基于遙測數(shù)據(jù)共享的無人機(jī)試飛監(jiān)測技術(shù)研究

付 磊，彭 壯，呂當(dāng)俠，田 峰，嚴(yán) 杰

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091)

0 引言

試驗(yàn)試飛是無人機(jī)研制過程中的重要一環(huán)，目前對于試飛監(jiān)測系統(tǒng)的研究多集中于提高機(jī)載數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備的性能、豐富地面數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能[1-5]，但是試飛監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)仍避免不了“量身定做”，飛機(jī)平臺上需要考慮機(jī)載數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備的安裝接口及電氣接口，試飛監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與無人機(jī)平臺本身的設(shè)計(jì)高度耦合，由此造成了試飛監(jiān)測系統(tǒng)通用性差，不同型號項(xiàng)目重復(fù)設(shè)計(jì)等問題。

針對上述問題，考慮與無人機(jī)地面控制站共享遙測數(shù)據(jù)，研究了一種輕量化的試飛監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)為載車及方艙的形式，通過與無人機(jī)地面控制站交聯(lián)，共享機(jī)載遙測數(shù)據(jù)，不需要對機(jī)載平臺進(jìn)行任何更改。試飛監(jiān)測軟件針對不同專業(yè)試飛工程師個性化定制試飛監(jiān)測界面，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)試飛狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，具有通用性強(qiáng)、輕量化的優(yōu)點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)的無人機(jī)試飛監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的無人機(jī)試飛監(jiān)測系統(tǒng)包含機(jī)載數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)(ADAS)和地面數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)(GDAS)。機(jī)載數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)加裝在機(jī)載平臺上，包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、遙測設(shè)備、各類傳感器及攝像頭，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)信息鏈路下傳等功能。

一般情況下，ADAS通過接入原飛行平臺的通信總線采集各類飛行數(shù)據(jù)，通過加裝的各類傳感器采集應(yīng)變、振動、溫度等信號，通過加裝的攝像頭采集視頻信號。ADAS將采集的所有數(shù)據(jù)記錄，并將部分?jǐn)?shù)據(jù)通過飛行監(jiān)測數(shù)據(jù)鏈下傳至GDAS，GDAS對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算還原顯示，供地面人員實(shí)時監(jiān)視使用。

另一方面，位于地面的無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)通過無線鏈路與飛行平臺交互，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的監(jiān)視與控制。指揮控制系統(tǒng)和試飛監(jiān)測系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式如圖1所示。

圖1 指揮控制系統(tǒng)和試飛監(jiān)測系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式

2 輕量化試飛監(jiān)測系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的試飛監(jiān)測系統(tǒng)由于需要在機(jī)載平臺加裝設(shè)備，必須考慮加裝設(shè)備的機(jī)械接口和電氣接口，使得試飛測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與飛行平臺的設(shè)計(jì)高度耦合，令本可通用化的試飛測試系統(tǒng)一直處于“專機(jī)專用”的境地，同時也對無人機(jī)飛行平臺的設(shè)計(jì)造成影響。另外無人機(jī)的鏈路設(shè)備與試飛監(jiān)測系統(tǒng)的遙測設(shè)備的功能本質(zhì)均為完成地空數(shù)據(jù)交互，二者在功能上存在著重疊。

其次，無人機(jī)與有人機(jī)相比，其指揮控制系統(tǒng)位于地面，飛機(jī)的狀態(tài)信息均通過無線鏈路下傳至地面，由地面控制站上的飛行員完成監(jiān)控任務(wù)。由于無人機(jī)飛行員不像有人機(jī)一樣在飛機(jī)座艙中，無線鏈路下傳的數(shù)據(jù)必須支持飛行員的監(jiān)控和處置。因此無人機(jī)通過遙測鏈路下傳的信息異常豐富，不僅能滿足飛行員的需求，也能夠滿足試飛工程師對飛機(jī)狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測的需求。

最后，通過對無人機(jī)典型任務(wù)過程的業(yè)務(wù)流程的梳理，指揮控制系統(tǒng)與試飛監(jiān)測系統(tǒng)具有如圖2所示的共性業(yè)務(wù)流程。兩個系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析等技術(shù)上具有一致性，僅僅最終面對的用戶有所區(qū)別。指揮控制系統(tǒng)面向無人機(jī)飛行員，除了監(jiān)視以外還需要對無人機(jī)進(jìn)行操控；試飛監(jiān)測系統(tǒng)面向試飛工程師，試飛工程師的專業(yè)劃分使得試飛監(jiān)測界面常常也需要按照機(jī)電、航電、飛控、動力等專業(yè)方向設(shè)計(jì)界面。從業(yè)務(wù)流程的角度，指揮控制系統(tǒng)與飛行監(jiān)測系統(tǒng)具有極強(qiáng)的相似性。

圖2 指揮控制系統(tǒng)和試飛監(jiān)測系統(tǒng)的共性業(yè)務(wù)流程

基于以上三點(diǎn)原因，本著簡化設(shè)計(jì)提高通用性的原則，考慮取消傳統(tǒng)試飛監(jiān)測系統(tǒng)的機(jī)載部分，僅保留地面部分，充分利用無人機(jī)本身遙測信息豐富的優(yōu)勢，與地面指揮控制系統(tǒng)共享無人機(jī)鏈路及遙測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輕量化試飛監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

輕量化的試飛監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示，無人機(jī)通過無線數(shù)據(jù)鏈路傳輸平臺的下行數(shù)據(jù)信息，地面指揮控制系統(tǒng)通過其綜合處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的分發(fā)和存儲，同時將無人機(jī)下行數(shù)據(jù)傳輸給試飛監(jiān)測系統(tǒng)。整個過程中將原有的ADAS和GDAS系統(tǒng)與飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，充分共享系統(tǒng)資源，同時共用鏈路設(shè)備。

圖3 試飛監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)型

3 試飛監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

試飛監(jiān)測軟件應(yīng)具有的功能模塊包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放等。每個模塊具體功能如表1所示。試飛監(jiān)測軟件啟動完成后，默認(rèn)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)模式，自動選擇網(wǎng)絡(luò)，自動選擇鏈路，接收相應(yīng)通道以及鏈路的數(shù)據(jù)解析并顯示。在標(biāo)準(zhǔn)模式下可以強(qiáng)制選擇A網(wǎng)絡(luò)、B網(wǎng)絡(luò)，也可以強(qiáng)制選擇鏈路1、鏈路2，并且可以在需要的情況下開始、停止保存數(shù)據(jù)。切換到回放模式，可以做除了保存數(shù)據(jù)以外的標(biāo)準(zhǔn)模式下的任何操作。同時回放模式下，可以調(diào)整回放速度、跳轉(zhuǎn)至選中的數(shù)據(jù)幀。試飛監(jiān)測軟件的主要執(zhí)行流程如圖4所示。

表1 試飛監(jiān)測軟件模塊的具體功能

圖4 試飛監(jiān)測軟件執(zhí)行流程圖

4 基于配表的遙測數(shù)據(jù)解析技術(shù)

數(shù)據(jù)解析功能是試飛監(jiān)測軟件的主要功能，傳統(tǒng)的解析方法是按照數(shù)據(jù)要素定義結(jié)構(gòu)體，在根據(jù)遙測數(shù)據(jù)格式手動完成每個要素的解析，即該功能模塊是針對型號的具體要求進(jìn)行定制開發(fā)，由于無人機(jī)的下傳的遙測數(shù)據(jù)量較為龐大，因此該方法的軟件開發(fā)及維護(hù)工作量都非常大，當(dāng)下一個型號開始研制時，需進(jìn)行重復(fù)開發(fā)。

本文通過分析顯控類軟件的需求，抽象通用流程，采用基于配表的遙測數(shù)據(jù)解析技術(shù)，形成通用軟件架構(gòu)，從而使各型號之間的不同需求(遙控與遙測數(shù)據(jù))與軟件的框架相隔離，面對顯控要素的變更僅需要更改界面和配置文件即可，不需要對軟件框架進(jìn)行任何修改。遙測數(shù)據(jù)配表示例如表2所示，遙測數(shù)據(jù)解析功能對比如圖5所示。

表2 遙測數(shù)據(jù)配表示例

圖5 遙測數(shù)據(jù)解析功能對比

5 系統(tǒng)應(yīng)用與分析

本文研究的試飛監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在飛行監(jiān)測中得到應(yīng)用，極

大地減少了試飛測試改裝的工作量，縮短了無人機(jī)系統(tǒng)的研制周期。由于采用了基于配表的遙測數(shù)據(jù)解析技術(shù)，系統(tǒng)通用化程度高，面對顯控要素的變更僅需要更改界面和配置文件，無須對試飛監(jiān)測軟件核心代碼進(jìn)行更改。結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足試飛監(jiān)測需求，相比于傳統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備結(jié)合的試飛監(jiān)測系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、輕量化等特點(diǎn)。

6 結(jié)束語

本文針對無人機(jī)試飛監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立定制開發(fā)引起的通用性、可移植性差，開發(fā)周期長，人力成本高問題，研究了一種與地面指揮控制系統(tǒng)共享遙測數(shù)據(jù)鏈路的試飛監(jiān)測系統(tǒng)，該試飛監(jiān)測系統(tǒng)僅通過與無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)交聯(lián)，滿足各專業(yè)試飛工程師的試飛監(jiān)測需求。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用了基于配表的數(shù)據(jù)解析方式，對其他顯控類軟件的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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