飛行試驗(yàn)IENA數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)研究

賈 雨 ，吳海東 ，齊禪穎 ，王 爽

（1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院陜西西安710089；2.西安遠(yuǎn)方航空技術(shù)發(fā)展總公司陜西西安710089）

隨著新型、大型飛機(jī)不斷發(fā)展及機(jī)上設(shè)備的升級(jí)，在對(duì)其進(jìn)行試飛測(cè)試時(shí)需要測(cè)試參數(shù)數(shù)量和參數(shù)種類(lèi)越來(lái)越多，且傳輸量呈爆炸式增長(zhǎng)[1]。在這種新形勢(shì)下，采用網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試架構(gòu)越來(lái)越成為試飛測(cè)試方案設(shè)計(jì)的主流，機(jī)載測(cè)試各子系統(tǒng)間通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)的海量傳輸以及多源數(shù)據(jù)融合處理，成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。IENA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析[2]。作為機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理[3-4]的中心環(huán)節(jié)，既要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確從測(cè)試網(wǎng)絡(luò)獲取所需測(cè)試參數(shù)IENA數(shù)據(jù)包，又要求其能夠從所獲取網(wǎng)絡(luò)包中快速提取解算所需參數(shù)[5]。用于實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面顯示或者提交給座艙顯示儀、水配重等系統(tǒng)。參試的機(jī)上試飛工程師從而可以及時(shí)根據(jù)系統(tǒng)解析處理好的監(jiān)控參數(shù)，判定被測(cè)飛機(jī)狀態(tài)及試飛科目完成質(zhì)量，并及時(shí)與試飛員溝通，進(jìn)而提高科目試飛過(guò)程安全性及效率。

文中結(jié)合某型飛機(jī)試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)需求，系統(tǒng)介紹了機(jī)載IENA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)解析方法及關(guān)鍵技術(shù)分析。并有效解決了網(wǎng)絡(luò)包時(shí)間對(duì)齊及無(wú)丟包100%參數(shù)處理問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由前端網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集、IENA包接收解算、客戶(hù)端數(shù)據(jù)分發(fā)組成，各子系統(tǒng)由航空機(jī)載交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互連。當(dāng)前試飛測(cè)試網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)采集器[6-7]主要包括KAM500及UMA2000，該兩種采集器均以IENA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸記錄[8-9]。IENA數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)與前端采集系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，并通過(guò)解析其參數(shù)配置文件獲取相關(guān)參數(shù)結(jié)構(gòu)信息，然后通過(guò)SOCKET套接字方式對(duì)IENA包進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，根據(jù)參數(shù)結(jié)構(gòu)提取需要的參數(shù)并利用校準(zhǔn)信息進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)與客戶(hù)端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)。監(jiān)控客戶(hù)端作為測(cè)試參數(shù)的顯示終端，實(shí)時(shí)接收IENA數(shù)據(jù)處理軟件分發(fā)的解算好的工程量并進(jìn)行顯示與監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 IENA數(shù)據(jù)檢測(cè)分析

飛行測(cè)試設(shè)備（FTI）采用IENA數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)從采集單元到處理單元的傳輸，該格式是從空客A380項(xiàng)目開(kāi)始第一次被使用。這種格式允許一種信號(hào)格式來(lái)輸出多種不同的數(shù)據(jù)格式（比如ARINC，AFDX，CAN，模擬量等等）。

IENA是在傳輸層之上由FTI使用的特殊格式，F(xiàn)TI網(wǎng)絡(luò)基于典型以太網(wǎng)并且使用UDP/IP協(xié)議傳輸IENA數(shù)據(jù)，共定義了5種不同類(lèi)型的參數(shù)，如圖2所示，包括D型-標(biāo)準(zhǔn)含時(shí)延域參數(shù)、N型-標(biāo)準(zhǔn)無(wú)時(shí)延域參數(shù)、M型-含時(shí)延域消息參數(shù)、M型-無(wú)時(shí)延域消息參數(shù)、P型-位置參數(shù)。對(duì)于采用何種參數(shù)類(lèi)型依賴(lài)于采集的數(shù)據(jù)特征以及處理數(shù)據(jù)的方式。對(duì)于每個(gè)給定的IENA鍵值，其中只會(huì)包含一種參數(shù)類(lèi)型。

通過(guò)FTI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建和傳送IENA包的主要規(guī)則如下：

1）一個(gè)系統(tǒng)可以傳送多個(gè)鍵值的IENA包。

2）給定IENA鍵值的所有的包僅包含一個(gè)類(lèi)型的參數(shù)。參數(shù)的數(shù)量以及其出現(xiàn)的順序可以在不同包之間有所不同。

3）每個(gè)參數(shù)只能分配一個(gè)IENA鍵值（即

使機(jī)載處理系統(tǒng)可以復(fù)制用于遠(yuǎn)程傳送的5個(gè)特殊鍵值中的一個(gè)）。

4）IENA包被轉(zhuǎn)化成UDP數(shù)據(jù)包以通過(guò)FTI以太網(wǎng)發(fā)送。IENA包不能被分成多個(gè)不同的UDP數(shù)據(jù)包。

每個(gè)IENA包應(yīng)簽署一個(gè)UDP目標(biāo)端口和一個(gè)IP目標(biāo)地址（不同的鍵值或許會(huì)有相同的UDP、IP目標(biāo)地址）。

圖2 IENA參數(shù)結(jié)構(gòu)

5）同UDP數(shù)據(jù)包最大大小一樣（或是發(fā)送數(shù)據(jù)包的閾值），每個(gè)IENA包最大大小可被定義好并且可以從過(guò)配置文件來(lái)配置。

6）潛伏期，數(shù)據(jù)從采集到IENA包發(fā)送，通過(guò)整個(gè)采集系統(tǒng)的時(shí)間（包含創(chuàng)建IENA包和UDP數(shù)據(jù)包的時(shí)間），不能超過(guò)FTI系統(tǒng)規(guī)定值。典型值是50 ms，通常情況下潛伏時(shí)間會(huì)取代IENA包或UDP大小限制。

由各個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到得數(shù)據(jù)，首先被轉(zhuǎn)換成IENA格式，然后通過(guò)FTI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至記錄裝置以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。從而分發(fā)類(lèi)型為1發(fā)射機(jī)/N接收機(jī)。此外，有些機(jī)載設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)可能會(huì)被一起計(jì)算處理[10]，然后重新通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送（計(jì)算的參數(shù)），例如本文所述的機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于套接字的IENA網(wǎng)絡(luò)包監(jiān)聽(tīng)捕獲

IENA網(wǎng)絡(luò)包監(jiān)聽(tīng)捕獲完成與機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連接，接收測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的IENA數(shù)據(jù)包。機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中，由數(shù)臺(tái)KAM500或UMA2000采集器進(jìn)行各種類(lèi)型測(cè)試參數(shù)的采集，并封裝為IENA格式數(shù)據(jù)包在FTI網(wǎng)絡(luò)中以UDP組播形式進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)中的各種測(cè)試設(shè)備根據(jù)實(shí)際需求獲取各自所需測(cè)試參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件作為機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上的一部分，首先需要與該FTI網(wǎng)絡(luò)建立連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的接收及挑選，并保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

根據(jù)以太網(wǎng)五層模型結(jié)構(gòu)[11]，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件可以從數(shù)據(jù)鏈路層到應(yīng)用層4個(gè)不同的分層分別獲取不同封裝類(lèi)型的數(shù)據(jù)包，對(duì)于數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)說(shuō)從越上層的協(xié)議獲取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理時(shí)越簡(jiǎn)單。IENA屬于應(yīng)用層協(xié)議，因此如果能夠從應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲將會(huì)直接獲得IENA網(wǎng)絡(luò)包進(jìn)行處理，然而當(dāng)前機(jī)載采集器中并沒(méi)有在應(yīng)用層中定義實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，而是采用傳輸層的UDP/IP協(xié)議將多個(gè)IENA數(shù)據(jù)包封裝在UDP組播[12]。數(shù)據(jù)包中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此，IENA實(shí)時(shí)處理軟件在此利用套接字的方式進(jìn)行測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽(tīng)捕獲，這雖然會(huì)導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行IENA數(shù)據(jù)包的提取，但同時(shí)可以避免抓取下層協(xié)議數(shù)據(jù)包時(shí)由于MTU限制造成的數(shù)據(jù)分包問(wèn)題，從而節(jié)約大量的組包時(shí)間。

套接字作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程常用接口，應(yīng)用程序在使用它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)能夠在傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸控制，而不需要過(guò)多關(guān)注底層細(xì)節(jié)。IENA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件根據(jù)采集器XML配置文件的組播地址及端口，利用創(chuàng)建組播套接字，加入機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)試參數(shù)網(wǎng)絡(luò)包。數(shù)據(jù)的獲取流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)獲取流程

3.2 數(shù)據(jù)解析處理

數(shù)據(jù)解析處理根據(jù)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)以及配置文件中參數(shù)的位置定義，將所需參數(shù)原碼從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中提取出來(lái)，然后利用事先定義好的參數(shù)校準(zhǔn)信息實(shí)現(xiàn)碼值到工程量的轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)解析過(guò)程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析流程圖

通過(guò)套接字捕獲的UDP數(shù)據(jù)包中通常包含多個(gè)不同類(lèi)型的IENA包，因此，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件在進(jìn)行測(cè)試參數(shù)的解析處理時(shí)，首先需要根據(jù)IENA包的構(gòu)建和傳送規(guī)則將其從UDP包中準(zhǔn)確定位并提取出來(lái)。然后，根據(jù)根據(jù)五種不同類(lèi)型IENA包的結(jié)構(gòu)及配置文件中各測(cè)試參數(shù)的位置定義分別從不同的IENA包中進(jìn)行提取校準(zhǔn)[13]。

目前，在試飛測(cè)試參數(shù)工程量轉(zhuǎn)化中，常用參數(shù)校準(zhǔn)方式有點(diǎn)對(duì)校準(zhǔn)、直線校準(zhǔn)、多項(xiàng)式校準(zhǔn)等類(lèi)型，IENA實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)針對(duì)各種不同校準(zhǔn)類(lèi)型設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)碼值到工程量的轉(zhuǎn)化。最后，通過(guò)與客戶(hù)端事先約定好的通信協(xié)議，將提取解算好的工程量分發(fā)到監(jiān)控終端或其他測(cè)試設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控或者二次處理再顯示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測(cè)試參數(shù)時(shí)間同步策略

針對(duì)飛行試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)IENA數(shù)據(jù)包，每個(gè)單獨(dú)的IENA數(shù)據(jù)包甚至每一個(gè)參數(shù)都帶有自己獨(dú)立的時(shí)標(biāo)。同一監(jiān)控科目所需要參數(shù)往往存在于多個(gè)不同IENA數(shù)據(jù)包中，且這些IENA包由于參數(shù)類(lèi)型及采樣率的不同往往不是在同一時(shí)刻采集得到的，即不同IENA包中的測(cè)試參數(shù)的通常不是在同一時(shí)刻采集的，但是試飛數(shù)據(jù)分析卻又要求在同一的時(shí)標(biāo)下進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。針對(duì)該采集特性，對(duì)于飛行試驗(yàn)事后數(shù)據(jù)處理而言，針對(duì)不同需求通?？梢圆捎脭?shù)據(jù)擬合[14]或臨近點(diǎn)逼近的方法實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)間的時(shí)間對(duì)齊[15]。而實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)處理具有很高的要求[16]，為快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的時(shí)統(tǒng)分析，在此采用幾乎零耗時(shí)的臨近點(diǎn)逼近策略，并采用提高參數(shù)采樣率及客戶(hù)端顯示刷新速率來(lái)減少不同參數(shù)的對(duì)時(shí)誤差，將其控制在完全符合實(shí)時(shí)監(jiān)控需求的10 ms級(jí)誤差范圍以?xún)?nèi)。

4.2 IENA包100%實(shí)時(shí)接收處理技術(shù)

IENA為網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試架構(gòu)，所有測(cè)試參數(shù)以網(wǎng)絡(luò)包的方式在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量達(dá)到30 Mbps以上并且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小不均勻，理論上機(jī)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件如果對(duì)接收到的UDP數(shù)據(jù)包不能及時(shí)進(jìn)行處理就會(huì)導(dǎo)致丟包現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)的缺失，所以對(duì)接收解析的IENA數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟包檢測(cè)就非常有必要。軟件為了實(shí)現(xiàn)IENA數(shù)據(jù)包的100%處理，采用共享內(nèi)存及多線程處理技術(shù)，對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)包分配各自的處理線程，實(shí)現(xiàn)了軟件在數(shù)據(jù)帶寬達(dá)到55 Mbps的情況下的IENA包無(wú)丟包處理，并對(duì)內(nèi)存管理進(jìn)行優(yōu)化，采用雙緩存區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該機(jī)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件，已成功應(yīng)用于某型飛機(jī)地面聯(lián)試試驗(yàn)及滑行試驗(yàn)過(guò)程中的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試數(shù)據(jù)處理解析當(dāng)中。試驗(yàn)結(jié)果表明該軟件運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)處理及顯示參數(shù)不少于2 000個(gè)，方便試飛工程師對(duì)試飛數(shù)據(jù)有效性快速做出判斷，同時(shí)，對(duì)IENA數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳的合理處理方式，有效地解決了監(jiān)控參數(shù)時(shí)鐘同步分析問(wèn)題，滿足了該機(jī)測(cè)試需求。同時(shí)該軟件對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的突破為以后的機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)處理積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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