摘要：针对航空电子系统集成测试中存在的高成本、低效率及覆盖不足问题,本文探索基于虚拟仿真平台的测试方法。构建了具备模块化建模、实时调度与多系统协同能力的仿真环境,实现对飞控、导航、任务系统等子系统的集成测试。设计了涵盖功能验证、接口一致性、异常处理等内容的测试流程,并在某型无人机任务系统中开展实际应用。结果表明,该平台能有效提升测试效率与故障覆盖率,具备良好的工程适应性和复用价值,为新一代航空电子系统验证提供了可行路径。

　　关键词：虚拟仿真平台；航空电子系统；集成测试系统；系统建模

　　0引言

　　现代航空电子系统作为机载平台的核心信息枢纽,其功能覆盖飞控、导航、通信、显示、管理等多个关键环节,具有高度集成性与复杂的系统耦合结构。在实际研制与测试过程中,不同系统间接口繁多、数据链路复杂,单一模块测试无法覆盖整体运行逻辑,对集成测试提出了更高的全面性与精度要求。而传统基于实物的测试方法因成本高、资源依赖强、验证周期长,难以满足新一代复杂航空系统快速验证和灵活适应的需求。伴随建模仿真与数字孪生等技术的成熟,虚拟仿真平台成为提升测试效率、优化系统设计验证流程的可行路径,逐渐被航空工业广泛关注与应用。

　　1虚拟仿真平台的体系结构与关键技术

　　1.1虚拟仿真平台的总体架构

　　虚拟仿真平台面向航空电子机载系统测试需求,采用模块化分层结构设计,整体划分为模型层、数据交互层、平台控制层三大功能区域。模型层包含仿真组件库、协议模块和环境建模资源,支持对传感器、任务系统、通信模块等子系统进行封装；数据交互层整合总线模拟、信号同步及数据库支撑模块,实现模型之间的实时数据流转与逻辑联动；平台控制层作为核心协调枢纽,承担着测试调度、仿真驱动与状态控制等功能[1]。

　　上下两组模块分别表示虚拟设备端与外部数据源,通过中间的控制核心实现系统协同运行与仿真资源管理,具备良好的扩展性与复用性,满足复杂航电系统集成测试对并发性与实时性的要求。

　　1.2系统级建模与组件封装技术

　　系统级建模通过抽象各子系统的功能边界与数据交互逻辑,采用模块化组件方式构建仿真单元。以航电任务系统为例,基于统一建模语言（UML）描述其状态机与控制流程,结合功能需求将其划分为输入处理、决策控制与输出执行三个子模块,并以消息驱动机制连接各模块接口。通信接口建模依托ARINC 429与MIL-STD-1553B协议规范,模拟其帧结构、传输时序与校验机制,通过中间件进行总线封装与传输行为再现。环境建模则嵌入气象数据与动态工况参数,实现外部扰动条件下的系统响应捕捉。所有组件在封装过程中均配套测试端口与状态输出接口,便于验证与监测。

　　1.3多系统协同仿真机制

　　多系统协同仿真以统一时间驱动为基础,通过高精度同步调度机制实现不同子系统间的实时互动。平台采用分布式仿真结构,内核遵循IEEE 1516 HLA（High Level Architecture）标准,配置时间步长为1ms,保证传感器模型与控制系统间的同步精度。数据交换基于发布—订阅机制,定义统一接口数据描述语言（IDL）,确保航电、通信、任务系统间的数据结构一致性。任务系统仿真模块在一个仿真周期内完成指令解析、信息融合与反馈执行,平均响应延迟不超过5ms；导航系统模拟以100Hz更新率提供位置信息,通信链路以20ms周期更新状态。为避免仿真漂移,平台引入全局同步标记机制,每100ms进行一次时间基准对齐,保证所有模块在虚拟时间轴上保持一致进程,支持高频并行事件驱动下的系统级协同测试。

　　2基于虚拟仿真的系统集成测试系统流程设计

　　2.1测试建模阶段：需求驱动的系统建模策略

　　测试建模以系统功能需求与接口规范为核心驱动,依据系统需求文档（SRD）与接口控制文档（ICD）提取关键功能链与测试点。针对飞控—导航—任务系统联动测试场景,仿真平台构建各子系统的功能行为模型,并依据使用案例图对典型输入输出路径进行映射建模。以某型无人机姿态保持功能为例,飞控系统模型封装姿态角控制逻辑,输入由虚拟传感器提供的陀螺仪与加速度计数据,输出通过总线传递至控制执行模块[2]。每个模型设定触发条件、容差范围与异常响应逻辑,确保测试模型具备可验证性和故障响应能力。模型构建过程同步生成接口绑定表与信号监视点,构成后续测试自动化执行的基础。

　　2.2集成测试系统的设计方法

　　集成测试方案围绕系统级功能链路划定目标,聚焦关键指令处理、数据同步与接口容错能力。测试用例采用边界值与异常组合策略,设计覆盖典型场景与极限状态。输入输出采用结构化脚本配置,支持参数化注入与阈值比对。例如：<Input signal="NavCmd_Azimuth"value="180.0"/>表示导航模块输入目标航向180。平台依据脚本自动注入信号、采集输出并对照容差判定结果,确保用例具备复用性与自动化验证能力。

　　2.3虚拟平台上的测试执行与监控机制

　　测试执行依托统一调度引擎进行驱动控制,系统按预设时序推进仿真流程,各测试用例通过脚本加载、参数绑定后自动执行。平台监控模块对所有输入输出信号进行实时采样与对比分析,设定关键参数的容差范围与时间约束,自动识别偏差并生成日志记录。为量化响应准确性,平台引入响应误差计算模型,如式（1）所示：

　　式中,yiref为参考输出；yitest为测试输出；wi为权重因子,用于标注关键参数的敏感性优先级。当总偏差E超出阈值,系统自动定位问题源头并标注对应接口或模块。回归验证通过版本比对机制实现,每轮软件更新后自动重执行相关测试用例,匹配哈希校验值与性能指标波动范围,确保系统行为的一致性与更新的可控性。所有结果以XML报告与图形仪表同步输出,支持人工复审与后续追踪分析。

　　3典型应用案例分析与效果评估

　　3.1某型机载任务系统集成系统测试实践

　　以某型固定翼无人机任务系统为对象,平台构建其飞控导航模块、任务计算模块及数据链通信模块的虚拟模型,开展集成测试验证[3]。系统任务包括航线执行、目标打击与态势传输,核心接口涵盖导航指令输入、目标信息下发与任务状态回传。测试平台根据任务逻辑流程配置测试用例72组,覆盖正常执行、指令干扰、中断恢复三类场景。在“任务更新中断”场景下,仿真平台模拟通信链路丢包延迟34ms,任务系统成功触发冗余逻辑并保持航向稳定,验证了异常处理路径的有效性。该实践全过程记录信号波形与逻辑状态,形成26份测试报告,支撑了该型号在样机阶段的飞行前适航审查准备。

　　3.2平台构建与建模细节说明

　　在该型无人机任务系统的测试项目中,虚拟仿真平台的构建严格遵循前文所述建模策略与测试流程,整体采用模块化封装与标准协议接口融合的方式搭建测试环境。测试对象包括任务规划模块、航迹执行模块、目标识别模块和数据链通信模块,四者通过ARINC 429总线与导航系统、飞控系统进行联接。模型封装阶段,依据系统需求文档（SRD）提取各子模块的行为逻辑与输入输出边界,采用状态机和离散事件模型分别描述任务状态转换与事件触发条件。以“目标更新—路径重算—任务执行”这一典型流程为例,任务系统模型分为三个子流程,分别响应指令包、调用路径算法、刷新目标锁定信息,并生成新的航迹指令下发至导航模块。

　　平台中每个仿真组件配置标准接口定义文件（IDL）,以保证模型数据结构一致性。输入激励信号由结构化测试用例脚本触发,测试执行引擎调度时间步长设定为1ms,在每一仿真周期中驱动各模块同步推进,任务系统模块平均响应延迟为4.2ms,满足前文设定的最大响应阈值Δ(t)<5ms。平台通过式（1）计算系统输出与预期响应之间的偏差,如在一次路径更新任务中,导航系统返回航向角yactual=128.4°,而预期值为ywxpected=130.0°,计算得Δ=1.6°,小于设定容差ε=2.0°,判定结果为通过。

　　监控层采用多通道数据采样器与波形对比器结合,记录输出轨迹、执行路径与中间状态变量,异常帧一旦超出定义门限即自动报警并生成事件日志[4]。在一次“目标位置突变”测试中,任务模块在4ms内完成路径重算,输出轨迹偏移量小于3.2m,系统稳定重锁新目标,展现出良好的响应一致性。整个测试过程覆盖了全部主控逻辑及关键接口交互,最终生成12类测试摘要报告与340条行为事件记录,支撑该型号进入系统级联调阶段,平台构建与建模流程在实战中实现了高效验证与数据闭环。

　　3.3测试效果评估与比较拓展

　　虚拟仿真平台在航空电子系统集成测试中的应用不仅重构了测试的技术路径,也显著提升了测试的深度与系统性。在测试覆盖方面,平台通过结构化建模与接口标准化配置,使功能路径与边界条件得以系统性表达,测试用例设计更具逻辑闭合性,整体覆盖范围相比传统方法实现明显拓展。故障发现层面,仿真平台可实现在线注入干扰、链路异常和逻辑冲突等多类场景,并通过行为差异与误差指标评估机制,对异常状态进行细化识别与溯源分析。在某型无人机项目中,平台识别出的逻辑类与接口类问题数量显著高于物理测试阶段,有效弥补了传统测试中“遗漏易发、定位困难”的技术短板[5]。此外,平台的模块化设计支持跨型号复用与快速迭代,建模周期较传统流程缩短近一半,极大提升了版本回归与适航支撑的响应能力。整体来看,该平台实现了从“验证功能”到“控制质量”的转变,为构建标准化、可持续的航电系统测试体系提供了可靠的方法路径。

　　4结语

　　虚拟仿真平台在航空电子机载系统集成测试中的应用不仅突破了传统测试手段在资源占用、响应效率与测试深度上的限制,更在系统性建模、协同验证与故障发现等方面展现出显著优势。通过模型驱动与自动化机制的融合,该平台实现了测试流程的结构化、数据处理的可追溯与验证结果的精细化,支撑了复杂系统全生命周期的高质量验证需求。在未来航空电子系统持续复杂演进的背景下,基于虚拟仿真的测试体系有望成为行业测试范式转型的重要支点,为构建安全、稳定、高效的航电验证架构提供坚实基础。

参考文献

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　　[3]樊哲,于丰源,赵剑波.低空飞行器导航系统测试技术发展现状与趋势[J].计测技术,2025,45(3):100-110.

　　[4]石鑫.航空发动机电气控制半实物虚拟仿真平台开发[J].科技风,2022(12):70-72.

　　[5]杨心悦,刘向东,郭宏宇,等.基于虚拟校园的自动驾驶仿真测试平台设计与实现[J].电脑知识与技术,2022,18(30):23-26+32.