（载运工具运用工程专业论文）大气数据计算机仿真系统设计与仿真可信度的评估.pdf

摘要 大气数据计算机( a i rd a t ac o m p u t e r ，简称a d c ) 仿真系统是研究飞机大气 数据系统的平台，它也可以取代真实大气数据计算机应用在地面综合航电系统的 实验中，大大降低了实验的成本和风险。然而当仿真系统取代真实系统时，其可 靠性、完整性等指标是否能达到要求就成为问题的关键。 本文以计算机仿真理论和仿真可信度评估理论为基础，设计并实现了两种类 型的大气数据计算机仿真系统，并对该仿真系统的可信度进行了评估。 首先，阐述了计算机仿真基本理论和仿真的一般过程，介绍了仿真可信度评 估理论，给出了仿真可信度的评估方法。 通过分析大气数据计算原理和解算公式，建立了通用的大气数据计算机的计 算模型，并在此基础上根据仿真的目的不同，分别建立了全数字仿真系统输入参 数模型和半物理仿真系统的功能实现模型，形成了全数字仿真和半物理仿真两套 系统模型。 从已建立的模型出发，对全数字仿真系统软件和半物理仿真系统的软硬件进 行设计，并分别在l a b w i n d o w 栅平台下进行仿真软件的程序实现。 最后，利用层次分析法对大气数据计算机仿真系统进行层次划分并确定影响 仿真系统可信度因素的权重。分别通过相似理论和模糊综合评判法对大气数据计 算机仿真系统进行了可信度评估，其结果表明所设计的大气数据计算机仿真系统 可信度高、仿真软件开发合理，能够满足工程应用的需要。 关键字：大气数据计算机，仿真可信度，层次分析，相似理论，模糊综合评判。 a b s t r a c t a i rd a t ac o m p m e f ( a d c ) i sap l a t f o r mf o rf 嚣e a r c k i 培f l i g h ta i rd a t as y s t e m i t c a nr e d u c ec o s ta n dr i s kg r e a t l y , w h e nu s i n gi ng r o u n de x p e r i m e n to fi n t e g r a t i o n a v i o n i c ss y s t e m t h e nr e l i a b i l i t ya n di n t e g r a l i to fs i m u l a t i o ns y s t e mb e c o m ek e y f a c t o r sw h e ni tr 印1 a c 鼯t h er e a ls y s t e m b a s e do nc o m p e e rs i m u l a t i o na n ds i m u l a t i o nc r e d i b i l i t yt h e o r y , a d cs i m u l a t i o n s y s t e mi sd e s i g n e da n d t h ec r e d i b i l i t yo f t h i ss y s t e mi se v a l u a t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , b a s i ct h e o r yo f c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dac o m m o ns i m u l a t i o np r o c e s sa r e e x p a t i a t e d a l s oe v a l u a t i o nt h e o r ya n dm e t h o do fs i m u l a t i o nc r e d i b i l i t ya r ei n t r o d u c e d ac o m m o na d cc a l c u l a t i o nm o d e li sb u i l t ，t h r o u g ha n a l y s e i n ga i rd a t ac a l c u l a t i o n p r i n c i p l ea n df o r m u l a s a n dt h e nb a s i so nt h i sc a l c u l a t em o d e l ，ap a r a m e t e ri n p u t m o d e lo ff u l ld i g i t a ls i m u l a t i o na n daf u n c t i o nm o d e lo fs e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o na r e b u i l t a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n ta i m s ，af u l l d i g i t a l s i m u l a t i o nm o d e la n da s e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o nm o d e la r ef o r m e d u s i n gt h e s em o d e l s t h es o t w c a r eo ff u l ld i g i t a ls y s t e ma n d b o t ht h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fs e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d t h e nt h ep r o 鲫n m eo f t w os o f t - w a r e si sr e a l i z e du n d e rl a b w i n d o w 甜c e n v i r o m e n t f i n a l l y , t h eh i e r a r c h yo fa d cs i m u l a t i o ns y s t e mi sc o m p a r t m e n t a l i z e db yu s i n g a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，a n dt h e nt h ew e i g h t n e a so fe v e r yf a c t o rw h i c he f f e c t s i m u l a t i o nc r e d i b i l i t yi sc o m f i r m e d t h ec r e d i b i l i t yo fa d cs i m u l a t i o ns y s t e mi s e v a l u a t e db ys i m i l a r i t yt h e o r ya n df u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n ( f s e ) t h er e s u l t i n d i c a t e st h a ta d cs i m u l a t i o ns y s t e m sa r cw e l ld e s i g n e d , a n dh a v eh i g hr e l i a b i l i t y s o i tc a ns a t i s f yt h en e e do f e n g i n e c r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：a i rd a t ac o m p u t e r ；s i m u l a t i o nc r e d i b i l i t y ；, a h p ；s i m i l a r i t yt h e o r y ；, f s e i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文丁作的 知识产权单位属丁西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许沧文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：笙昱指导教师签名：鲞垒 弘形7 年年月歹日土岬年v 月r 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 t 卿年牛月日旌 西北工业大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 大气数据计算机( a i rd a t ac o m p u t e r ，简称a d c ) 【1 】【2 】是指通过接收全静压传 感器、大气总温传感器及攻角传感器传出的电信号，计算处理并输出大气数据参 数的装置。它是现代飞机的重要机载电子设备。 大气数据计算机白5 0 年代开始用于一些高性能飞机上，现已广泛应用于各类 机种。它的主要优点是：采用少量传感器集中处理原始信息后，能获得数十个有 用信号，避免采用分立式仪表和传感器时的设备重复性，大大减小机载设备的体 积和重量，便于采用更合理的计算方案和误差补偿措施，提高大气数据的测量精 度。 大气数据计算机是一种技术含量高、功能多、处理数据量大、精度要求高且 造价昂贵的电子设备，在试验过程中选用真实的大气数据计算机存在着很多不便， 因此在地面试验中可以用大气数据计算机仿真系统来代替真实设备，完成在地面 试验中的相应功能，大大降低了试验成本和试验风险。 然而仿真系统与真实系统是不可能等价的，它是根据需要对原系统某些部分 或某些功能的抽象，仿真系统与真实系统不可能完全一致。所以为了更好的完成 地面试验的需要，必须保证大气数据计算机仿真系统的正确性和可信度，最终得 到的仿真结果才有实际应用的价值和意义，仿真系统才真正具有生命力。因此， 如何评估仿真系统的正确性和可信度，也是研究大气数据计算机仿真中一个不容 忽视的问题。设计并实现一个正确的、可信的大气数据计算机仿真系统是非常重 要的。 本文针对大气数据系统研究和某型飞机综合航电地面试验需要，研究并设计 了大气数据机仿真系统，并评估了该仿真系统的可信度。 1 2 发展与现状 1 航电系统仿真的发展与现状 航空电子系统的仿真是系统仿真技术与航空电子系统相结合的产物，是现代 西北工业大学硕士学位论文绪论 仿真技术的一个重要分支。它主要是围绕机载航空电子系统的研制、测控、管理 和应用等各个环节对系统进行全面的系统分析、方案设计与性能评估。从航空事 业发展的初期开始，仿真技术就已广泛应用到航空工程的各个方面。 航空电子设备对飞机的功能和性能的影响越来越大【3 】，在飞机总成本中占的 比重也由5 0 年代的不足1 0 ，到现在的3 0 - 4 0 。由于航电系统仿真具有降低 成本、缩短开发周期等优点，逐渐被人们所重视并广泛应用到航电系统开发中。 航电系统的仿真是由多分系统的仿真组成的，通常包括多功能雷达系统、显 示控制系统、任务计算机系统、外挂管理系统、惯性导航系统、大气数据计算机、 集成数据传输系统、前视红外系统、无线电高度表等子系统的仿真。 在西方国家【2 4 1 ，航空电子系统仿真早已成为现代先进航空电子系统研究和开 发的一种重要工具和手段，用以支持航空电子系统从方案论证、详细设计到验证 试飞整个开发阶段。在军用方面：美国正在研究的先进航空电子系统“宝石柱”和 “宝石台”，一开始就进行了系统的局部仿真，以验证技术的可行性和系统方案的 合理性。在民用方面：由于民机上对航电系统的使用比例更大，航电系统的仿真 在民用飞机的开发和研制中的作用更为突出，如在波音7 3 7 的整机设计，部件测 试、整机装配以及各种环境下的试飞均在计算机上完成的，其开发周期从过去的 8 年缩短到5 年。 航空电子系统仿真，这一伴随着航空科技的发展而发展起来的新兴技术领域， 在过去的几十年里曾为我国航空事业的发展多次发挥过重要作用。在我国航空的 试验中，仿真技术也一致受到从研制单位到生产单位的重视。 2 仿真可信度的发展与现状【2 6 1 早在2 0 世纪6 0 年代初期，人们对利用模型代替实际系统进行仿真实验的可信 度有了怀疑，1 9 6 2 年，美国学者b i g g s 和c a w t h o m e 就对“警犬”导弹仿真进行了 全面评估。几十年来，对仿真模型检验问题的研究一直是仿真可信度评估研究的 重点。七十年代中期，美国计算机仿真学会成立了模型可信性技术委员会( t e c h n i c a l c o m m i t t e eo i lm o d e lc r e d i b i l i 2 t y ，简称t c m c ) ，其任务是建立与模型可信度相关 的概念、术语和规范。九十年代，由于仿真系统复杂程度的提高，使得仿真系统 检验的难度增大，对仿真系统的可信度研究的重点从仿真模型的检验问题研究为 主转向如何更加全面系统地对仿真系统进行v v & a 上来。1 9 9 6 年，美国国防部 的军用建模与仿真办公室( d e f e n s em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f f i c e ，简称d m s o ) 2 西北工业大学硕士学位论文 绪论 建立了一个军用仿真w & a 工作支持小组，负责起草国防部w & a 建议规范，1 9 9 6 年1 1 月完成了这一规范的第一版，2 0 0 0 年又在网上公布了这一规范的第二版。 1 9 9 7 年1 2 月9 日，i e e e 标准化组织投票通过了分布交互式仿真( d i s t r i b u t e d i n t e r 2 a c t i v es i m u l a t i o n ，简称d i s ) v v & a 试用规范，这是关于大型复杂仿真系统 w & a 一个比较全面的指导。 在我国，5 0 年代己应用了仿真技术，直到8 0 年代才有了仿真可信度方面的 论述，这些论述也大都出自对国外有关文献的体会，名词术语也不统一( 有译法不 一致的原因，也有受原文，例如a c c r e d i t a t i o n ，含义不统一影响的原因) ，又缺少 共同关注的议题，因而发展缓慢。近些年来，随着仿真技术的发展，仿真系统的 可信度研究工作得到一定程度的推动，表现在许多单位开展了仿真系统的v v & a 研究及可信度评估方法的研究工作，国内的仿真文献中也开始涉及仿真可信度评 估问题。然而，这方面的研究工作还比较粗浅和分散，缺乏规模，也没有专门的 组织和机构对仿真可信度评估问题进行专门的研究，因此，我国的仿真可信度评 估研究急需加强。 1 3 论文的结构与内容 论文从计算机仿真与仿真可信度的理论出发，研究了大气数据计算机模型的建 立方法，给出了仿真系统设计的详细方案，并对大气数据计算机仿真系统做了可 信度的评估。本文的研究重点如下： 1 设计并建立大气数据计算机的全数字和半物理仿真系统模型； 2 通过软件和硬件实现仿真系统； 3 对仿真系统进行可信度的评估。 论文一共分六章，各章的具体内容如下： 第一章：介绍了课题研究的背景，分析了航电系统仿真和可信度评估的发展 现状，确立了论文的研究重点和论文的重要工作，并给出了论文的组织结构。 第二章：阐述了计算机仿真相关知识，并以大数据计算机为例给出了计算机 仿真的过程。介绍了仿真可信度提出的背景和仿真的w & a 理论，总结了仿真可 信度关键问题、评估方法及仿真可信度与v v & a 的关系。 第三章：结合实际需要，分析并建立了大气数据计算机的全数字仿真模型和 3 西北工业大学硕士学位论文绪论 半物理仿真模型。 第四章：完成了对全数字仿真系统和半物理仿真系统( 硬件、软件) 的详细 设计。 第五章：利用层次分析法分别与相似性理论和模糊综合评判法相结合的方法， 评估了大气数据计算机仿真系统的可信度。 第六章：对论文进行了总结，并对进一步的研究进行了展望。 除第一章和第六章为总结外，论文的主体可分三大部分，第二章为第一部分， 阐述了计算机仿真和仿真可信度的理论；第三章、第四章为第二部分，为大气数 据计算机仿真系统的建模与仿真；第五章为第三部分，用不同方法实现对仿真可 信度的评估。 4 西北工业大学硕士学位论文 计算机仿真与仿真的可信度 第二章计算机仿真与仿真的可信度 本章对计算机仿真相关知识进行阐述，给出了计算机仿真的过程。介绍了仿 真可信度提出的背景，总结了仿真可信度关键问题与评估方法。 2 1 计算机仿真 仿真技术【5 】作为- - f - j 独立的科学已经有5 0 多年的发展历史了，它不仅用于航 天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、 化工、核能各个领域。特别是，近2 0 年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿 真技术已从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态 系统、能源系统、生物医学系统、教育系统也得到了广泛的应用。 在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥 重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及 传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但 能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对 保证安全、节约开支、提高质量尤其具有突出的功效。 现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的- - i q 高新技术，从某种角度上， 它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也约束着一些国家的现代 化建设和发展。 l - 系统、模型与仿真 在认识仿真之前，先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。 系统：一般来说，所谓“系统”就是指按照某些规律结合起来，相互作用、相 互依赖、相互依存的所有实体的集合。描述系统的“三要素 _ 一实体、属性、活 动。实体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，用来描述每一实体的特性； 活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的过程。 模型：所谓模型就是系统某种特定功能的一种描述，它集合了系统必要的信 息，通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。它一般分为物理模型和数学模 型两大类。物理模型与实际系统有相似的物理性质，它们与实际系统外貌相似， 只不过按比例改变尺寸，如各种飞机、轮船的模型等。数学模型是用抽象的数学 s 西北工业大学硕士学位论文计算机仿真与仿真的可信度 方程描述系统内部各个量之间的关系而建立的模型，这样的模型通常是一些数学 方程。一般的计算机模拟模型都是数学模型。 2 计算机仿真的意义及目的 仿真的目的在于：在系统研制之前用于规划、评价和研究，通过系统仿真可 以评价系统某一部分的性能，可以估价系统各个部分或各个分系统之间的相互影 响，以及它们对整体性能的影响，可以比较各种设计方案，从中获得最佳设计； 在系统研制中间用于设计和精密分析，可以对一些新建的理论、假设进行效验； 在系统研制成功后则用于考核设计和训练系统的操作人员等。 仿真的意义主要在于： ( 1 ) 系统还处在设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未 来系统的性能，这只能通过对模型的实验来了解。 ( 2 ) 在真实系统上进行实验可能会引起系统破坏或是发生故障，例如，对于 一个真整的航空航天系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险。 ( 3 ) 需要进行多次试验时，难以保证多次系统试验的条件都相同，因而无法 准确判断试验结果的优劣； ( 4 ) 系统试验时间太长或费用昂贵； 3 仿真的主要类型 ( 1 ) 根据模型的种类可将仿真分为三种：物理仿真、全数字仿真和半物理仿 真。 物理仿真又称物理效应仿真，指的是研制某些硬件结构( 实体模型) ，使 之可重现系统的各种状态，而不必采用昂贵的原型。 全数字仿真是指系统全部由数学模型代替，并把数学模型变成仿真模型， 在计算机上对实际系统进行研究的过程。 在某些系统的研究中，还把数学模型与物理模型以及实物结合起来一起实 验，这种仿真称为数学物理仿真，或称为半实物仿真。 现在我们说的计算机仿真主要是数字仿真，或是半实物仿真。它主要包括三 个要素：系统、系统模型与计算机。联系这些个要素的三个基本活动是：模型的 建立( 抽象出数学关系式、仿真模型的建立( 选择合适的算法) 和仿真实验( 运 行程序并进行分析) 。 计算机仿真主要研究数字仿真方法、仿真语言和仿真技术、仿真计算机及其 6 西北工业大学硕士学位论文 计算机仿真与仿真的可信度 应用。仿真方法是包括仿真算法、仿真模型的建立、仿真模型的误差计算以及仿 真算法的选择等；仿真语言是指仿真的程序设计；仿真技术是研究系统最优化的 问题；仿真计算机则是研究仿真专用计算机的结构和特点。 ( 2 ) 根据被研究系统的特征可以分为两大类：连续系统仿真及离散事件系统 仿真。 连续系统仿真是指对系统状态变量随时间连续变化，其基本特点是能用一 组方程来描述。 离散事件系统仿真则是指系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件 的驱动而发生变化的系统。在两个事件之间状态变量保持不变，也即是离散变化 的，这类系统的数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图 来描述。 4 仿真的过程 如图2 - 1 ，仿真过程一般分三部分( 三要素) ；即系统建模( 一次建模) 、仿真建 模( - - 次建模) 和仿真试验，也可以说是模型和实验两部分。 图2 1 仿真的一般过程 根据图2 1 和仿真的一般过程，从图中可分析仿真的过程可以描述为如下几 步，如图2 2 ： 第一步是系统建模。建模的任务是根据研究和分析的目的，确定模型的边界。 因为任何一个模型都只能反映实际系统的某一部分或某一方面，也就是说，一个 系统只是实际系统的有限映像。另一方面，为了使模型具有可信度，必须具备对 系统的先验知识及必要的试验数据。特别是，还必须对模型进行形式化处理，以 得到计算机仿真所要求的数学描述。 第二步是仿真建模。其主要任务是：根据系统的特点和仿真要求选择合适的 算法。当采用该算法建立仿真模型时，其计算的稳定性、计算精度、计算速度应 7 西北工业大学硕士学位论文计算机仿真与仿真的可信度 能满足仿真的需要。 第三步是程序设计。即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述。程序中还 要包括仿真试验的要求，如仿真运行参数、控制参数、输出要求等。 第四步是模型运行。分析模型运行结果是否合适，如不合适，从前几步查找 问题所在，并进行修正，直到满意为止。 第五步是进行仿真试验、处理仿真结果。 图2 - 2 建模与仿真的一般过程 5 应用与发展 仿真技术是世界发达国家十分重视的一门高新技术，广泛应用于航空、导弹、 原子能、宇航等控制系统。随着仿真的发展，在化工、冶金、电力、汽车制造等 工程系统中，仿真技术也得到了广泛的应用。 5 0 年代仿真的主要工具是模拟计算机，6 0 年代是混合计算机的黄金时代，7 0 年代后期利用超大规模集成电路研制成的微型计算机。体积小、功耗少、价格便 宜，功能也较齐全，因而在仿真技术上得到了广泛的应用。现在，微型计算机已 成为系统仿真的主要工具，特别是8 0 年代以后，越来越多的训练仿真系统采用微 型计算机作为仿真计算机。现在，对于_ 般的系统，我们都可以在宿舍或是家里 的个人p c 上进行仿真。 8 西北工业大学硕士学位论文 计算机仿真与仿真的可信度 2 2 仿真可信度 1 仿真可信度提出的背景 随着仿真技术本身的不断发展和人们对仿真技术应用价值认识的不断深入， 其应用领域越来越广泛【6 】【s 】。与此同时，对仿真正确性和可信度的要求也越来越 高。仿真系统的最终结果对于预期工程应用来说是否具有可用性，将直接影响到 基于仿真结果所进行的一系列应用或决策过程。一个不正确的仿真结果可能导致 重大的决策失误或训练事故。从某种意义上来说，只有保证了仿真的正确性和可 信度，最终得到的仿真结果才有实际应用的价值和意义，仿真系统才真正具有生 命力。因此，如何评估仿真系统的正确性和可信度，一直是仿真理论和仿真技术 发展中一个不容忽视的问题。 当前绝大多数仿真都是数字仿真。对仿真系统而言，许多必须明确的需求， 如可靠性、可维护性、软件可重用性等，和其它计算机系统的需求是一致的。但 仿真需求也有其特殊性。这种特殊性在于，仿真系统是对原型系统的模拟，即构 造与真实世界( r e a lw o r l d ) 相似的虚拟世界( v i r t u a lw o r l d ) 。因此，除一般需 求外，还必须明确提出仿真系统在多大程度上与原型系统相一致。其实质是将真 实世界与所构造的虚拟世界作对比，考察二者的相似程度。仿真效果如何界定， 如何评价，是仿真的一个基本问题。仿真可信度正是为解决这一问题而提出的新 概念。 2 仿真可信度评估中关键的问题 仿真系统可信度的评估是一项综合性的研究课题，需要解决的问题有很多， 既有理论问题，也有技术问题，其中最突出和最关键的问题可以归纳为以下几个 方面： ( 1 ) 仿真可信度概念体系的建立。仿真效果如何界定，如何评价，是仿真的 基本问题。 ( 2 ) 仿真模型数据对仿真可信度的影响。主要体现在模型的正确性模型的 完整性，模型的复杂程度和数据的准确性等。 ( 3 ) 仿真算法对仿真可信度的影响。影响因素大致为：算法的收敛性和 数值稳定性；算法精度； 算法速度实时性；并行算法。 ( 4 ) 仿真环境的可信度问题。如仿真的软件平台和硬件平台的可信度问题。 9 西北工业大学硕士学位论文计算机仿真与仿真的可信度 ( 5 ) 人的决策对可信度评估的影响。由于目前对人类大脑的机理尚未完全研 究清楚，无法自主学习，所以建立决策行为模型时只能借鉴专家系统。因此专家 结果的好坏直接影响到评估结果。 ( 6 ) 可信度评估方法对结论的影响。 3 仿真系统的w & a ( i ) v v & a 的概念 美国国防部5 0 0 0 5 9 计划中对v v & a 的定义为： 校核( v e d f i c a t i o n ) ：确定模型与仿真( m & s ) 是否准确反映开发者的概念描 述和技术规范的过程。 验证( v a l i d a t i o n ) ：以预期应用角度确定m & s 再现真实世界的准确程度的过 程。 确认( a c c r e d i t a t i o n ) ：权威机构对m & s 相对于预期应用来说是否可接受的认 可。 这三个过程是相辅相成的，贯穿m & s 的全过程。 ( 2 ) v 、，& a 的基本原则 在过去的v v & a 实践中，人们总结了关于w & a 的一些基本原则和基本观 点。如果能够深刻理解这些原则和观点，将有助于人们合理制定v 、，& a 计划，指 导w & a 工作的进行，提高工作效率。 原则l ：仿真系统只能是原型系统的一种近似。当仿真结果能够满足仿真可 信度要求时，就认为仿真模型是有效的。 原则2 ：w & a 应贯穿于m & s 的整个开发生命周期。 原则3 ：对预期应用准确清楚的表达和阐述是v v & a 的基础。 原则4 ：仿真可信度的高低与仿真系统预期应用紧密相关。仿真目的不同， 逼真度要求也不同。 原则5 ：m & s 的验证并不保证m & s 对于预期应用的可接受性。 原则6 ：予模型的v & v 并不意味着整个模型的可信度。 原则7 ：确认不是一种非此即彼的选择。 原则8 ：v v & a 需要由创造性和洞察力。 原则9 ：系统分析员在v v & a 工作中的作用非常重要。 原则1 0 ：w & a 必须进行计划和存档。 1 0 西北工业大学硕士学位论文 计算机仿真与仿真的可信度 原则1 1 ：v v & a 的进行需要一定程度的独立性。 原则1 2 ：成功的v v & a 需要对所使用的数据进行校核、验证和鉴定 ( v e r i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o na n dc e r t i f i c a t i o n ，v v & c ) 。 ( 3 ) v v & a 的工作过程 图2 3 建模与仿真生命周期中的v v & a 描述( 美国国防部，1 9 9 6 ) 图2 3 描述了贯穿于建模与仿真( m & s ) 全生命周期中的v v & a 过程模型， 在实际应用中，v v & a 并不是独立存在的，它需要和仿真的开发过程对应起来。 仿真是一个为实现特定目的而进行的循环往复过程，它即是一个通过模型实验认 识原型的方法，同时，又是一个认识过程，而可能是多次反复的过程。每经过一 次反复，人们对原型的认识也就提高了一步，从而也就把模型相原型推进了一步， 从工程角度出发，一般仿真系统v v & a 过程初期的单循环过程通常包括以下五个 阶段： ( 1 ) 根据对原型的初步认识进行需求分析： 明确建模目的； 确定假设条件； 选择建模方法。 ( 2 ) 建立被研究对象的概念模型： 明确精度要求； 西北工业大学硕士学位论文计算机仿真与仿真的可信度 选择仿真算法； 进行程序设计。 ( 3 ) 将概念模型转化为仿真模型： 创建模型运行环境； 确定模型输入方式。 ( 4 ) 运行仿真模型： 仿真结果分析与处理； 认可标准； 专家知识。 ( 5 ) 确认仿真结果： 仿真模型认可； 仿真结果认可； 我们可以从上述仿真开发单循环过程的五个阶段，明确模型校核、验证与确 认概念的含义。 4 仿真可信度评估与v v & a 仿真系统的v v & a 是可信度评估的基础，贯穿仿真系统的立项、设计、开发、 调试、应用及维护整个生命周期的一项重要活动。w & a 的整个工作过程始终是 围绕仿真的预期应用进行的，w & a 工作的核心就是要通过规范模型与仿真 ( m & s ) 的开发过程来保证仿真的可信度。即w & a 规范就是仿真可信度的一 个完整的保障体系。它的基本出发点是充分而有效的w & a 行为一定能够保证仿 真具有较高的可信度。 5 仿真可信度评估的方法 仿真可信度评估方法【6 1 的选取也是影响评估结果的关键因素，不同的评估方法 得到的结论是不同的。因此，选择合适的评估方法也是进行可信度分析的关键问 题。可信度的评估方法有很多，如表2 1 。 表2 1 所示的方法中，严格数学方法和主管经验方法是静态分析法和动态测试 法的基础，后两类方法一般都建立在严格数学分析和主观经验判断的基础上，并 从适用范围的使用方式上进行了深入、扩充与融合。 每种评估方法都有其特点与优点，通常针对特定的应用背景提出和适用于不同 的评估范围，选择方法进行评估在具体的评估过程中，一般要采用两种以上的方 1 2 西北工业大学硕士学位论文 计算机仿真与仿真的可信度 法，本文在第五章中对a d c 仿真系统分别采用了相似理论法和模糊综合评判法 对仿真的可信度进行评估。 表2 - 1 可信度评估方法 r ” 一 严格数学方浚 7 。一一曩 归纳法演绎法谓词演算法 分析推理法理论证明法 m n b d a 运算法数值求解法 i 一 ： 主观经验洼一 。；： “ 一二趸 专家审核法 图灵测试法主观评价法经验法面上校核法 一 黪态方浚。曩 图表分析法数据合法性分析接口分析 控制逻辑分析系统结构分析 语义分析 语法分析 因果分析 追溯性分析故障失效分析 一致性检查法符号分析法历史数据比较法 。? 。，羹。镪赫法 ”= 。、。1 l“? i = 臻 调试法断言检查法 一致性测试法接口测试法结构测试法 对象流测试法极值输入测试典璎输入测试回归测试功能测试 性能测试灵敏度分析比较检查法故障失效分析时域分析 频域分析 时频域分析统计法假设检验法一致性检验法 压力测试n 测试b 测试 图形比较法可视化励画方法 预测有效性方法 层次分析法结构分解法局部测试法跟踪测试法 运仃监控法模糊数学法 相似理论法白盒测试法黑盒测试法 6 仿真可信度评估的意义 ( 1 ) 提高仿真系统的仿真结果的正确性，减少开发和应用仿真系统的风险。 ( 2 ) 促进仿真系统的全面质量管理，一方面有利提高仿真系统的重用性，另 一方面促进对仿真软件工程、系统测试与评估、v v & a 、仿真精度等问题的深入 研究。 ( 3 ) 对仿真过程中出现的错误与不足进行早期检测，尽可能降低仿真系统的 总投资。 ( 4 ) 有利于更好地分析问题、解决问题和产生更可预测的结果。 本章小结 本章较详细的阐述了计算机仿真的基本理论，给出了计算机仿真的三个基本 因素( 系统、模型、仿真) 和系统仿真一般过程。并根据仿真可信度提出的背景， 分析了仿真可信度评估需考虑的问题，以及仿真可信度与w & a 的关系，总结了 仿真可信度评估的方法。 1 3 西北工业大学硕士学位论文 大气数据计算机的仿真模犁研究 第三章大气数据计算机的仿真模型研究 大气数据计算机( a i rd a t ac o m p u t e r ，简称a d c ) 的仿真模型是对真实系统 的一个抽象，根据不同目的，模型建立的标准也不同。本章结合大气数据计算机 系统研究了大气数据计算机的大气数据计算模型1 】【2 1 和功能模型，并根据实际需 要，分析并建立了大气数据计算机的全数字仿真模型和半物理仿真模型，为仿真 系统的实现奠定了基础。 3 1 数字式大气数据计算机 大气数据是飞机驾驶员最重要的信息【1 l ，因为飞机要依赖于空气飞行。在现代 飞机中广泛应用的飞行管理系统，必须要飞行高度、高度偏差、真实空速、指示 空速、马赫数、升降速度、总温、大气静温、大气密度等飞行参数。而这些参数 都与总压、静压等参数有关。因此只要有统一测量总压、静压、总温等少数参数 的传感器，通过计算就可以得到上述飞行参数。这样根据传感器测得的少量原始 参数，计算出较多与大气数据有关的飞行参数的多输入多输出的机载综合测量系 统大气数据计算机就出现了。 数字式大气数据计算机( d a d c ) 出现在上个世纪8 0 年代，是按照美国航空 无线电公司规范a r i n c 7 0 6 ( d a d c ) 和a r i n c 4 2 9 ( d i t s ) 规定的标准而设计 的。d a d c 应用微处理机和半导体存储器技术，由程序直接完成大气数据的计算。 随着计算机科学技术的迅速发展，d a d c 会在计算功能和监控功能等方面更加完 善，并将进一步减小体积、重量、功耗，和逐渐降低价格。 3 1 1 数字式大气数据计算机组成和结构 数字式大气数据计算机的原理方框图，如图3 1 所示。它是由传感器、输入 接口、中央处理机和输出接口等部分所组成。 1 传感器：总压和静压传感器在数字式大气数据计算机中均采用高精度、重 复性和稳定性好、迟滞误差小的小型压力传感器。总温传感器大多采用热电阻式 温度传感器，迎角传感器大多采用零压式迎角传感器。 1 5 西北工业大学硕士学位论文大气数据计算机的仿真模型研究 2 输入接口：输入接口将各种传感器输出的信号转换成计算机所需要的数字 量。主要采用频数转换器、模数字转换器等实现。 3 中央处理机：中央处理机常用微型计算机，在程序存储器程序指引下，完 成各种参数计算任务，并协调控制整个大气数据计算机的工作。 -400hzll5v 图3 - 1 数字式大气数据计算机原理方框图 4 输出接口：根据各机载系统的需求，将中央处理机算得的结果转换成一定 格式的串、并行数字量、离散量和模拟机载系统要求的模拟量( 直流、交流、三 线交流) 。 5 自检和故障监测系统：自检主要用于起飞前或飞行后的检查，使空、地勤 人员能迅速判断大气数据计算机的工作状况；故障监测主要用于飞行过程中连续 检测大气数据计算机各部分的故障，并诊断出故障源，根据故障的性质发出相应 的告警信号。自检和故障监测系统是现代航空电子设备的重要部分，它提高了系 统的可靠性、可维护性和使用效率。 3 1 2 数字式大气数据计算机输出大气参数计算原理 数字式大气数据系统的所有参数计算，都是由计算机软件实现的，一般均用 汇编语言实现。参数计算原理和方法要根据计算机和传感器的输出形式。为了适 1 6 西北工业大学硕士学位论文 大气数据计算机的仿真模型研究 应数字式大气数据计算机的实时性要求( 即要在几十毫秒内完成输入数据的采样、 转换，数十个参数的基本计算和不同格式的信息输出) ，一般都希望有比较通用的 算法，使所编的程序比较简练，以减少软件设计的工作量，通常，采用分段线性 差值法或二次抛物线插值法来逼近所计算的函数值。图3 - 2 为某型数字式大气计 算机参数计算原理。 图3 - 2 某型大气数据计算机参数计算原理 1 7 西北工业大学硕士学位论文 大气数据计算机的仿真模裂研究 3 2 大气数据计算机全数字仿真模型的建立 3 2 1 大气数据计算机全数字仿真模型的输入输出 pa p t 正 a d c 图3 3 大气数据计算机的输入输出 1 输入参数 如图3 3 ，输入到大气数据计算模块的基本参数为静压( 见) ，总压( p ，) 和 总温( z ) ，是由前端传感器输出的信号。 ( 1 ) 静压( 见) 静压是飞机周围大气的压力，它是空气作用在相对静止物体表面上的单位面 积的力。 ( 2 ) 总压( a ) 总压是动压和静压之和，是空气作用到相对运动物体表面上的单位面积上的 总压力。a 又叫皮托压力( p i t o t ) 或全压。 ( 3 ) 总温( z ) 总温是压缩空气的速度提高到运动物体的速度时，空气全受阻时的取样温度。 由于取样空气在绝热压缩时产生附加热量，故总温比静温高。 2 输出参数 大气数据计算系统在输入静压、总压、总温条件下，能够提供以下各参数信息： 气压高度、相对气压高度、气压高度变化率、马赫数、马赫数变化率、指示空速、 真空速、大气密度、大气密度比、静压、静压比、静温、总温等。 1 8 西北工业大学硕士学位论文 大气数据计算机的仿真模型研究 3 2 2 大气数据计算模型 建立计算模型【1 1 1 3 1 1 6 1 就是把大气数据计算机输入信号到输出信号的解算过程 公式化，文中提到的标准海平面参数见附表1 。 本节给出的大气数据计算机的基本公式对半物理仿真系统和全数字仿真系统 都是适用的。但是，在编排计算程序之前，必须对这些公式做适当的近似处理， 以适应数字计算机的操作，有利于缩短计算程序，提高计算速度。 3 2 2 1 飞行高度解算模型 1 高度的定义( 如图3 4 ) 飞机的飞行高度，是指飞机在空中至某一基准面的垂直距离。测量高度的基 准面( 起点) 不同，得出的飞行高度也不同。飞行中使用的飞行高度大致可分为 以下几种： ( 1 ) 绝对高度( 日。) 飞机与标准海平面之间的垂直距离。绝对高度是真 高度与飞机正下方地面的海拔高度之和。 ( 2 ) 真高度( h ) 飞机与地面某一确定位置表面之间的垂直距离。例如， 山顶与飞机之间的垂直距离。 ( 3 ) 气压高度( h p ) 这是指7 6 0 r a m 汞柱标准气压平面之上的大气模型高 度。气压高度不考虑海平面气压和温度的变化，在高气压区( 海平面气压大于 7 6 0 r a m 汞柱) 飞行时，指示的气压高度小于绝对高度。 图3 - 4 高度的类型 1 9 西北工业大学硕士学位论文 大气数据计算机的仿真模型研究 2 气压高度计算公式 由理想气体状态方程( 3 1 ) 和流体静力学方程( 3 - 3 ) 可推导出气压高度n p o p = 备p 协， 蛾= - p g d z ( 3 - 2 ) 式中p 气体密度( 空气) ； m 平均空气分子重量( 假定为常数) ； 见大气压力( 静压) ； r 普适气态常数； r 静止空气温度( 绝对温度) ； g 重力加速度； z n 。何高度。 综合式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) ，得出 a p , ；一丝出( 3 3 ) p | r t 式( 3 3 ) 中包括z 、g 、r 三个参变量。在我们所关心的高度范围内，重力加速 度( g ) 可以认为是常数g o ( 具有极小的误差) 。而空气温度直接影响方程式的 值，国际民航组织把它定义为高度的函数。根据上述定义，式( 3 3 ) 可以写成如 下形式 譬：孥d h p ( 3 - 4 ) r t p l 1 式中9 0 标准海平面重力加速度( 北纬4 5 度) ； r 静止空气温度； 日。气压高度( 位势高度) 。 当用式( 3 4 ) 求解日。时，由标准大气温度的不连续性，故有三个函数结论 式。这三个结论式都是静压的函数，其计算结果与大气数据表格相符。 h p = 4 4 3 3 0 7 2 1 6 1 1 一( 钞”】 h p = 1 1 0 0 0 _ 6 3 4 1 6 6 8 8 1 n ( 差旁 2 0 h v 1 1 0 0 0 米： ( 3 5 ) 1 1 0 0 0 ：米：- h p 2 0 0 0 0 ；米 ( 3 6 ) 西北工业大学硕士学位论文大气数据计算机的仿真模型研究 h p = 2 2 0 0 0 2 1 6 6 5 0 1 1 一( 老万) 4 l 】2 0 0 0 0 米h p 3 2 0 0 0 米( 3 - 7 ) 式中p o 标准海平面大气压力。 3 2 2 2 飞行速度相关解算模型 飞行速度是指飞机在所选坐标系内运动时，沿其重心运动轨迹切线方向的速 度。它是飞机飞行中的一个重要参数，是完成驾驶、导航、武器发射、轰炸等任 务所必需的信息。 飞机相对于地球坐标系的运动速度包括地速和升降速度( 垂直速度) 。 飞机相对于空气的运动速度包括真空速和指示空速。 马赫数是指气流速度与当地声速之比。高速飞行时，必须考虑空气压缩性的 影响，用马赫数( m a 数) 代替飞