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飞行模拟机实时仿真管理系统的研究

郑淑涛  
【摘要】: 飞行模拟机是一种能够逼真模拟真实飞机在地面和空中运动的航空试验设备,它是系统仿真技术的典型应用。飞行模拟机以经济、安全、高效和环保等优点在新机研制、飞行理论研究、飞行控制研究和飞行训练等领域获得了广泛应用。随着我国航空事业的快速发展和近期大飞机研制计划的启动,围绕飞行模拟机关键技术开展研究,不仅有助于加速和完善大飞机的研制进程,而且对于缩短我国同国外同行在飞行仿真研究领域的差距,培养独立的飞行模拟机研发队伍,开发具有自主知识产权的高逼真度飞行模拟机,真正地实现我国从民航大国向民航强国的转变具有重要意义。 作为飞行模拟机的调度控制中心,实时仿真管理系统(Real-Time simulation Management System, RTMS)通过实时调度机制和实时通信技术,控制和管理各分系统仿真软件的实时运行和数据交互,使它们能够最大程度地发挥出预定的功能和性能,产生出协调一致的仿真运算结果。它对飞行仿真结果的正确性产生重要影响,是飞行模拟机研制中的关键技术之一。本文通过对飞行模拟机软件构架、实时调度理论、实时通信技术和飞行仿真软件集成等技术的深入研究,研制出了一套高效、灵活的实时仿真管理系统。 通过对飞行模拟机软件功能的需求分析,即应满足进行飞行训练、环境模拟和故障模拟的基本要求,给出了飞行模拟机实时仿真管理系统的功能需求和系统组成。运用质量属性分析的观点对飞行模拟机软件系统进行了质量属性需求分析,基于模型-视图-控制器(Model-View-Controller,MVC)设计模式设计出了具有良好平台独立性、可移植性和可扩展性飞行模拟机软件构架,并对实时仿真管理系统的软件构架元素进行了详细分析。 在软件构架基础上,根据飞行仿真任务具有周期性任务、偶发任务和后台任务并存,仿真任务间存在较强顺序相关性的特点,为飞行模拟机设计出了一种改进型层次式的仿真任务调度结构。在对实时调度算法深入分析的基础上,为周期性任务、偶发任务和后台任务建立起了一种具有二叉树结构的循环调度算法;在对最早时限优先(Earliest Deadline First, EDF)和后台调度算法深入研究的基础上,设计了基于优先级和时钟驱动的混合任务集调度算法。这不仅能够高效地完成对飞行模拟机复杂任务集的实时调度,而且能够方便灵活地对复杂任务集进行修改与扩充。 数据交互在飞行模拟机中占有重要的地位,以对飞行模拟机公共数据区与参数分布服务的研究为中心,重点对参数分布技术,公共数据区数据共享的完整性和一致性问题进行了深入、系统的研究。通过对参数分布技术的研究,基于发布/订购概念,提出了仿真计算节点间参数共享的方法。给出了最小参数发布区原理,并利用该原理设计了共享参数订购区和发布区的构造算法。采用自底向上的方法依次在仿真模型、仿真子系统和仿真计算节点三个层次上对共享参数的访问进行了完整性控制,满足了公共数据区参数共享的完整性要求。设计了具有双缓冲数据结构的参数共享方法,满足了仿真子系统对共享参数输入的一致性要求。随后运用通信类工厂机制设计了配置灵活的数据通讯模块,以满足分布式系统的数据通信要求。这些方法的应用有效保证了数据的一致性和完整性要求,提高了分布式飞行仿真网络的通信效率。 为了验证实时仿真管理系统的有效性和灵活性,缩短软件系统的开发周期,提高开发效率,基于商用货架产品COTS(Commercial Off-The-Shelf)进行了飞行模拟机硬件系统和软件系统的开发。组建了基于以太网、IEEE 1394火线和CAN总线技术的混合实时网络分布式仿真平台。采用COTS软件完成了飞行模拟机仿真软件的开发,并在该平台上进行了仿真任务运行时间、帧周期占用率、软件构架评估、总体性能测试等工作,结果表明所设计的飞行模拟机软件构架结构合理,实时仿真管理系统能够有效地完成飞行模拟机复杂任务集的实时调度和通信要求,满足高逼真度飞行模拟机开发对实时仿真管理系统的需求。


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