仿真软件、空管运行仿真软件采用的总线类型和配置参数，创建相应的数据通道对象并进行相关属性设置，这样就做到通道和数据的独立性，实现低耦合的作用。
42.所述数据激励功能模块通过数据激励场景配置，即可执行产生数据激励。数据激励功能模块包括数据激励场景配置管理子模块、数据激励场景执行子模块、数据激励场景导入导出子模块，数据激励场景配置管理子模块用于创建数据激励场景，数据激励场景下可创建激励项，激励项包括icd配置、数据通道配置、激励参数配置、策略配置、发送控制等信息，数据激励场景执行子模块用于启动数据的发送，并根据激励项策略控制发送过程，数据激励场景导入导出子模块用于生成激励场景配置文件、以及从数据激励场景文件生成激励场景定义。
43.所述数据监控功能模块负责接收、解析网络中监控的数据。数据监视功能模块包括数据通道绑定子模块、实时监控子模块，数据通道绑定子模块为数据通道绑定一个或多个icd数据结构，实时监控子模块用于接收数据通道上的数据，并进行解析、显示处理。
44.数据存储记录功能模块基于通用数据帧格式实现收发数据的记录及存储功能。数据存储记录功能模块包括数据记录存储子模块、数据记录显示子模块，数据记录存储子模块用于将监听到的数据记录到数据库中，数据记录显示子模块用于数据记录控制，以及数据记录的检索、列表显示和解析。
45.综合验证平台测试软件接收的总线数据包括两种类型，一类是由飞行仿真软件发出的飞行仿真数据、航电系统仿真数据和非航电系统仿真数据，一类是由空管运行仿真软件发出的空管运行数据和场面相关运行数据。综合验证平台测试软件具备数据的接收及转发功能，因此需要事先对收发数据的icd、数据通道(udp、arinc 664等)以及转发规则进行配置。数据监控启动后，对数据通道上接收到的二进制格式的飞行仿真数据、航电系统仿真
数据、非航电系统仿真数据、空管运行数据和场面相关运行数据使用绑定的icd进行解析，生成icd数据。再根据转发规则将接收到的icd数据转换成目标格式的二进制数据，并通过数据通道转发出去。