干货速递｜飞机通信系统和探测系统的一体化
▲干货速递｜飞机通信系统和探测系统的一体化
无线电传输为飞机提供与世界其他地区的唯一通讯联系。与空中交通管制（ATC）进行的对话、来自机载系统的诊断信息、以及来自乘客自己设备的不断增长的数据，都在采用飞机的天线来进行接收和传播，而雷达则用来监控其他飞机的位置、附近的天气以及下方的地形。无论是在大雾中接近跑道、飞越极其拥挤的空域，还是在距离陆地数千英里的海洋上开展空中巡航，飞机通信系统和探测系统都是确保航班安全运行和正常运行的关键。
这意味着为了确保可靠的性能，我们需要对飞机天线进行精细的设计和布局。飞机的机身本身能够反射或传递信号，但也可能会阻挡天线或者扭曲其方向图。通信系统之间的射频电磁干扰是我们关注的另外一个重点问题，并且它会随着机载设备数量的成倍增加而不断增加。天线系统问题可能会延迟飞机的认证进程，从而导致成本极其高昂的重新设计，但无线电波的无形传播特性会使干扰源识别变得颇具挑战。
本文将展示SIMULIA的电磁仿真解决方案将如何用于设计和集成飞机上的天线、对天线安装性能进行分析以及对干扰问题进行识别和缓解。通过实施完整的仿真工作流程，制造商在设计流程的早期阶段就能够解决可能出现的问题，从而最大限度地减少成本高昂的物理测试，并避免代价高昂且会对声誉造成损害的延迟交付，或者甚至是后期停飞。
飞机传播或接收的数据量正在急剧增长。微波和射频（RF）系统的数量越多，可能发生的潜在干扰问题也就越多，因此管理所有这些系统的复杂性就会飙升。工程师不仅需要应对不断增加的程序和系统复杂性，而且同时还要为时刻保持竞争力而降低开发成本。
军用和民用航空管理局都制定了严格的功能和安全法规，遵循这些法规对于通过相关认证至关重要。至于在测试阶段后期发现的问题，其修复成本可能极为高昂，而且需要进行大量的重新设计工作，因而会延误整个项目的进度。
然而，飞机制造商并没有在公司内部开发所有的通信系统和探测系统。其中的许多系统都来自分包商，这些分包商将从众多不同的供应商处采购组件。然而，所有这些单独开发的子系统都需要协调运行。这意味着不同的业务部门和企业不仅需要一种有效的合作方式，而且需要始终保持对机密或商业敏感知识产权的谨慎控制。
航空航天行业是众多仿真技术的早期采用者，之所以采用仿真技术，就是为了降低飞行测试的成本以及合规失败的风险。然而，飞机仿真的计算需求本身就极为关键。与射频波的波长相比，飞机极为巨大：例如，许多雷达、空中交通管制（ATC）和卫星通信应用中使用的X波段传输的波长为2.5-3.75cm。为了仿真它们如何在长度和翼展为60或70m、高度约为20m的客机周围进行传播，用户需要能够在计算机上运行的高效数值方法，其强大的功能足以模拟数十亿个仿真网格单元。
而另一方面，飞机有许多会影响天线性能的精细结构。面板和舱门周围的接缝可以允许电磁场通过它们，或引起再辐射场的共振，并可能会导致干扰问题。单独的电缆可能会传导一些不期望的辐射从一个系统到另一个系统。复合材料日渐取代机身结构中的传统金属，它们具有非比寻常的电气特性，这由构成它们的单个碳纤维的精确排**定。为了针对这些细微状况进行准确建模，同时保持足够快的计算速度，仿真软件需要功能强大的网格划分引擎和能够高效捕获这些细微状况的材料模型。
图1：相控阵天线的设计阶段：
1)单个单元，2)元胞阵列，3)激励，4)全波3D仿真
达索系统可通过其SIMULIA品牌为飞机天线设计提供一套完整的解决方案。SIMULIA产品组合中功能强大的电磁仿真产品包括各种规模的问题求解器，从电子产品和电缆的细微状况到整个飞机的完整几何结构，不一而足。
当采用仿真进行设计研究和虚拟原型设计时，用于开发的成本、时间和风险都会相应降低。采用从天线设计到产品仿真的集成式解决方案，可确保在每一步都满足质量要求。在早期阶段就获得准确且经过验证的仿真结果，能够帮助工程师确保满足认证标准要求。
通过结合使用天线、滤波器和其他波导组件的设计以及综合工具，可以更快速地完成早期设计研究。用户可以探索各种不同天线类型的数据库，该数据库会自动建议适合应用需求和约束的设计，并生成可直接导入设计的具备仿真功能的模型。
来自众多不同来源（包括内部团队、分包商、现货供应商等）的组件，可以非常轻松地装配到一个统一的系统中进行仿真。与其他团队共享数据时，可以使用加密的“黑盒”模型来隐藏敏感零部件，该模型可以在不揭示其结构的情况下捕获组件的行为。此外，来自其他仿真和现场测量的数据也可以整合到仿真中。
可以使用先进的材料模型来构建准确的飞机模型，包括碳纤维复合材料和分层天线罩，以及等效的紧凑模型等，这些模型可以在不影响准确性的情况下简化接缝、通风口、电缆以及其他细节的仿真。
借助功能强大的电磁求解器以及对高性能计算选项的支持，便可以快速仿真超大型模型。通过仿真可以在数小时甚至是数分钟内评估机载天线系统的性能，而物理测试则需花费数天或数周的时间。SIMULIA软件可以同时为第三方和内部云解决方案提供支持，从而加速仿真并以更低成本使用计算资源。
相比于仅从测试中获得信息，用户可以从仿真中获得更多的信息。完整的3D结果可展示天线在各个方向的完整辐射方向图，并准确揭示场和电流如何在飞机周围和通过飞机进行传播。先进的后处理功能模板有助于对结果进行更详细的检查，并能够更轻松地在虚拟原型上**测试设置。与此同时，干扰分析工具可显示干扰风险最大的位置以及干扰频率。
这些求解器可以直接链接到3DEXPERIENCE®平台，即达索系统的业务体验平台。3DEXPERIENCE平台将众多达索系统解决方案全部都整合到一个统一的环境中，包括产品全生命周期管理（PLM）、仿真、数据管理、客户体验以及计算机辅助设计（CAD）工具SOLIDWORKS和CATIA。
3DEXPERIENCE平台可确保整个项目的数字连续性。将设计需求与几何结构无缝地链接到3D设计数据与仿真结果，有助于确保整个团队都朝着共同的目标通力合作，并能够随时了解最新的设计变更。
此外，用户还可以充分利用业界最佳的项目和产品管理工具来确保团队之间的高效协作、进行新配置、跟踪变更、管理任务和控制信息流。
天线工程师可以使用SIMULIA天线设计工具CST Antenna Magus快速找到适合其应用的备选天线。它是一个涵盖不同天线类型的库，根据它们的设计和应用进行标记，每个备选天线都有详细的记录。对于每个备选天线，CST Antenna Magus都可以生成满足设计要求和约束的设计，然后将具备仿真功能的模型导出到主要的SIMULIA电磁工具CST Studio Suite。
图2：安装在飞机上的天线的边界射线仿真，展示金属单元如何阻挡和反射信号
一旦找到了最合适的备选天线，用户就可以将天线模型或其测量的近场或辐射方向图导入到CST Studio Suite中的飞机机身仿真中，以检查在将该设计布局在飞机上时是否也能正常工作。如果第一个可能的天线设计或所选位置不合适，他们可以快速地将其更改为另一个备选天线或者安装位置。
CST Studio Suite天线布局工作流只需点击几下鼠标即可生成并运行用于多个天线布局或设计的模型，从而显著节省模型的设置时间。
达索系统提供了一种多领域的仿真方法，该方法涵盖了众多的物理领域。天线布局将影响飞机周围的气流，因此能够在一个通用项目中同时执行电磁仿真和空气动力学仿真，这不仅有助于在两者之间进行权衡取舍，而且还能帮助工程师找到满足所有不同需求的完美解决方案。
一旦所有天线都放置在飞机上，就需要考虑天线的干扰问题，也就是不同的无线电系统将如何相互作用或相互干扰。这需要综合全面的整体设计流程，从天线设计的早期阶段贯穿到完整的产品仿真阶段，同时也要借助用于跟踪变更的集成式解决方案。3DEXPERIENCE平台可确保在每个阶段都满足所有的质量要求，并且所有不同的组件都是最新的。
CST Studio Suite内置干扰分析工具，用于验证飞机上的无线电是否能够按照预期进行协同工作。该工具可生成干扰矩阵，显示天线对之间所有可能的干扰问题，并帮助用户测试不同的缓解策略，比如说通过滤波来消除这种风险。
从空中交通管制到机上娱乐，天线对几乎所有飞行系统都至关重要。在设计流程中实施仿真可以获悉这些天线的布局，从而能够在开发的最早阶段通过虚拟样机对它们的性能进行分析。这不仅减少了所需的成本高昂的物理测试的数量，而且也降低了在开发后期发现性能问题或干扰的风险。借助3DEXPERIENCE平台上的达索系统软件，天线仿真可以与如空气动力学和结构计算等其他仿真一起协同执行，从而打破设计和仿真之间的壁垒，助力开发团队更高效地开展工作。
