CC BY
37
organization of parachute landing of cargo in the Armed Forces of Russia and in the armed forces of NATO countries.
Key words: parachute system, parachute cargo system, multi-dome system, cargo container.
Kozin Aleksey Viktorovich, chief designer, [email protected], Russia, Ivanovo, Joint Stock Company Polet Ivanovo Parachute Plant,
Ivkin Fedor Aleksandrovich, design engineer of the 2nd category, [email protected], Russia, Ivanovo, Joint Stock Company Polet Ivanovo Parachute Plant
УДК 004.94:629.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-62-63
ИНТЕГРАЦИЯ АВИАСИМУЛЯТОРОВ FLIGHTGEAR В СОСТАВ СТЕНДОВ ПОЛУНАТУРНОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
С.М. Юдин, А.С. Молчанов
В статье представлены выводы из результатов анализа возможности применения симулято-ра со свободно распространяемым исходным кодом FlightGear для визуализации полета и моделирования параметров движения летательного аппарата и режимов работы комплекса бортового оборудования при проведении наземных и летных испытаний.
Ключевые слова: математическое моделирование, авиасимулятор, стенд полунатурного моделирования, математическая модель бортового оборудования, FlightGear, комплекс бортового оборудования.
Повышение степени интеграции бортового оборудования летательных аппаратов (ЛА), широкое использование вычислительных средств, привело к их объединению на борту ЛА в единую информационно-управляющую систему (ИУС), которая стала центральным ядром всего бортового оборудования [1, 2].
Для отработки совместного функционирования составных частей (СЧ) ИУС между собой, а также с взаимодействующим оборудованием необходимы инструментальные средства, охватывающие все стадии разработки и испытаний ЛА, позволяющие решать такие задачи, когда многие элементы системы еще не изготовлены [3]. Традиционно в качестве таких средств используют стенды математического (ММ) и полунатурного моделирования (ПНМ) различной степени сложности. На этих стендах обнаруживается большинство ошибок, допущенных на предыдущих этапах проектирования. Также моделирование широко применяется на этапе различных видов натурных испытаний, определяющих характеристики объектов, их отработанность и возможность перехода от данного этапа испытаний к последующему, возможность включения результатов моделирования в число зачетных работ, или служащих основанием для передачи объектов в серийное производство [4].
При этом сами стенды являются сложными программно-аппаратными комплексами, требующими соответствующего времени и средств для их разработки. Так стенды ПНМ, существующие в настоящее время, включают в свой состав такие сложные объекты, как многостепенные динамические стенды, радиобезэховые камеры и др., что делает их вторым по стоимости объектом после опытного ЛА [5].
Для унификации и стандартизации в области разработки ММ и ПНМ ФГУП «НИИСУ» выпущен ОСТ В1 02779-2003 «Комплекс бортового оборудования летательных аппаратов. Структура стендо-во-имитационной среды. Общие требования», который вводит определение понятия стендово-имитационная среда (СИС) - распределенная аппаратно-программная среда, построенная на основе современных универсальных вычислительных средств, информационных и сетевых технологий, обеспечивающая построение и проведение всевозможных динамических режимов моделирования и анализа различных вариантов структурной и алгоритмической организации КБО (построения различных прототипов КБО) различных ЛА.
В состав СИС могут входить в том числе:
- модель информационно-управляющего поля кабины ЛА;
- модель закабинного пространства;
- модель динамики полета ЛА;
- модель внешней обстановки;
- стенд с реальными датчиками;
- стенд с информационными моделями датчиков (в том числе удаленный);
- распределенный фонд алгоритмов и программ (ФАП).
62
Этот документ не нашел широкого применения при создании ММ и ПНМ, а общедоступный для всех предприятий промышленности ФАП документ так и не был создан. Поэтому наиболее частой является ситуация, когда стенды ММ и ПНМ разрабатываются самостоятельно различными подразделениями одного предприятия, либо разными организациями, в тоже время, каждое предприятие-разработчик СЧ, создает свои стенды ММ и ПНМ, необходимые для разработки и испытаний соответствующей аппаратуры. При этом создаются различные модели внешней обстановки, динамики полета ЛА и т.п. со своими возможностями и ограничениями в зависимости от задач, стоящих перед конкретным разработчиком. В результате существенно удлиняются сроки, и возрастает общая стоимость разработки. В случае возникновения необходимости объединения моделей нескольких систем, созданных разными предприятиями для отработки комплекса (системы) более высокого уровня, либо объединения моделей нескольких разнородных объектов с целью отработки их группового взаимодействия, эта задача становится практически нерешаемой в отведенное на разработку ЛА время.
Ускорить разработку стендов ММ и ПНМ, упростить их дальнейшую интеграцию, а также снизить стоимость разработки может создание ФАП, содержащего модели общего применения, таких как модель внешней обстановки, модель атмосферы, а также модель динамики полета ЛА. В качестве основы такого ФАП можно использовать один из существующих авиасимуляторов типа FlightGear, X-Plane, Microsoft Flight Simulator [6-9], так как они реализуют схожие со стендами ММ и ПНМ функции. Авиасимулятор FlightGear является более предпочтительным вариантом, как программа со свободно распространяемым исходным кодом, что упрощает её использование в условиях санкций, а также, при необходимости, проведение сертификации по требованиям безопасности информации.
FlightGear имеет возможность подключения к нему внешних программ для управления моделями летательного аппарата или его подсистем [6]. При этом возможно создавать произвольные протоколы обмена данными на основе сетевых протоколов TCP и UDP при помощи XML-файлов. В его состав по умолчанию входят файлы с описанием поверхности Земли, местонахождения аэродромов, средств навигации и т.п.
В FlightGear реализованы возможности:
- совместного управления самолетом по сети экипажем;
- совместного полета нескольких самолетов, управляемых по сети (в том числе с имитацией их групповых действий таких как, например, дозаправка воздухом в полете);
- расчета расположения основных небесных тел (звезд и планет) в зависимости от текущего местоположения ЛА и текущих даты и времени (что позволяет применять данный авиасимулятор для отработки программного обеспечения астроинерциальных систем навигации);
- использования реальных данных о текущих параметрах атмосферы (в том числе о направлении и силе ветра на больших эшелонах);
- использования нескольких мониторов/проекторов для вывода графического изображения;
- расширения возможности моделей ЛА путем программирования сложных логических условий, циклов и функций работы встроенным скриптовым объектно-ориентированным языком программирования NASAL.
Модель самолета в FlightGear состоит из следующих основных компонентов:
- визуальная модель - внешний вид ЛА;
- панели приборов;
- динамика ЛА - система параметров, определяющих движение модели.
- главный конфигурационный файл модели - объединяет все части модели в единое целое и устанавливает начальные значения для различных параметров модели. Все параметры из этого файла загружаются в дерево свойств симулятора - совокупность глобальных переменных, служащих для обмена информацией между различными частями программного комплекса FlightGear.
Рис. 1. Приборные панели самолетов МиГ-15бис и Ту-154Б-2, реализованные в FlightGear
Кроме того, модель может использовать различные подсистемы (звук, субмодели) - реализованные разработчиком модели, либо входящие в комплект поставки симулятора в виде готовых блоков.
В состав симулятора включено большое количество разнообразных дополнительных моделей приборов, со своими конфигурационными хт1-файлами. Поэтому их добавление в модель ЛА сводится к позиционированию на панели в её системе координат.
В случае отсутствия необходимого прибора или необходимости моделирования сложной самолетной системы - электрической, гидравлической и т.п. их можно создать с помощью встроенного языка программирования NASAL. При этом можно выполнять сложную математическую обработку любого параметра, а также строить программные автоматы для моделирования систем [10, 11].
В качестве основных моделей динамики полета используются:
- JSBSim - рассчитывает движение классическим методом коэффициентов, используя введенные в конфигурацию модели параметры о поведении реального ЛА в соответствующих условиях. Также дает возможность моделировать автопилоты, положения управляющих поверхностей, шасси и т.д.;
- YASim - рассчитывает динамику полета на основе просчёта поверхностей ЛА.
FlightGear может также использовать данные внешних моделей в качестве источника динамики полета, например, данные из программы MATLAB/Simulink.
В упрощенном виде JSBSim моделирует движение ЛА следующим образом.
На рис. 2 представлены в упрощенном виде силы, воздействующие на самолет. Это сила тяжести Fg, приложенная к центру тяжести, и подъемная сила крыла Fl, приложенная к крылу. Перпендикулярно действует сила тяги двигателя Ft, и сила сопротивления Fd. Кроме этого, к стабилизатору приложена сила Fs, компенсирующая продольный момент, возникающий из-за того, что точка приложения подъемной силы не совпадает с центром тяжести.
Ft 'Ft \ Fd
1 CGi i x- -4 Fs
'Fg
Рис. 2. Упрощенный пример сил, действующих на ЛА в полете
Когда все эти силы уравновешены (их векторная сумма равна нулю), самолет движется прямолинейно с постоянной скоростью.
В модели динамики полета JSBSim силы, приложенные к различным поверхностям, пересчитаны и сведены в одну точку, а чтобы учесть тот факт, что в действительности точки приложения сил разные, кроме сил теперь используются моменты. Моменты поворачивают самолет вокруг осей также, как силы смещают самолет вдоль осей. Таким образом, в дополнение к движению по координатам X, Y, Ъ, самолет вращается вокруг осей X, Y, Ъ (рис. 3). Центром вращения самолета является его центр тяжести. А вот точка приложения сил и моментов - другая. Все силы и моменты, имеющие аэродинамическую природу, считаются приложенными к одной точке - аэродинамическому центру самолета. Начальное положение аэродинамического центра задается с помощью аэродинамической опорной точки (АЯР). В процессе полета, положение аэродинамического центра изменяется. Особенно интенсивно положение меняется при переходе через звуковой барьер. JSBSim рассчитывает этот эффект и новое положение АЯР.
Относительное положение АЯР и центра тяжести - другая важная величина. От этого положения зависит устойчивость модели. Но координаты центра тяжести - тоже величина непостоянная. В полете, положение ЦТ изменяется из-за выработки топлива, обледенения и т.д. Для определения начального положения ЦТ используется другая опорная точка, CG. Это координаты центра тяжести для пустого самолета. После запуска программы, координаты центра тяжести пересчитываются динамикой в зависимости от загрузки и залитого топлива.
Существуют и неаэродинамические силы, например силы реакции шасси или силы стартовой катапульты. Для них динамика JSBSim использует отдельные средства расчета.
Все параметры модели динамики полета JSBSim вся информация о модели хранится в конфигурационном файле формата хт1. Часть переменных, описанных в данном файле, используется для ввода управляющих сигналов и команд, часть - выходные значения.
Например, переменная fcs/flap-cmd-norm - это команда управления закрылками, fcs/flap-pos-deg - переменная, где хранится положение закрылок в градусах. Пересчет из flap-cmd-norm в flap-pos-deg выполняется по правилу, описанному в конфигурационном файле модели, с учетом предельных углов отклонения, времени перекладки и т.д. Эта переменная используется как в отображении положения закрылок, так и как входная для той части программного комплекса JSBSim, которая отвечает за расчет аэродинамики.
В качестве основных параметров, хранящихся в конфигурационном файле, стоит отметить:
- геометрические размеры ЛА (такие как площадь крыла, размах крыла и т.д.) и смещения опорных точек;
- информация о массе пустого самолета и положении ЦТ;
- информация о дополнительной массе (например, массе груза и его расположении);
- информация о двигателях и топливных баках.
К_А
Рис. 3. Моменты сил, рассчитанные в модели динамики полета JSBSim
Дополнительно к уже существующим управляющим переменным, прописанным в файле конфигурации JSBSim (элероны, руль высоты, руль направления, закрылки, интерцепторы, шасси), в нем можно создавать любые другие переменные. Таким образом, можно моделировать любые сложные элементы конструкции самолета - переставные стабилизаторы, рампы, крылья с изменяемой стреловидностью и т.д, и учитывать их влияние на аэродинамику.
Так же стоит отметить такой подраздел файла, как aerodynamics, который описывает динамику ЛА. Именно в нем, на основе вычисленного положения управляющих поверхностей, тяги двигателя, массы, состояния атмосферы и т.д. производится расчет аэродинамических сил и моментов. Вычислив силы и моменты рассчитываются очередные координаты центра тяжести модели, угловое положение, а также скорости, ускорения, углы атаки и другие параметры движения.
Существует возможность запуска модели динамики JSBSim автономно, без запуска всего си-мулятора, за счет встроенной поддержки скриптов. Это позволяет на порядки увеличить скорость разработки модели, либо проведения испытаний. Записав в скрипт необходимые управляющие команды, можно выполнить испытательный полет, не запуская симулятор. Результаты записываются в лог-файл, который можно загрузить во внешнюю программу типа MATHLAB или Exel.
Конечной целью моделирования является получение оценок выбранных количественных показателей с необходимой точностью. При этом должны быть гарантированы полнота и достоверность получаемого экспериментального материала. Поэтому применение разработанной модели для отработки или испытаний возможно только после получения гарантий того, что модель во всех ситуациях будет правильно отражать поведение реальной системы. Для этого выполняется проверка её адекватности объекту моделирования. Если модель признана адекватной реальной системе (с некоторой степенью достоверности), то на ней можно проводить эксперименты с целью определения показателей, характеризующих испытываемый объект (систему).
Порядок проведения, содержание программы и методик аттестации определены требованиями ГОСТ Р 8.568-2017 и ГОСТ РВ 52149-2003. При этом для каждой конкретной модели ЛА или бортового оборудования в зависимости от их предназначения могут выбираться различные характеристики, определяемые при проведении аттестации, и критерии их оценивания. Поэтому в настоящий момент не существует действующих методических указаний по аттестации этих моделей, специалисты, проводящие аттестацию, при разработке программы и методик действуют на основании своего опыта с учетом структуры модели. Использование авиасимулятора FlightGear в качестве основы для разработки ММ и ПНМ дает возможность создания единого методического обеспечения для проведения аттестации широкого ряда моделей с использованием уже существующего задела. Так, например, применению моделей летно-технических характеристик ЛА на основе расчетов сил и их моментов на различных этапах жизненного цикла [9, 12, 13].
Таким образом применительно к терминам ОСТ В1 02779 с помощью авиасимулятора FlightGear можно относительно быстро создать следующие модели разрабатываемого ЛА:
- информационно-управляющего поля кабины ЛА, причем за счет развитой визуализации возможно привлечение летного состава на ранних этапах разработки для его оценки;
- динамики полета ЛА, которая может дорабатываться по мере появления данных о результатах продувки модели в аэродинамической трубе;
- стенда с информационными моделями датчиков и систем ЛА, которые можно заменять реальными устройствами по мере их разработки;
Также в программе штатно реализованы модели:
- внешней обстановки;
- закабинного пространства;
При этом возможно легкое объединение нескольких стендов ММ и ПНМ, в том числе разнородных объектов, по стандартным Ethernet-интерфейсам в едином информационно-моделирующем пространстве для оценки решения задачи групповых действий.
При подготовке и проведении летных испытаний стенды, созданные на основе FlightGear, могут применяться для:
- определения характеристик ЛА в невыполняемых или трудно выполняемых условиях проведения испытаний и возможностью включения результатов их оценки в число зачетных работ по летным испытаниям;
- набора статистического материала для оценки показателей отдельных характеристик ЛА и его бортового оборудования, для сокращения общего количества выполняемых полетов;
- разработки полетных заданий и их отработки с летным составом за счет средств визуализации перед проведением натурных экспериментов;
- проведения послеполетного моделирования для анализа выполненного полета и оценки его результатов.
Дальнейшим этапом развития такого стенда может стать разработка на его основе тренажера ЛА для подготовки летного состава.
Таким образом, авиасимулятор FlightGear является хорошей основой для разработки стендов ММ и ПНМ бортового оборудования ЛА, а за счет возможности подключения внешних программ и реальных систем - для модернизации или организации взаимодействия уже существующих.
Список литературы
1. Джанджгава Г.И., Берг А.Г., Орехов М.И., Бабиченко А.В., Евсеев А.В. Создание комплексов бортового оборудования летательных аппаратов с использованием цифровых двойников, базы знаний и моделирования // Идеи и новации. 2022. Т. 10. № 1-2. С. 79-85.
2. Larkin E.V., Akimenko T.A., Bogomolov A.V. Modeling the reliability of the onboard equipment of a mobile robot // Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics. 2021. Vol. 21. No 3. Pp. 390-399.
3. Ларкин Е.В., Богомолов А.В., Акименко Т.А. Моделирование иерархической системы управления группой мобильных роботов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 2. С. 29-35.
4. Воронцов П.С., Брайткрайц С.Г. Роль и задачи имитационного моделирования в военно-научном сопровождении НИОКР по созданию авиационных информационно-управляющих комплексов // Вооружение и экономика. 2022. № 2 (60). С. 72-83.
5. Кириллов А.В., Лёвкин И.Н., Прокофьев А.В. Программно-аппаратный комплекс имитации режимов полёта самолёта // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Физика и электроника. 2013. т. 15, № 6(3). С 771-776.
6. Основы аэродинамики JSBSim для авиасимулятора FlightGear. [Электронный ресурс]. Режим доступа https://www.avsim.su/wiki/Основы_аэродинамики_JSBSim_для_авиасимулятора_FlightGear (дата обращения 03.08.2022).
7. Введение в моделирование для авиасимулятора FlightGear. [Электронный ресурс]. Режим доступа https://www.avsim.su/wiki/Введение_в_моделирование_для_авиасимулятора_ FlightGear (дата обращения 03.08.2022).
8. Науменко А.А., Князев А.С. Использование авиасимуляторов в учебном процессе авиационного вуза // Вестник Армавирского государственного педагогического университета. 2021. № 4. С. 64-72.
9. Князев А.С. Совместное использование авиасимулятора X-plane и среды Simintech для исследования работы авиационных систем // Труды МАИ. 2021. № 117. 19 c.
10. Чаусов Е.В., Молчанов А.С. автоматизированный комплекс обработки цифровых изображений в задаче оценивания линейного разрешения на местности основе функции передачи модуляции // Математические методы в технике и технологиях. 2020. №. 9. С. 73-76.
11. Chausov E., Molchanov A. Cyber-physical resolution evaluation system for digital aerophoto-graphic systems // Studies in Systems, Decision and Control. 2021. Vol. 338. Pp. 247-254.
12. Молчанов А.С., Чаусов Е.В. Теория и практика распознавания объектов бронетанковой техники при дешифрировании аэроснимков. М.: Перо, 2021. 246 с.
13. Растегаев И.Г., Молчанов А.С., Солохин С.В. Модель планирования летных испытаний командной радиолинии управления и контроля беспилотным летательным аппаратом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 9. С. 191-201.
Юдин Сергей Михайлович, заместитель начальника отдела, [email protected], Россия, Ахтубинск Астраханской области, Государственный летно-испытательный центр им. В.П. Чкалова,
Молчанов Андрей Сергеевич, д-р техн. наук, доцент, начальник отдела, [email protected], Россия, Ахтубинск Астраханской области, Государственный летно-испытательный центр им. В. П. Чкалова
INTEGRATION OF FLIGHT SIMULATORS INTO THE SOFTWARE OF SEMI-NA TURAL AND MATHEMATICAL MODELING OF AIRCRAFT ON-BOARD EQUIPMENT COMPLEXES ON THE EXAMPLE
OF THE FLIGHTGEAR SOFTWARE PACKAGE
S.M. Yudin, A.S. Molchanov
The article presents the conclusions from the analysis of the possibility of using the simulator with the freely distributed source code FlightGear for flight visualization and simulation of aircraft motion parameters and operating modes of the onboard equipment complex during ground and flight tests.
Key words: mathematical modeling, flight simulator, half-life stand simulation bench, mathematical model of onboard equipment, FlightGear, onboard equipment complex.
Yudin Sergey Mihaylovich, deputy head of department, [email protected], Russia, Akhtubinsk city, Astrakhan region, Chkalov State Flight Test Center,
Molchanov Andrey Sergeevich, doctor of technical sciences, assistant professor, head of department, [email protected], Russia, Akhtubinsk city, Astrakhan region, Chkalov State Flight Test Center
УДК 004.451.25
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-67-68
ПОКАЗАТЕЛИ ОБОСНОВАННОСТИ, РЕСУРСОПОТРЕБЛЕНИЯ И СКРЫТНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССА ПЛАНИРОВАНИЯ
В.С. Скрябин, А.Я. Моргунов, Е.В. Комаров, В.А. Питенко, А.И. Муравьев
В статье подробно рассмотрены следующие показатели эффективности информационной поддержки процесса планирования и компьютерной системы информационной поддержки: обоснованность, ресурсопотребление и скрытность информационной поддержки процесса планирования и безопасность компьютерной системы информационной поддержки. Данные показатели рассмотрены применительно к этапам процесса планирования.
Ключевые слова: процесс планирования, информационная поддержка планирования, система информационной поддержки.
Оценим обоснованность информационной поддержки процесса планирования (ИППП) на основе показателя адекватности разработки документов и интегрального показателя полноты и точности предоставляемой ДЛ информации в ходе планирования.
Показатель адекватности определяется из таких внутренних показателей, как вероятности ошибки на элемент документа в исходных данных Рид, при работе ДЛ Рдл, аппаратных за время работы программы РА, являющиеся характеристиками таких свойств программы, как информационная, операторская, алгоритмическая и техническая безотказность, которые в свою очередь характеризуют такое свойство программы, как надежность:
Рош=1-(1-Рид)ы-(1-Рдл)ш (1-Ра(р); где N - среднее число символов в документе (в текстовых и табличных документах - 1000-20000 символов, определено на основе оценки существующих текстовых и табличных документов [1]), N¡1 - трудоемкость документа, определяемая средним количеством символов, вводимых оператором.
Доля операций ручного редактирования документа по оценкам составит 20-30% всего объема документа, т.е. N¡=(0,2-0,3) N.
Показатель эффекта применения компьютерной системы информационной поддержки (КСИП) для процессов ИППП по свойству адекватности будет следующий:
Эд =
грРУ
ад рк Üi
