基于網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的分布式測試系統(tǒng)

李 宏，吳 衡，胡丙華，范秉宇

(1.中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089;2.海軍駐閻良地區(qū)航空軍事代表室，西安 710089)

0 引言

在新機(jī)研制過程中，高素質(zhì)的試飛員培訓(xùn)與飛行試驗(yàn)都是新型飛機(jī)研制過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。為使新型飛機(jī)通過嚴(yán)格的鑒定與定型試飛，以及對(duì)培訓(xùn)試飛員的飛行效果進(jìn)行事后講評(píng)分析，需要在飛機(jī)飛行過程中，通過測試獲取大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為保障飛行安全，需要把大量的機(jī)載測試數(shù)據(jù)與視頻畫面實(shí)時(shí)遙測傳輸?shù)降孛?，與地面各測試系統(tǒng)測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理與顯示，為地面指揮員與試飛工程師提供良好的監(jiān)控畫面，對(duì)試飛全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。由于新型飛機(jī)采用的新技術(shù)越來越多，以及為加快試飛進(jìn)度，提高試飛效率，要求在一個(gè)架次中進(jìn)行多個(gè)科目綜合試飛的要求提高，需要的測試內(nèi)容以及測試參數(shù)量也急劇增加，這些都對(duì)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更多、更高的要求。

測試系統(tǒng)組成多、接口關(guān)系復(fù)雜、分布范圍廣等已成為新型飛機(jī)試飛的特點(diǎn)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)、可靠的工作，采用實(shí)時(shí)通信、統(tǒng)一授時(shí)、融合處理已經(jīng)成為現(xiàn)代靶場基地建設(shè)的基本要求。特別是系統(tǒng)之間的視頻數(shù)據(jù)的增多，造成通信負(fù)載大，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c可靠性;多系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)有序的運(yùn)行需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)、視頻、控制指令、時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)傳輸。由于組成的測試系統(tǒng)多，組成和技術(shù)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，特別是有大量的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻信息，以HDLC(串口通信協(xié)議)為通信架構(gòu)的測試體系已無法滿足當(dāng)代新機(jī)試飛的測試需求，因此必須根據(jù)新的測試需求研究新的測試系統(tǒng)通信架構(gòu)。目前，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)因組網(wǎng)靈活、傳輸帶寬寬，特別是以光纖網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)，市場應(yīng)用廣、技術(shù)支持方便等優(yōu)點(diǎn)，在測控技術(shù)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，逐步取代了以串口為通信體系的測試架構(gòu)。

1 分布式測試系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由光電經(jīng)緯儀、遙測接收系統(tǒng)、數(shù)字式高速攝像機(jī)、測控中心、監(jiān)控大廳、通信機(jī)房、塔臺(tái)輔助指揮系統(tǒng)、GPS實(shí)時(shí)差分站等系統(tǒng)或設(shè)備組成(見圖1)，主要系統(tǒng)功能如下所述。

1)光電經(jīng)緯儀采用單站或交會(huì)測量的方式，用于完成飛機(jī)起降段的軌跡、速度測量。光電經(jīng)緯儀的測量數(shù)據(jù)、可見光圖像與紅外圖像實(shí)時(shí)輸出到測控中心、監(jiān)控大廳與塔臺(tái)。

2)遙測接收系統(tǒng)接收飛機(jī)下發(fā)的PCM數(shù)據(jù)與機(jī)載視頻，直接送到監(jiān)控大廳進(jìn)行處理與顯示，處理后的機(jī)載數(shù)據(jù)與數(shù)字化后機(jī)載視頻，送到塔臺(tái)、測控中心等。

3)數(shù)字式高速攝像機(jī)分布在跑道兩端，測量飛機(jī)從不同方向著陸時(shí)刻的畫面，用于圖像分析和精確的定位測量。

4)測控中心完成光電經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收與處理，發(fā)送飛機(jī)航跡數(shù)據(jù)到其他系統(tǒng);接收飛機(jī)上的GPS數(shù)據(jù)引導(dǎo)光電經(jīng)緯儀捕獲目標(biāo);根據(jù)飛機(jī)的航跡位置自動(dòng)觸發(fā)高速攝像機(jī)自動(dòng)拍攝;事后下載光電經(jīng)緯儀與高速攝像機(jī)測量圖像，進(jìn)行精確處理，為試驗(yàn)分析及鑒定和定型試飛提供技術(shù)依據(jù)。

5)監(jiān)控大廳接收遙測數(shù)據(jù)、測控中心數(shù)據(jù)、機(jī)載視頻、光電經(jīng)緯儀視頻及其他數(shù)據(jù)與圖像，進(jìn)行綜合處理與顯示，為試飛工程師與試飛指揮員提供監(jiān)控畫面。

6)塔臺(tái)系統(tǒng)接收測控中心與監(jiān)控大廳數(shù)據(jù)，以及機(jī)載、光電經(jīng)緯儀的視頻，為塔臺(tái)飛行指揮員指揮提供參考依據(jù)。

圖1 各系統(tǒng)信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Signal transmission structure of the system

各系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔⒂袦y量數(shù)據(jù)、控制指令、引導(dǎo)數(shù)據(jù)、融合后的結(jié)果數(shù)據(jù)、PCM信號(hào)、數(shù)字視頻、模擬視頻、IRIG-B時(shí)間碼(以下簡稱B碼)，以及事后下載高速攝像機(jī)圖像數(shù)據(jù)、光電經(jīng)緯儀跟蹤圖像畫面等突發(fā)高帶寬數(shù)據(jù)(各系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸關(guān)系見圖1)。系統(tǒng)之間交互信息種類多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、耦合關(guān)系緊密，為保障各系統(tǒng)之間的信息能夠?qū)崟r(shí)、可靠、有效傳輸，需要對(duì)各系統(tǒng)之間的通信結(jié)構(gòu)與關(guān)系進(jìn)行認(rèn)真規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該測試系統(tǒng)是由分布范圍較廣的多個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成，必須采用先進(jìn)、可靠的通信系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)有序傳輸、交換、處理、控制與實(shí)時(shí)顯示。鑒于光纖傳輸具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)衰變小、頻帶較寬、傳輸延遲小、不易受電磁干擾等特點(diǎn)，本測試系統(tǒng)采用基于光纖技術(shù)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于傳輸?shù)臄?shù)字視頻路數(shù)多，為防止視頻數(shù)據(jù)堵塞網(wǎng)絡(luò)，造成數(shù)據(jù)與控制指令延遲丟包，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)行雙網(wǎng)并行工作模式，通過通信機(jī)房內(nèi)的兩臺(tái)核心交換機(jī)分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)字視頻交換和接入。各測量站點(diǎn)均通過千兆以太網(wǎng)端口連接到核心交換機(jī)。通信機(jī)房核心交換層提供一個(gè)寬帶、高可靠、具有質(zhì)量保證、協(xié)議統(tǒng)一的分組業(yè)務(wù)承載平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻等信息的綜合傳輸與交換。對(duì)虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network，VLAN)按照分系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

通信底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用以太網(wǎng)，信號(hào)的傳輸速率為1000 Mb/s，支持光、電兩種接口方式。鏈路層采用CSMA/CD的媒體訪問技術(shù)，其幀格式應(yīng)符合 IETF RFC 894規(guī)定，鏈路層的其他部分符合GB/T 15629.3中關(guān)于MAC層的規(guī)定。網(wǎng)絡(luò)層采用互連網(wǎng)協(xié)議(IP)以及配套的ARP協(xié)議(地址解析協(xié)議)和 ICMP協(xié)議(網(wǎng)際消息協(xié)議)以完成將IP地址解析成為物理地址的可達(dá)性等功能。運(yùn)輸層選用TCP/IP協(xié)議中的 UDP協(xié)議(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)，符合 IETF RFC 768的要求。為保障數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)傳輸全部采用UDP鏈接;而對(duì)命令通訊，全部采用TCP短鏈接方式，避免使用長連接導(dǎo)致的占用資源過多及系統(tǒng)不穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)通訊的可靠。

高速攝像數(shù)據(jù)、B碼、PCM信號(hào)與模擬視頻傳輸采用純物理層光端機(jī)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)作獨(dú)立于數(shù)據(jù)及視頻交換機(jī)。B碼以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸方式，用專用的具有模擬及數(shù)字接口(分別傳輸AC碼與DC碼)的光端機(jī)作為傳輸設(shè)備;而模擬視頻則采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式，有專用的具有模擬視頻接口的光端機(jī)作為傳輸設(shè)備;高速攝像數(shù)據(jù)的下載采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式，使用千兆數(shù)字接口的光端機(jī)作為傳輸設(shè)備。事后文件傳輸采用FTP傳輸方案。需要訪問FTP服務(wù)器的端站可以通過客戶端程序登錄FTP服務(wù)器下載相關(guān)數(shù)據(jù)。管理員可以對(duì)FTP服務(wù)器的開放時(shí)間、同時(shí)下載線程以及用戶訪問權(quán)限做管理。在飛機(jī)飛行期間，為了不影響測試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、視頻的正常傳輸，可以通過管理員關(guān)閉FTP服務(wù)。

3 視頻傳輸

視頻信息具有信息直觀、內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，是該測試系統(tǒng)提供的重要測試參數(shù)。對(duì)視頻的傳輸，目前主要采用有兩種方法:1)數(shù)字化壓縮編碼后放到網(wǎng)上，各客戶端根據(jù)需要網(wǎng)絡(luò)連接后顯示，在同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，可多用戶同時(shí)顯示，不受物理連接限制;缺點(diǎn)是有一定延遲，網(wǎng)絡(luò)丟包會(huì)影響重新解碼后的圖像質(zhì)量;2)源端輸出的模擬視頻信號(hào)直接通過視頻光端機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，優(yōu)點(diǎn)是無延遲、圖像質(zhì)量好，缺點(diǎn)是只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，記錄時(shí)需要數(shù)字化?？紤]監(jiān)控大廳指揮員對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，每臺(tái)光電經(jīng)緯儀輸出的兩路模擬視頻、遙測車接收的機(jī)載視頻都通過光端機(jī)直接傳輸?shù)奖O(jiān)控大廳，直接由視頻矩陣切換到大屏上顯示。同時(shí)，在視頻源端，通過數(shù)字視頻編碼器將模擬信號(hào)采用最新的H.264視頻壓縮算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮編碼后，以組播的方式傳輸。這樣，測控中心、塔臺(tái)系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)，通過客戶端接收軟件，可任意選擇顯示畫面。通過實(shí)際測試，數(shù)字視頻延遲在0.4 s左右，滿足一般監(jiān)控要求。

高速攝像機(jī)工作時(shí)，采樣率選用200 f/s，分辨率2300×1600像素，數(shù)據(jù)率700 MB/s，不可能進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，只能實(shí)時(shí)記錄在高速攝像機(jī)內(nèi)部的記錄介質(zhì)，拍攝完成后，下載到計(jì)算機(jī)，清空記錄介質(zhì)后，重新拍攝?？蓪?shí)時(shí)輸出6 f/s，用于控制與圖像預(yù)覽。為防止高速攝像機(jī)下載時(shí)堵塞網(wǎng)絡(luò)，以及保障下載速度，高速攝像機(jī)通過光纖收發(fā)器，直接傳輸?shù)綔y控中心專用下載計(jì)算機(jī)，中間不通過通信機(jī)房核心交換機(jī)。

4 統(tǒng)一授時(shí)

分布式多測試系統(tǒng)各測試參數(shù)的時(shí)間統(tǒng)一問題是該測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題。因?yàn)楦鳒y試參數(shù)的時(shí)間統(tǒng)一是保證各分布式測試系統(tǒng)有序工作、確保多參數(shù)融合處理和實(shí)時(shí)同步顯示并實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控指揮的前提。該系統(tǒng)采用了GPS時(shí)統(tǒng)，它具有使用靈活，成本低和精度高等特點(diǎn)。GPS時(shí)統(tǒng)的秒脈沖同步精度可達(dá)0.2 μs，滿足各測試系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)時(shí)間精度的要求。在該系統(tǒng)的測控中心建設(shè)有GPS與北斗二合一的授時(shí)中心，向各分系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)，提供絕對(duì)時(shí)間。在GPS時(shí)間不可用時(shí)，提供全系統(tǒng)統(tǒng)一的相對(duì)時(shí)間。對(duì)光電經(jīng)緯儀等大型測試設(shè)備，不僅采用獨(dú)立GPS時(shí)統(tǒng)終端時(shí)間，同時(shí)接受測控中心的GPS時(shí)統(tǒng)終端時(shí)間，用于檢查光電經(jīng)緯儀時(shí)統(tǒng)是否同步;16臺(tái)高速攝像機(jī)、監(jiān)控大廳等沒有獨(dú)立時(shí)統(tǒng)終端，接收測控中心時(shí)統(tǒng)終端統(tǒng)一授時(shí)。

對(duì)時(shí)間精度要求高的測試系統(tǒng)授時(shí)目前主要采用B碼方式。B碼又可分為AC碼與DC碼，AC碼精度可達(dá)10 μs，DC碼精度可達(dá)1 μs以上。高速攝像機(jī)是國外采購的COTS產(chǎn)品，只接收AC碼。光電經(jīng)緯儀的GPS時(shí)統(tǒng)終端是國內(nèi)自研，設(shè)計(jì)有DC碼輸入。因B碼傳輸距離最大只能到百米距離，而高速攝像機(jī)與光電經(jīng)緯儀距時(shí)統(tǒng)中心都在1 km以上，因此對(duì)B碼電信號(hào)不能直接傳輸，需要通過B碼光端機(jī)進(jìn)行傳輸。B碼時(shí)間信息的傳輸要求低延時(shí)，高可靠。為此采用專門的光傳輸線路實(shí)現(xiàn)B碼信息的傳輸。B碼信息僅實(shí)現(xiàn)物理層的電光轉(zhuǎn)換，不涉及任何其他協(xié)議層，因此可以達(dá)到最小的傳輸延時(shí)。系統(tǒng)延遲可通過時(shí)間校驗(yàn)儀進(jìn)行測量，是一個(gè)系統(tǒng)誤差。經(jīng)過檢測，B碼光端機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)延遲1.3 ms，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需進(jìn)行修正。

對(duì)時(shí)間精度要求不高的測控中心、監(jiān)控大廳、塔臺(tái)等系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、顯示計(jì)算機(jī)，以及光電經(jīng)緯儀、遙測接收車等系統(tǒng)內(nèi)的視頻編碼器，通過NTP(Network Time Protocol)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，局域網(wǎng)內(nèi)，其同步精度一般可以達(dá)到10 ms量級(jí)，在廣域網(wǎng)上同步精度一般為幾十毫秒，滿足一般設(shè)備對(duì)處理、顯示、回放等時(shí)間精度要求。在測控中心設(shè)有時(shí)間服務(wù)器，時(shí)間服務(wù)器上插有B碼卡，接收時(shí)統(tǒng)中心的B碼時(shí)間后，進(jìn)行解調(diào)，獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。時(shí)間服務(wù)器在收到客戶機(jī)發(fā)送的NTP報(bào)文請(qǐng)求后，把時(shí)間服務(wù)器上時(shí)間填寫在NTP報(bào)文中并返回給客戶機(jī)，客戶機(jī)完成對(duì)本機(jī)時(shí)鐘的修正。

5 結(jié)束語

隨著我國航空武器試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)試驗(yàn)靶場、基地測試系統(tǒng)的要求也會(huì)越來越高，如何構(gòu)建可靠、有效、自動(dòng)化程度高、能滿足未來武器試驗(yàn)發(fā)展的新型靶場測試體系架構(gòu)，是測試技術(shù)工程師重點(diǎn)研究的問題。在本測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就綜合考慮了各種因素，并進(jìn)行了大量的調(diào)研與實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研制中，精心設(shè)計(jì)、精心制造，嚴(yán)格遵照質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化流程進(jìn)行管理。因此，系統(tǒng)在建設(shè)結(jié)束后，經(jīng)過高強(qiáng)度的飛行試驗(yàn)，系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)之初提出的各種技術(shù)指標(biāo)。特別是采用的雙網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、數(shù)字視頻組播與模擬傳輸結(jié)合、B碼傳輸與NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等多種關(guān)鍵技術(shù)，滿足了不同技術(shù)需求，取得了良好的應(yīng)用效果，具有很好的通用性和開放性，可為后續(xù)系統(tǒng)的擴(kuò)展，留下了發(fā)展空間。它對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)化靶場和基地的建設(shè)具有良好的借鑒和推廣作用。

［1］郭蔡健，周貴榮，徐亞軍，等.一種光纖通道網(wǎng)絡(luò)延遲特性被動(dòng)測試方法［J］.電光與控制，2008，15(9):85-87.

［2］陳亮，繆棟.解決光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中的基線漂移的方案［J］.電光與控制，2006，13(3):61-64.

［3］張斌，張東來，王超.基于FPGA的IRIG-B(DC)碼同步解碼設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2008(2):45-47.

［4］湯紅軍.IPV4與IPV6多播技術(shù)對(duì)比分析［J］.網(wǎng)絡(luò)安全與技術(shù)應(yīng)用，2008(4):31-32.

［5］王曉巖，拱長青.網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議在航天測控網(wǎng)中的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(4):39-42.

［6］張維勇，錢軍，王建新.基于UDP協(xié)議的視頻圖像可靠傳輸?shù)难芯亢蛯?shí)現(xiàn)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(5):698-700.

［7］鄭先成，張曉斌，雷濤.大型飛機(jī)綜合試驗(yàn)分布式測試系統(tǒng)研究［J］.測控技術(shù)，2008(1):70-71.

［8］孟晨，羅錦.分布式網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.火力與指揮控制，2006(5):69-71.

［9］劉信新，陳鯤，張方杰.基于以太網(wǎng)的艦載雷達(dá)視頻傳輸系統(tǒng)研究［J］.艦船電子工程，2008(5):124-127.

［10］陳衛(wèi)，翟正軍，王季.以太網(wǎng)分布式測試系統(tǒng)中實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2008(16):259-261.