基于飛行試驗采集的FC數(shù)據(jù)檢測分析技術(shù)

摘 要： 在航空產(chǎn)品的航電系統(tǒng)跨代升級中，F(xiàn)C總線數(shù)據(jù)的檢測分析是飛行試驗對航空產(chǎn)品航電系統(tǒng)進行鑒定的一項重要內(nèi)容。針對復雜航空環(huán)境下采集記錄的FC總線數(shù)據(jù)的多類、隨機性等特點，提出了對FC數(shù)據(jù)進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)元素的消息識別方法，以及FC總線數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)特性檢測方法，并結(jié)合FC總線周期丟包檢測算法，設(shè)計了FC總線的檢測分析技術(shù)，實現(xiàn)了對復雜測試記錄的FC總線數(shù)據(jù)的檢測分析；最后在某試驗機的飛行試驗中進行了應(yīng)用，獲得了飛行試驗FC總線檢測分析結(jié)果，試驗表明檢測分析的結(jié)果數(shù)據(jù)滿足飛行試驗對航電系統(tǒng)進行科研鑒定的需求。

關(guān)鍵詞： 檢測分析； 丟包； FC幀結(jié)構(gòu)； 飛行試驗

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0092?03

Detection and analysis technology of FC bus data collected in flight test

PENG Guojin， LIU Manting， HAN Lu

（Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China）

Abstract： In the cross?generation upgrade for the avionics system of the aviation equipments， the detection and analysis of FC bus data are the important contents in the flight test to identify the avionics system of the aviation equipments. For the collected and recorded FC bus data in complex aviation environment has the characteristics of multiclass and randomness， the method to conduct the message identification of the key data elements for FC data ， and the method to detect the network characteristics of the FC bus data frame are put forward. The packet loss detection algorithm of FC bus cycle is adopted to design the detection and analysis technology of FC bus data. The detection and analysis of FC bus data recorded in testing in complex environment were realized. The technology was applied to the flight test of a testing aircraft， and the detection and analysis results of the FC bus were obtained in flight test. The test results show that the detection and analysis results can satisfy the scientific research and appraisal demands of flight test to avionics system.

Keywords： detection and analysis； packet loss； FC frame structure； flight test

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空環(huán)境下光纖通道FC總線技術(shù)逐漸成熟并進行工程運用。在飛行試驗[1]工程領(lǐng)域，飛行試驗總線數(shù)據(jù)分析技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機飛行試驗的重要內(nèi)容之一。在飛行試驗過程中，試驗機機載總線測試系統(tǒng)采集記錄航電系統(tǒng)FC總線，試飛工程師對該記錄的數(shù)據(jù)進行分析，并將分析的結(jié)果數(shù)據(jù)作為鑒定該試驗機航電系統(tǒng)的重要依據(jù)。

在傳統(tǒng)的飛行試驗總線處理中，因為采集記錄環(huán)境是單一的，不會有復雜的測試環(huán)境，記錄下試驗文件只包含總線數(shù)據(jù)，并沒有檢測分析這一需求。但是在FC總線測試采集過程中，因FC總線的網(wǎng)絡(luò)特性，具有復雜的測試環(huán)境、可能存在幀不完整以及丟包的缺點；所以在FC總線數(shù)據(jù)處理中對測試系統(tǒng)采集的FC總線進行檢測分析包括：對采集的FC總線數(shù)據(jù)的完整幀檢測、對FC總線消息識別分析及丟包檢測分析是飛行試驗鑒定飛機航電系統(tǒng)的一項重要內(nèi)容。所以FC總線的檢測分析就成為航電系統(tǒng)FC總線數(shù)據(jù)分析的一項重要內(nèi)容，而在復雜航空環(huán)境下，飛行試驗傳統(tǒng)航空總線數(shù)據(jù)分析技術(shù)已不適用新形勢下對FC總線進行檢測分析。

1 飛行試驗總線檢測分析

從某方面來說，飛行試驗是對航空產(chǎn)品整機到各個子系統(tǒng)的一個鑒定過程。隨著新技術(shù)不斷應(yīng)用于航空產(chǎn)品中，航電系統(tǒng)進行了跨代升級，大量應(yīng)用于航空產(chǎn)品中的1553B總線技術(shù)逐漸被替代。新的技術(shù)構(gòu)架需要被飛行試驗進行科研鑒定，以保證其可行、穩(wěn)定。飛行試驗總線檢測分析作為一項重要的技術(shù)鑒定手段，直接給試飛工程師提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.1 傳統(tǒng)飛行試驗總線檢測分析

在以1553B航空電子總線為代表的三代機總線構(gòu)架技術(shù)中，1553B總線數(shù)據(jù)具有確定性，總線上傳輸?shù)目梢源_定的只有3種類型的字：命令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字，且每種字的長度一定為20 b，其中包括3 b同步頭、16 b有效信息及一個奇偶校驗位。對飛行試驗總線測試采集來說，記錄的1553B航電總線數(shù)據(jù)是單一的總線數(shù)據(jù)，是航電系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計的1553B消息幀，沒有別的類型的數(shù)據(jù)被采集記錄，其測試環(huán)境單一，測試數(shù)據(jù)規(guī)范，故不需要專門針對1553B的進行檢測分析。

1.2 新形勢下FC總線檢測分析

隨著航電總線的跨代升級，F(xiàn)C光纖通道技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品。FC光纖通道具有高帶寬、開放式互聯(lián)等特點，解決了航空產(chǎn)品中許多與高性能數(shù)據(jù)塊傳輸相關(guān)的難題；但是FC具有的網(wǎng)絡(luò)特點也給飛行試驗航電總線測試帶來了新的挑戰(zhàn)。在采用了FC光纖通道總線構(gòu)架技術(shù)后，對采用了新技術(shù)后的航電系統(tǒng)進行鑒定是飛行試驗一項重要內(nèi)容。應(yīng)用了FC總線技術(shù)后的航電系統(tǒng)，飛行試驗測試環(huán)境也隨之變得復雜，測試系統(tǒng)需要在網(wǎng)絡(luò)化總線下進行采集，同時進行數(shù)據(jù)分析。針對新形勢下的航電總線網(wǎng)絡(luò)的延遲性、不確定性、丟包等缺點，對飛行試驗測試采集的FC總線數(shù)據(jù)必須進行檢測分析，以驗證采集的總線數(shù)據(jù)可靠，進而對航電系統(tǒng)進行鑒定。同時傳統(tǒng)飛行試驗航空總線數(shù)據(jù)分析技術(shù)不能滿足新形勢下FC總線數(shù)據(jù)檢測的需求，所以FC總線檢測分析必須解決這些問題，才能滿足試飛工程科研鑒定的需求。

2 FC數(shù)據(jù)檢測分析

2.1 飛行試驗FC總線

航空電子環(huán)境中的光纖通道[2?3]FC是美國國家標準委員會（ANSI）的X3T11小組于1988年開始制定的一種高速串行傳輸協(xié)議。在我國航空產(chǎn)品上，其正逐漸取代傳統(tǒng)的1553B航空總線。在飛行試驗總線測試系統(tǒng)中，F(xiàn)C總線消息幀被測試系統(tǒng)采集到之后，會被打上以太網(wǎng)UDP包頭，然后再發(fā)送給通用記錄器進行記錄。所以在飛行試驗中測試系統(tǒng)采集記錄的FC[4]總線消息幀格式如圖1所示。同時，通用總線測試系統(tǒng)的采集模塊還會將航電系統(tǒng)的底層通信等消息采集記錄下來，一并發(fā)送給記錄設(shè)備，這就給FC總線[5]檢測分析增加了難度，這也是檢測分析的一個難點。對飛行試驗來說，需要知道采集記錄了哪些FC總線消息幀，以便與試驗機航電系統(tǒng)設(shè)計的總線消息幀進行比對鑒定，同時對采集的FC總線消息幀進行完整性和丟包檢測分析，以鑒定試驗機航電系統(tǒng)總線性能的可靠性。

圖1 FC總線幀消息格式

2.2 FC總線檢測分析

由于FC總線飛行試驗的測試環(huán)境及總線本身具有的網(wǎng)絡(luò)特性，需對FC總線進行檢測分析。FC總線檢測分析主要包括：FC消息幀識別，F(xiàn)C完整幀檢測，F(xiàn)C幀丟包檢測。FC消息幀識別分析是FC總線數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，因飛行試驗采集記錄的FC總線數(shù)據(jù)是以二進制存儲的，同時記錄的不僅僅只有FC總線數(shù)據(jù)，還有隨機的其他底層通信消息，所以要對飛行試驗采集記錄的數(shù)據(jù)進行FC消息幀識別。FC完整幀檢測分析是對FC總線數(shù)據(jù)進行處理的必要步驟，對識別后的FC消息幀進行完整性分析，以確定采集記錄的FC總線消息幀的完整性。FC幀丟包檢測分析是對試驗機航電系統(tǒng)以及飛行試驗測試系統(tǒng)部署的一項重要的鑒定技術(shù)手段，對航電子系統(tǒng)之間通信的消息經(jīng)過核心交換機之后是否存在丟失數(shù)據(jù)進行分析，以確定航電系統(tǒng)之間通信的可靠性。

2.3 FC總線檢測分析過程

FC總線檢測分析的過程一般包含：

（1） 讀取飛行試驗測試記錄的FC總線數(shù)據(jù)；

（2） 按照記錄協(xié)議開始進行FC總線的解析分析；

（3） 分析并找到完整的UPD數(shù)據(jù)包；

（4） 對完整的UPD數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)進行分析；

（5） 按照FC協(xié)議進行FC總線的識別分析，確定記錄的FC消息幀；

（6） 分析并找到FC消息幀；

（7） 對FC消息幀進行完整性分析；

（8） 對完整的FC消息幀進行丟包分析檢測；

（9） 循環(huán)這一過程，直到檢測分析完成。

3 FC數(shù)據(jù)檢測的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 FC總線消息識別分析技術(shù)

在對飛行試驗海量FC總線數(shù)據(jù)進行檢測分析時，需不斷地讀取數(shù)據(jù)，進行關(guān)鍵字段地判斷、跳過等操作。因為飛行試驗FC總線測試系統(tǒng)的記錄子系統(tǒng)采用了通用的網(wǎng)絡(luò)采集板卡，會對網(wǎng)絡(luò)通信的底層消息數(shù)據(jù)包進行采集并和FC總線一起記錄在存儲設(shè)備中，這樣最后分析的FC總線飛行試驗數(shù)據(jù)就是一個包含了多種數(shù)據(jù)的原始文件。 如圖1所示，在測試系統(tǒng)的采集子系統(tǒng)的設(shè)計過程中，采用了對采集到的標準的FC總線數(shù)據(jù)打標記的技術(shù)手段來識別FC總線數(shù)據(jù)包，一般記錄包頭的識別字位置定義為0xFE6B2840，這樣在分析海量復雜原始FC總線數(shù)據(jù)時，對FC總線消息進行識別分析：

（1） 按照以太網(wǎng)協(xié)議標準，找到一個完整的UDP數(shù)據(jù)包；

（2） 判斷在記錄包頭的前4 B是否為0xFE6B2840；

（3） 如果不是則表示不是需要的FC幀，接著分析下一個數(shù)據(jù)包；

（4） 如果是則表示該數(shù)據(jù)包為所需要的FC總線數(shù)據(jù)幀。

通過識別字的判斷，實現(xiàn)了FC總線消息的識別判斷，確定測試系統(tǒng)記錄了哪些FC消息幀。

3.2 完整FC幀檢測技術(shù)

在獲得一個FC消息幀后，按照飛行試驗的需求，需要對FC總線消息幀進行完整性檢測，以鑒定FC總線幀的完整性。對照FC總線協(xié)議標準，如圖1所示，對關(guān)鍵字段信息進行檢測，包括一個SOF定界符、一個EOF定界符和CRC字段：

（1） 首先對SOF界定符進行檢測，它采用了SOFn3的編碼，并且SOFn3的編碼值：0xBCB53636；

（2） 如果SOF界定符的值不符合約定，則該數(shù)據(jù)幀就不是需要的消息幀；

（3） 其次對CRC字段進行檢測，效驗碼CRC由硬件計算并填入，一般為0xFFFFFFFF；

（4） 如果CRC界定符的值不符合約定，則該數(shù)據(jù)幀就不是我們需要的消息幀；

（5） 最后對EOF定界符進行檢測分析，EOF采用了EOFtN的編碼，且其值為0xBC957575；

（6） 如果EOF界定符的值不符合約定，則該數(shù)據(jù)幀就不是需要的消息幀；

通過SOF定界符、EOF定界符和CRC字段的判斷，實現(xiàn)了FC總線消息的完整性檢測。

3.3 FC幀丟包檢測技術(shù)

FC總線為網(wǎng)絡(luò)化總線技術(shù)，同時測試系統(tǒng)對FC總線的采集也運用了網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)。理論上網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的運用就會存在丟包現(xiàn)象，所以對采集記錄的FC總線數(shù)據(jù)進行丟包檢測就非常有必要。 航電總線消息有兩類：一類是周期性消息，一類是事件消息。事件消息在標準的協(xié)議架構(gòu)下無法進行丟包檢測，但是周期性消息可以進行丟包檢測。對FC總線的丟包檢測主要針對周期性消息。 按照ICD信息文件的定義，對周期性消息進行丟包檢測分析：

（1） 對記錄的FC試驗數(shù)據(jù)進行FC總線消息識別分析即FC幀完整性檢測分析；

（2） 對需要檢測分析的FC消息，讀取ICD數(shù)據(jù)庫中相關(guān)信息，特別是周期信息；

（3） 對FC消息幀進行周期性檢測，比對每個周期ICD中定義的消息幀出現(xiàn)的次數(shù)和ICD定義中定義的次數(shù)是否一致，如果少于定義的則表示丟包；

（4） 對檢測分析的FC總線數(shù)據(jù)幀進行丟包統(tǒng)計并給出結(jié)果。

通過周期信息的判斷，實現(xiàn)了FC總線消息的丟包檢測分析。

4 設(shè)計實現(xiàn)與測試

使用C++語言[6]開發(fā)了FC總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件，分析軟件實現(xiàn)界面如圖2所示。

圖2 FC總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件實現(xiàn)

應(yīng)用該軟件對某試驗機測試的FC數(shù)據(jù)進行檢測分析，確定測試系統(tǒng)采集記錄了哪些FC總線消息幀，同時對這些消息幀進行了完整性和丟包分析。FC總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件[7?10]分析結(jié)果表明：采用以上分析算法的軟件數(shù)據(jù)處理準確，滿足了試飛工程師對海量FC試驗數(shù)據(jù)檢測分析的需求?；谝陨纤惴ㄩ_發(fā)的飛行試驗FC總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件已在多個試驗機試飛中推廣使用。

5 結(jié) 語

本文介紹了飛行試驗對FC總線數(shù)據(jù)檢測分析的要求，在飛行試驗傳統(tǒng)航空總線分析技術(shù)已不能滿足FC總線檢測分析的情況下，設(shè)計了在現(xiàn)代飛行試驗中海量FC總線數(shù)據(jù)檢測分析的關(guān)鍵技術(shù)，采用這些算法設(shè)計了FC總線數(shù)據(jù)檢測分析軟件，解決了FC總線數(shù)據(jù)檢測分析的關(guān)鍵問題。經(jīng)某試驗機試飛實際驗證，該軟件滿足了試飛工程師的FC總線檢測分析需求，為現(xiàn)代飛行試驗航電系統(tǒng)鑒定提供了技術(shù)保障，在飛行試驗總線數(shù)據(jù)檢測分析方面有廣闊的應(yīng)用前景。

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