試飛機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)及配套條件研究

霍靂+代月松+程瑩瑩

摘要：以試飛機(jī)載測試系統(tǒng)為研究對象，扼要地介紹了新型機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，分析新型測試系統(tǒng)所對應(yīng)建筑物的工藝設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試；飛行試驗；試飛監(jiān)控；遙測

引言：

目前國內(nèi)外新一代飛機(jī)設(shè)計采用的新技術(shù)、新材料、新設(shè)備在大量增加，隨之試飛要求測試參數(shù)的類型和參數(shù)量也在急劇增加，往往一架試驗機(jī)上加改裝的各種測試設(shè)備就可達(dá)幾千臺件，鋪設(shè)的測試電纜重達(dá)幾噸，給試飛測試的實現(xiàn)帶來了極大的困難。為滿足新一代飛機(jī)試飛的需求，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)應(yīng)運而生，本文對機(jī)載測試系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行分析探討，并對相應(yīng)的地面配套條件需求變進(jìn)行研究。

1、新一代飛機(jī)飛行試驗的特點

隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，國外新一代飛機(jī)設(shè)計定型試飛的周期越來越短，以前一個型號需要5～6年才能完成的試驗，現(xiàn)在要在2～3年內(nèi)完成。大量新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的應(yīng)用，使得飛行試驗測試的參數(shù)數(shù)量劇增，新型測試參數(shù)類型大大增加。因此，傳統(tǒng)PCM測試系統(tǒng)架構(gòu)無論從系統(tǒng)的設(shè)計、配套、擴(kuò)展、調(diào)試、測試、維護(hù)和管理，數(shù)據(jù)傳數(shù)量，高精度的時間同步和信息共享等方面已無法滿足新一代飛機(jī)飛行試驗的測試要求。

新一代飛機(jī)飛行試驗與90年代的飛行試驗相比，從飛機(jī)試飛鑒定的周期，測試參數(shù)的類型和參數(shù)數(shù)量到技術(shù)復(fù)雜程度都發(fā)生了重大的變化，它們具有以下主要特點：

* 試飛科目復(fù)雜，技術(shù)難度大：新一代飛機(jī)系統(tǒng)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同樣的試飛科目，在新一代飛機(jī)的試飛中，涉及的影響因素要多得多，系統(tǒng)之間的干擾也增加了飛行試驗的技術(shù)難度。對于很多風(fēng)險科目，新一代飛機(jī)飛行試驗中的風(fēng)險性和技術(shù)難度也大的多；

* 結(jié)構(gòu)完整性試飛/試驗涉及的時間周期長；

* 測試參數(shù)類型多、測量參數(shù)量大、試飛測試技術(shù)要求高：以A380飛機(jī)為例：一架飛機(jī)測試40000多個參數(shù)，，其中模擬量參數(shù)6000多個參數(shù)，遙測傳輸3000多個參數(shù)。各種總線超過800多條，其中ARINC429總線近800條，還有許多400Mbps高速串行總線信號；

* 試飛周期緊，時間節(jié)點要求嚴(yán)格：國外大型飛機(jī)飛行試驗周期一般情況下為2年左右。而技術(shù)復(fù)雜性，試飛難度大的A380飛機(jī)的試飛，取證試飛僅用了1.7年時間；

* 新型網(wǎng)絡(luò)的測試：如A380飛機(jī)采用了航空全雙工數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)AFDX、ARINC664總線等；

* 視頻信號多：如A380飛機(jī)上安裝了各種攝像頭、高速攝像機(jī)和抽引視頻信號多達(dá)64路。

通過下面圖1可以了解空客公司系列客機(jī)機(jī)載測試參數(shù)數(shù)量的快速增長趨勢。

2、機(jī)載測試技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

2.1 PCM架構(gòu)測試技術(shù)特點與局限性

多年來在國內(nèi)外飛行試驗領(lǐng)域，機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)一直把IRIG–106第四章遙測標(biāo)準(zhǔn)即時分制的脈沖編碼調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（簡稱PCM架構(gòu)），作為數(shù)據(jù)傳輸和記錄的標(biāo)準(zhǔn)。這種測試系統(tǒng)架構(gòu)在以往飛機(jī)的飛行試驗中一直得到成功的應(yīng)用。

PCM架構(gòu)的機(jī)載測試系統(tǒng)可以通過軟件編程設(shè)計PCM幀結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照預(yù)先確定的數(shù)據(jù)采集格式循環(huán)采集數(shù)據(jù)，并將采取的數(shù)據(jù)插入PCM數(shù)據(jù)流，分別送入遙測傳輸和記錄系統(tǒng)。具有穩(wěn)定、可靠的優(yōu)勢，其系統(tǒng)配置是固定的，帶寬是已知的；無數(shù)據(jù)重復(fù)傳播；無數(shù)據(jù)沖突等特點。

然而在實際應(yīng)用中，隨著PCM架構(gòu)的機(jī)載測試系統(tǒng)不斷擴(kuò)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，設(shè)計、配套、擴(kuò)展、調(diào)試、測試、維護(hù)和管理越來越困難，直接影響到了飛行試驗的效率和試飛的周期，PCM架構(gòu)機(jī)載測試系統(tǒng)已無法滿足大型飛機(jī)海量測試參數(shù)及測量參數(shù)類型多、測量點多、參數(shù)分布廣、試飛風(fēng)險高，時間節(jié)點要求嚴(yán)格要求的現(xiàn)狀。

2.2 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)特點與應(yīng)用

隨著許多商用技術(shù)的不斷發(fā)展，歐、美國家早在九十年代末期就結(jié)合航空工業(yè)的需要，率先開展了機(jī)載網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)的深入研究工作，把許多成熟的技術(shù)，尤其是以太網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用到飛行試驗測試系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計中。

（1）機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)簡介

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)架構(gòu)具有所有商業(yè)貨架產(chǎn)品的優(yōu)勢：開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于所有IT領(lǐng)域，高可靠性，易于獲取、便于使用、成本低廉、維護(hù)和升級簡單方便；傳輸距離沒有限制；能接入機(jī)載航空網(wǎng)絡(luò)如 AFDX 和 ARINC664。相對于PCM 它還有其它的優(yōu)勢：首先，PCM 采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集到發(fā)送之間存在一個串行的鏈路；而以太網(wǎng)以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送數(shù)據(jù)；設(shè)備之間連接簡單，所需電纜少；設(shè)備配套靈活，不需要專用的加載設(shè)備；各個采集節(jié)點之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；另外，目前最先進(jìn)的PCM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最高位速率約為20Mbps， 而以太網(wǎng)則能達(dá)到100Mbps、1Gbps。

在一個千兆網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測試系統(tǒng)中，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以設(shè)計為二層至三層。二層或三層根據(jù)具體測試參數(shù)和飛機(jī)上分布的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及選用的主控交換機(jī)交換端口來確定。通常二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能夠連接數(shù)十個機(jī)載測試設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以滿足幾萬個測試參數(shù)的需求。圖2是一個典型的二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中底層由多組機(jī)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器機(jī)箱組成，每組包含多個非管理型二級網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和多臺采集器機(jī)箱，多組機(jī)箱最終連接到管理型且支持主控時鐘的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。

（2）機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)應(yīng)用分析

2000年以后歐洲的空客A380大型客機(jī)和美國的波音787客機(jī)相繼進(jìn)入飛行試驗階段，為了滿足試飛測試任務(wù)的需求，上述飛機(jī)的機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)采用了以太網(wǎng)加PCM混合架構(gòu)即機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)級聯(lián)仍采用主輔結(jié)構(gòu)，在每一條鏈路中的主采集器輸出一路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，多臺主采集器輸出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)再分別傳輸?shù)綑C(jī)載數(shù)據(jù)記錄器、機(jī)載數(shù)據(jù)實時處理等子系統(tǒng)中。A380大型客機(jī)機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 A380飛機(jī)機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

A380大型客機(jī)機(jī)載測試局域網(wǎng)在試飛中得到了成功的應(yīng)用，解決了以下幾個問題：

* 實現(xiàn)了系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)共享，解決了大容量采集數(shù)據(jù)的傳輸；

* 解決了多個采集鏈路實時遙測數(shù)據(jù)的傳輸；

* 系統(tǒng)不同子系統(tǒng)間達(dá)到毫秒級的時間同步精度。

機(jī)載測試局域網(wǎng)雖然在試飛中得到了成功的應(yīng)用，但由于該系統(tǒng)中機(jī)載數(shù)據(jù)采集器架構(gòu)仍基于主、輔鏈接，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，還有以下問題沒有解決需要改進(jìn)。

* 沒有解決采集器主、輔鏈接需要測試電纜太多的難題；

* 寬帶數(shù)據(jù)采集只能通過自主采集來實現(xiàn)，一臺采集器實際應(yīng)用的最高位速率仍≤7Mbps，使測試寬帶數(shù)據(jù)的成本增加；

* 沒有實現(xiàn)系統(tǒng)高精度時間同步；

* 機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集程序的設(shè)計、配套、調(diào)試、維護(hù)和管理仍然十分困難，系統(tǒng)的擴(kuò)展和裁減十分復(fù)雜；

* 主控網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用的是工業(yè)加固交換機(jī)，測試數(shù)據(jù)通過交換機(jī)傳輸效率只有30%、主控交換機(jī)不支持IEEE1588 V1協(xié)議，不具備機(jī)載測試環(huán)境下的多種時間同步策略，且時間延遲大，交換機(jī)不滿足機(jī)載環(huán)境條件，無法在飛機(jī)的各個部位安裝，上電不能立即工作；

* 機(jī)載測試系統(tǒng)缺乏故障診斷；

* 機(jī)載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的高速記錄數(shù)據(jù)的通道和位速率不滿足新一代飛機(jī)試飛需求；

* 沒有高速卸載數(shù)據(jù)的地面支持設(shè)備等。

通過A380和波音787客機(jī)的飛行試驗驗證，網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在機(jī)載測試系統(tǒng)中能夠安全可靠的使用。為了進(jìn)一步提高試飛效率，加快新機(jī)設(shè)計定型的進(jìn)度，可以采用完全網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)載測試系統(tǒng)架構(gòu)來解決以太網(wǎng)加PCM混合架構(gòu)存在以上技術(shù)缺陷。

3、試飛測試地面配套條件建設(shè)規(guī)劃

新一代飛機(jī)飛行試驗具有試飛科目復(fù)雜、測試數(shù)據(jù)量大等特點，這就需要地面配套更多的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、更快的數(shù)據(jù)處理能力、更大的試飛數(shù)據(jù)顯示條件等。試飛監(jiān)控中心是地面監(jiān)控設(shè)施的承載建筑物，本文以某單位試飛監(jiān)控中心設(shè)計方案為例，對新一代飛機(jī)采用機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的情況下，對地面配套條件造成的影響進(jìn)行分析。

圖4 某單位試飛監(jiān)控中心布局

某單位試飛監(jiān)控中心由遙測機(jī)房、控制室、監(jiān)控大廳、大屏幕維護(hù)室。試飛監(jiān)控中心布局如圖所示。

（1）遙測機(jī)房

遙測機(jī)房主要用于存放數(shù)據(jù)存儲機(jī)柜、數(shù)據(jù)處理機(jī)柜等，完成試飛遙測數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理等工作。

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的應(yīng)用使得遙測數(shù)據(jù)量大大增加，數(shù)據(jù)存儲能力及數(shù)據(jù)處理能力均需要得到相應(yīng)的提升，數(shù)據(jù)處理機(jī)柜及數(shù)據(jù)存儲機(jī)柜的數(shù)量也就相應(yīng)的需要增加，且需要考慮預(yù)留發(fā)展，因此在今后的試飛監(jiān)控中心的規(guī)劃設(shè)計中，需要為遙測機(jī)房留有足夠的面積。遙測機(jī)房所存儲的試飛數(shù)據(jù)重要程度較高，且需要承擔(dān)試飛數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的任務(wù)，因此遙測機(jī)房至少需要按照C類機(jī)房進(jìn)行設(shè)計。

（2）控制室

控制室用于控制整個試飛監(jiān)控大廳的遙測數(shù)據(jù)接收、存儲、處理、顯示等一系列工作。

考慮到遙測數(shù)據(jù)量的增加及預(yù)留發(fā)展，需要為控制室留有足夠的面積。且控制室也承擔(dān)著部分參觀的任務(wù)，在保證控制臺、工作人員工作區(qū)域及工作人員走廊寬度的基礎(chǔ)上，需要留有足夠?qū)挾鹊膮⒂^走廊。

（3）監(jiān)控大廳

監(jiān)控大廳主要承擔(dān)型號飛機(jī)試飛觀演的任務(wù)，主要包括領(lǐng)導(dǎo)觀演區(qū)、監(jiān)控區(qū)、演講區(qū)。監(jiān)控大廳一般跨度及長度較大，以本監(jiān)控大廳為例，跨度23.4米、長度30米，屬于我國近幾年建設(shè)的大型監(jiān)控大廳，該監(jiān)控大廳布置一套由33塊80英寸DLP背投顯示器組成的大屏幕，為滿足屏幕安裝高度及監(jiān)控大廳的舒適度，該監(jiān)控大廳采用兩層通高設(shè)計。

（4）大屏幕維護(hù)室

大屏幕維護(hù)室主要用于對監(jiān)控大廳的大屏幕進(jìn)行維修、溫度保障等維護(hù)工作。由于DLP大屏幕較為精密，其后端溫度要求較高，溫度變化小于0.5℃/小時，溫度范圍：20～24℃。為了保證拼接屏幕不至于因為兩側(cè)溫差較大而出現(xiàn)中間區(qū)域突出的現(xiàn)象， 需要控制大屏幕兩側(cè)溫差不大于5℃。因此，大屏幕維護(hù)室需要配置精密空調(diào)，以保證大屏幕對溫度的苛刻要求。

4、結(jié)束語

隨著C919等大型飛機(jī)研制工作的展開，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)以其高效的傳輸速度、靈活的設(shè)備配套等優(yōu)點，是未來試飛測試的必然趨勢。另外，隨著試飛測試技術(shù)的發(fā)展，試飛監(jiān)控中心的規(guī)劃建設(shè)也需要隨著試飛測試工藝需求進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

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