СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ПОЛЁТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВАЛИДАЦИИ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛЁТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
FLIGHT INFORMATION COLLECTION AND PROCESSING SYSTEM FOR AIRCRAFT DIGITAL TWIN VALIDATION DURING FLIGHT TESTS

Изобретение относится к области испытаний авиационной техники и позволяет осуществлять валидацию цифрового двойника летательного аппарата в процессе выполнения испытательных полетов.
Цифровой двойник (ЦД) - система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями. ЦД разрабатывается и применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия.
Целью создания ЦД является выполнение технических и тактико-технических требований к изделию, снижение себестоимости и сроков разработки опытных образцов изделия, повышение технологичности изделия, а также повышение надежности и эффективности эксплуатации изделия.
Цифровая модель изделия - система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов испытаний по ГОСТ 16504 выполнена оценка соответствия предъявляемым к изделию требованиям.
Валидация математической модели - подтверждение соответствия математической модели моделируемому объекту путем параметрического сравнения результатов математического моделирования с достоверными результатами натурных (наземных и летных) испытаний разрабатываемого образца авиационной техники и его составных частей.
Валидация ЦД - это процесс определения соответствия входящей в состав ЦД цифровой модели реальному миру. Валидация обеспечивает обоснование того, что ЦД в заявленной области применения позволяет правильно и с определенной точностью моделировать реальные процессы.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является бортовая система регистрации информации (патент на изобретение RU 2285241), которая содержит блок сбора информации, пульт, защищенный накопитель, аудиоблок, цифровой преобразователь, введенный в состав пульта модуль автоконтроля, контроллер защищенного накопителя, содержащий модули памяти, модуль сравнения и счетчик несовпадений, блок съема информации, содержащий карты памяти и модуль несовпадений, информационный порт, первый и второй видеоблоки, первый и второй коммутаторы, а также индикатор состояния, соответствующим образом соединенные в единую электронную схему. Недостатком этого решения является то, что система, в силу ограниченных функциональных возможностей в части получения полетной информации в режиме реального времени, затрудняет возможность оперативного получения оценки технического состояния объекта контроля и не может быть использована для решения задачи валидации цифрового двойника летательного аппарата.
Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей систем сбора и обработки полетной информации при проведении летных испытаний летательных аппаратов.
Решение технической задачи достигается тем, что система сбора и обработки полетной информации для валидации цифрового двойника летательного аппарата при проведении летных испытаний включает: наземный комплекс подготовки полетных заданий, выход которого подключен ко входу съемного носителя информации, выход которого соединен с образцом испытуемого оборудования, первый выход которого соединен с бортовым измерителем, а второй выход соединен с наземным комплексом обработки полетной информации; первый выход бортового измерителя соединен со входом накопителя, выход которого соединен с согласующим блоком, выход которого подключен ко второму входу наземного комплекса обработки полетной информации; второй выход бортового измерителя соединен со входом блока идентификации и первичной обработки полетной информации, информация с выхода которого поступает на вход блока ожидания событий, выход которого соединен со входом блока распознавания режимов; выход блока распознавания режимов соединен со входом блока обработки и регистрации режимов; первый выход блока обработки и регистрации режимов соединен с блоком формирования кадра многофункционального индикатора «Испытательный режим», второй выход блока обработки и регистрации режимов соединен со входом блока хранения информации «Результаты»; первый выход блока хранения информации «Валидация» соединен со вторым входом блока ожидания событий, второй выход блока хранения информации «Валидация» соединен со вторым входом блока распознавания режимов; первый выход блока хранения информации «Испытания» соединен с третьим входом блока ожидания событий, второй выход блока хранения информации «Испытания» соединен с третьим входом блока распознавания режимов; запись информации в блок хранения информации «Валидация» происходит с выхода блока съемного носителя информации, вход которого соединен с выходом информационно-моделирующего блока; выход блока хранения информации «Результаты» соединен со входом съемного носителя информации, выход которого соединен с первым входом блока обработки и анализа результатов валидации цифрового двойника, выход которого соединен со входом блока формирования отчета о результатах валидации, а выход блока формирования отчета о результатах валидации соединен со вторым входом блока обработки и анализа результатов валидации цифрового двойника; третий выход блока обработки и анализа результатов валидации цифрового двойника соединен с третьим входом наземного комплекса обработки полетной информации, а выход наземного комплекса обработки полетной информации соединен с третьим входом блока обработки и анализа результатов валидации цифрового двойника.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности автоматизированного сбора и обработки полетной информации для валидации цифрового двойника летательного аппарата при проведении летных испытаний.
Функционирование изобретения поясняется фигурой, на которой обозначены:
Контур А - компоненты системы, задействуемые на этапе подготовки к выполнению испытательного полета;
Контур В - компоненты системы, задействуемые в испытательном полете на борту летательного аппарата (ЛА);
Контур С - компоненты системы, задействуемые на этапе обработки и анализа материалов;
Контур В1 - бортовая система валидации (блоки 8-15);
1 - наземный комплекс подготовки полетных заданий;
2 - съемный носитель информации;
3 - информационно-моделирующий блок;
4 - съемный носитель информации;
5 - образец испытуемого оборудования;
6 - бортовой измеритель;
7 - накопитель;
8 - блок идентификации и первичной обработки полетной информации;
9 - блок ожидания событий;
10 - блок распознавания режимов;
11 - блок обработки и регистрации режимов;
12 - блок формирования кадра многофункционального индикатора «Испытательный режим»;
13 - блок хранения информации «Валидация»;
14 - блок хранения информации «Испытания»;
15 - блок хранения информации «Результаты»;
16 - наземный комплекс обработки полетной информации;
17 - согласующий блок;
18 - блок формирования отчета о результатах валидации;
19 - блок обработки и анализа результатов валидации ЦД;
20 - съемный носитель информации.
Блок 1 - блок наземной подготовки полетных заданий (1) представляет собой персональную ЭВМ с комплектом специального программного обеспечения, формирующую полетное задание и полетные данные для бортового радиоэлектронного оборудования ЛА в соответствии с задачами полета. Подготовленное испытательной бригадой полетное задание содержит всю информацию, необходимую экипажу для достижения целей испытательного полета, включая обязательные к выполнению экипажем ЛА режимы и параметры полета.
Блок 2 - съемный носитель информации (2) с энергонезависимой памятью, выполнен в металлическом защищенном корпусе с разъемом стандарта «USB 2.0». Блок предназначен для переноса сформированного полетного задания из (1) в бортовое радиоэлектронное оборудование летательного аппарата (5).
Блок 3 - информационно-моделирующий блок (3), представляет собой ЭВМ, которая обеспечивает функционирование ЦД ЛА. В (3) происходит подготовка исходных данных для решения задачи валидации ЦД ЛА и формируется перечень режимов полета, необходимых для решения задачи валидации. Необходимые для валидации режимы полета и перечень параметров заносятся в блок хранения информации «Валидация» (13).
Блок 4 - съемный носитель информации (4) с энергонезависимой памятью, выполненный в металлическом защищенном корпусе с разъемом стандарта «USB 2.0». Блок предназначен для переноса информации из (3) в блок хранения информации «Валидация» (13).
Блок 5 - образец испытуемого оборудования (5), представляет собой объект испытаний. Состояние и работа оборудования ЛА, подлежащего оценке, осуществляется путем получения измерительной информации бортовым измерителем (6).
Блок 6 - бортовой измеритель (6), представляет собой информационно-измерительную систему, предназначенную для получения в условиях полета измерительной информации, характеризующей состояние и работу агрегатов и узлов ЛА, взаимодействие составных частей ЛА между собой и средой. Бортовой измеритель включает следующие элементы:
первичные измерительные преобразователи (ПИП), воспринимающие физические воздействия от (5) и преобразующие их в электрический сигнал;
согласующее устройство, осуществляющее преобразование сигналов ПИП в вид, необходимый для регистрации;
регистрирующее устройство, обеспечивающие сбор и накопление информации;
средства синхронизации, обеспечивающие привязку к единому времени всех потоков регистрируемой информации;
линии связи, передающие измерительную информацию.
Блок 7 - накопитель (7), представляет собой съемный носитель информации с энергонезависимой памятью, выполнен в металлическом защищенном корпусе. Блок предназначен для хранения параметров испытательного полета, полученных от блока (6) и переноса информации в наземное устройство обработки информации.
Блок 8 - блок идентификации и первичной обработки полетной информации (8), выполнен в виде платы микропроцессора, с модулем оперативной памяти и согласующим устройством Блок осуществляет получение и согласование параметров от бортового измерителя (6) по протоколу 1000Base-TX.
Блок 9 - блок ожидания событий (9) выполнен виде платы микропроцессора с модулем оперативной памяти и согласующим устройством. Блок обеспечивает работу алгоритма распознавания событий, предложенному в Адгамов Р.И., Берхеев М.М., Заляев И.А. Автоматизированные испытания в авиастроении М.: Машиностроение, 1989. 232 с. Алгоритм распознавания событий основан на реализации операции по ожиданию и обнаружению из поступающей от (8) в реальном масштабе времени некоторой группы заданных в блоке хранения информации «Валидация» (13) и в блоке хранения информации «Испытания» (14) событий, после чего информация для дальнейшей обработки поступает в блок (10).
Блок 10 - блок распознавания режимов (10) выполнен виде платы микропроцессора с модулем оперативной памяти и согласующим устройством. Блок обеспечивает работу алгоритма распознавания режимов, предложенному в Адгамов Р.И., Берхеев М.М., Заляев И.А. Автоматизированные испытания в авиастроении М.: Машиностроение, 1989. 232 с. Алгоритм распознавания режимов построен на основе системы распознавания образов. Алгоритм предусматривает предварительное распознавание подмножества, к которому принадлежит данный исследуемый режим испытаний, а затем осуществляется окончательное распознавание режима с целью нахождения идентификации режима из базы данных валидационных режимов, размещенной в блоке хранения информации «Валидация» (13), либо из базы данных испытательных режимов, размещенной в блоке хранения информации «Испытания» (14). В алгоритме предусмотрен контроль принятия ложных решений при появлении грубых ошибок измерения или при небольших временных превышениях колебания параметра над среднестатистическим его значением.
Блок 11 - блок обработки и регистрации режимов (11) выполнен виде платы микропроцессора с модулем оперативной памяти и согласующим устройством, на основании поступающей от блока (10) информации о текущем режиме полета ЛА и соответствующих ему параметрах, осуществляет запись значений в блок хранения информации «Результаты» (15). Для повышения информационной осведомленности экипажа о выполняемых испытательных режимах и создания условий для комплексирования испытательных полетов, информация о распознанном режиме полета с основными параметрами поступает в блок формирования кадра многофункционального индикатора «Испытательный режим» (12).
Блок 12 - блок формирования кадра многофункционального индикатора «Испытательный режим» (12) представляет собой плату микропроцессора с модулем оперативной памяти и согласующим устройством, которая обеспечивает через систему бортового оборудования ЛА формирование в информационном поле экипажа результатов, полученных в блоке (11).
Блок 13 - блок хранения информации «Валидация» (13) выполнен в виде платы с твердотельным накопителем и контроллером. Блок обеспечивает запись, хранение и доступ к базе данных валидационных режимов.
Блок 14 - блок хранения информации «Испытания» (14) выполнен в виде платы с твердотельным накопителем и контроллером. Блок обеспечивает запись, хранение и доступ к базе данных испытательных режимов.
Блок 15 - блок хранения информации «Результаты» (15) выполнен в виде платы с твердотельным накопителем и контроллером. Блок обеспечивает хранение и доступ к базе данных результатов.
Блок 16 - блок наземной обработки полетной информации (16), представляет собой ПЭВМ со специальным программно-математическим обеспечением комплексной обработки измерительной информации при летных испытаниях авиационной техники, осуществляющий автоматизированную обработку материалов системы бортовых измерений.
Блок 17 - согласующий блок (17) представляет собой устройство в металлическом корпусе, с контроллером и различными типами разъемов. Блок обеспечивает подключение накопителя (7) по протоколу 1000 Base - ТХ, 100Base-T и по шине USB для передачи полетной информации в (16).
Блок 18 - блок формирования отчета о результатах валидации, представляет собой ЭВМ с печатающим устройством и доступом к сети Интернет. Блок предназначен для формирования отчета о результатах валидации ЦД в электронном и печатном виде.
Блок 19 - блок обработки и анализа результатов валидации ЦД (19) представляет собой ЭВМ. Специальное программное обеспечение ЭВМ обеспечивает автоматизированную обработку и анализ полученных из (15) полетных данных и формирует необходимые для (18) данные о результатах валидации ЦД ЛА. Для обеспечения сравнения данных моделирования с результатами испытательного полета на всех этапах полета, предусмотрен обмен информацией между блоком (19) и блоком (16) по протоколу Ethernet.
Блок 20 - съемный носитель информации (20) с энергонезависимой памятью, выполнен в металлическом защищенном корпусе со встроенным в корпус разъемом стандарта «USB 2.0». Блок предназначен для переноса данных из блока (15) в блок (19).
Функционирование заявляемого изобретения заключается в следующем.
В соответствии с ГОСТ Р 57700.37-2021 внедрение технологии цифровых двойников на стадии разработки изделия позволит улучшить качество проектирования изделия, обеспечить выполнение технических и тактико-технических требований, сократить количество и повысить результативность проводимых испытаний опытного образца и проработку конструкторской документации изделия на технологичность. На этапе наземных и летных испытаний математические модели уточняются, и после прохождения процедуры валидации, т.е. подтверждения достоверности результатов математического моделирования результатами натурного эксперимента, могут стать основой для создания ЦД для этапа эксплуатации ЛА.
В целях реализации возможности решения задачи валидации ЦД ЛА без выполнения специальных полетов на испытываемом ЛА, а в комплексе с выполнением программы испытаний, на борту летательного аппарата устанавливается бортовая система валидации (БСВ, контур В1)
А - этап подготовки к выполнению испытательного полета Задача оценивания характеристик ЛА выполняется в летных испытаниях в соответствии с действующей нормативно-технической документацией: программой и методикой испытаний. На основании этих документов разрабатывается программа испытаний ЛА, каждый пункт программы предусматривает выполнение одного или нескольких испытательных полетов. В каждом испытательном полете экипажу необходимо выполнить строго определенные режимы полета. Для разработки полетного задания используется наземный комплекс подготовки полетных данных (блок 1). Подготовленное испытательной бригадой полетное задание содержит всю необходимую экипажу информацию для достижения целей испытательного полета, включая обязательные к выполнению экипажем ЛА режимы и параметры полета. Таким образом, экипаж ЛА выполняет подготовленное в (1) полетное задание, которое загружается через бортовое оборудование ЛА на съемном носителе информации (2) через бортовое оборудование ЛА, чем обеспечивает получение параметров испытуемого оборудования (5) в ходе выполнения полета.
Также на этапе А происходит подготовка к решению задачи валидации ЦД ЛА, для чего в блоке 3 формируется перечень режимов полета, необходимый для решения задачи валидации ЦД ЛА.
Учитывая степень проработки ЦД ЛА и математических моделей, входящих в его состав, необходимые для валидации режимы полета заносятся в блок хранения информации «Валидация» (13) при помощи съемного носителя информации (4). В (13) организовано хранение и доступ к базе данных валидационных режимов.
В - этап выполнения испытательного полета
Летные испытания авиационных комплексов (АК) представляют заключительный этап в сложном процессе производства ЛА. В ходе выполнения этого этапа на борту ЛА осуществляются многоплановые измерения, по результатам которых оценивается состояние ЛА и его систем. Полученные экспериментальные данные используются также при составлении заключения о тактико-технических возможностях АК, определяющего целесообразность их серийного производства и начала массовой эксплуатации. Особое место в комплексе бортовых измерений занимает система бортовых измерений (СБИ), предназначенная для получения в условиях полета измерительной информации, характеризующей состояние и работу агрегатов и узлов ЛА, взаимодействие составных частей АК между собой и средой.
При выполнении полета по программе испытаний экипаж ЛА выполняет полетное задание на испытательный полет для получения объективной информации об образце испытуемого оборудования (5).
На этапе летных испытаний ЛА оборудован бортовым измерителем (6), который: обеспечивает необходимые достоверность и точность измерения параметров; имеет достаточно широкий интервал частоты измерения параметров, причем частота измерения может быть различной даже для одного и того же параметра и колебаться от нескольких единиц до нескольких сот измерений в секунду; обеспечивает измерение значений параметров изделия в случайные моменты времени при наступлении некоторого события; обеспечивает измерение различных групп параметров, изменяющихся в количественном составе от нескольких единиц до нескольких тысяч параметров. Данные возможности (6) позволяют использовать его для решения задачи валидации ЦД ЛА.
Значения параметров полета, зарегистрированные (6) поступают на вход накопителя полетной информации (7), где происходит запись параметров испытательного полета.
Параллельно информация от (6) поступает на вход БСВ (В1, блоки 8-15). БСВ представляет собой представляет собой бортовую электронно-вычислительную машину, в которой реализованы программно-аппаратным способом несколько блоков и баз данных. БСВ получает информацию от (6) и параллельно с выполнением экипажем полетного задания осуществляет обработку полетной информации в реальном масштабе времени.
Блок идентификации и первичной обработки полетной информации (8), обеспечивает подключение и согласование параметров, поступающих от (6).
В основе работы БСВ лежит работа алгоритма ожидания событий, реализуемая в блоке ожидания событий (9) и работа алгоритма распознавания режимов, реализуемая в блоке распознавания режимов (10), путем обработки в реальном масштабе времени информации от (6) и ее идентификации на основе данных, находящихся в хранилищах (13) и (14).
Функционирование блока ожидания событий (9) основано на реализации операции по ожиданию и обнаружению некоторой группы заданных событий и своевременной передаче соответствующей информации управляющим алгоритмам в блок распознавания режимов (10).
Функционирование блока распознавания режимов (10) основано на основе системы распознавания образов. Алгоритм обработки информации, реализованный в (10) предусматривает предварительное распознавание подмножества, к которому принадлежит данный исследуемый режим испытаний, а затем осуществляется окончательное распознавание режима с целью нахождения идентификации режима из базы данных валидационных режимов, хранящаяся в блоке (13) либо из базы данных испытательных режимов, хранящаяся в блоке (14).
В алгоритмах, реализованных в блоках (9, 10) предусмотрен контроль принятия ложных решений при появлении грубых ошибок измерения или при небольших временных превышениях колебания параметра над среднестатистическим его значением.
В блоке обработки и регистрации режимов (11) по поступающей от (10) информации о текущем режиме полета ЛА и соответствующих ему параметрах, осуществляется запись значений в блок хранения информации «Результаты» (15), где формируется база данных результатов.
В целях повышения информационной осведомленности экипажа о выполняемых испытательных режимах и создания условий для комплексирования испытательных полетов, информация о распознанном режиме полета с основными параметрами поступает из блока (11) в блок формирования кадра многофункционального индикатора «Испытательный режим» (12). Блок (12) формирует кадр многофункционального индикатора, который отображается в информационном поле экипажа ЛА.
С - этап обработки и анализа материалов
В соответствии с требованиями нормативных документов по проведению испытательных работ, после выполнения испытательного полета необходимо провести обработку полетной информации, зарегистрированной бортовым измерителем (6), записанная в накопителе (7), которая при помощи согласующего блока (17) переносится в наземный комплекс обработки полетной информации (16). В (16) группой анализа полученная информация обобщается с данными отчета экипажа о выполнении полетного задания (выход блока (5)).
Результаты работы БСВ, накопленные в базе данных результатов блока (15), также подлежат послеполетной обработке в блоке обработки и анализа результатов валидации ЦД (19). Перенос информации из (15) в (19) осуществляется через съемный носитель информации (20).
После автоматизированной обработки в (19), информация о результатах валидации дополняется данными на всех режимах полета из (16). Для обмена информаций между специалистами группы анализа результатов испытаний, обрабатывающих данные в (16) и специалистами группы анализа результатов валидации, обрабатывающими данные в (19), предусмотрен обмен информацией по протоколу Ethernet.
Результатом работы БСВ и наземной обработки, является отчет о результатах валидации. Отчет формируется в блоке формирования отчета о результатах валидации (18), информация в который поступает из (19). По результатам валидации, если необходимо, вносятся изменения в ЦД ЛА.