航電系統(tǒng)集成測(cè)試技術(shù)應(yīng)用研究

徐永強(qiáng)

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)已經(jīng)成為直升機(jī)最為關(guān)鍵的組成部分，對(duì)于提升整機(jī)的作戰(zhàn)效能、技術(shù)性能和安全性、可靠性起到了關(guān)鍵作用[1]。

由于直升機(jī)承載的任務(wù)、功能越來越多，航電已成為軍用直升機(jī)研發(fā)預(yù)算中最大的部分。粗略估計(jì)，新一代直XX型機(jī)有70%的預(yù)算花在航電系統(tǒng)上[1]。系統(tǒng)集成技術(shù)更是整個(gè)直升機(jī)的重中之重。新型直升機(jī)的電子系統(tǒng)復(fù)雜度越來越高，改進(jìn)調(diào)試周期越來越長(zhǎng)，從初期設(shè)計(jì)到定型需要多輪變化，對(duì)集成測(cè)試平臺(tái)的要求越來越高。

隨著航空電子系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，各系統(tǒng)間的交聯(lián)和協(xié)作關(guān)系日益復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)的集成效率，減少人力和時(shí)間的成本，必須采用科學(xué)的方法，以降低試驗(yàn)測(cè)試的復(fù)雜度，加快交付進(jìn)度。

1 集成測(cè)試的基本方法和過程管理

系統(tǒng)集成測(cè)試主要包括航空電子系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)的綜合集成測(cè)試。集成測(cè)試技術(shù)主要包括系統(tǒng)總體、總線技術(shù)、軟件控制技術(shù)與研制技術(shù)、硬件配置集成技術(shù)及應(yīng)用等。

科學(xué)高效的系統(tǒng)集成方法是：從全系統(tǒng)的數(shù)字仿真開始，將數(shù)字仿真模型轉(zhuǎn)變成為具有真實(shí)物理接口的實(shí)時(shí)仿真模型，通過真實(shí)件與仿真件的逐一替換，逐步完成整個(gè)航電系統(tǒng)的集成工作。這一方法有利于在集成的工程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位問題。

航空電子系統(tǒng)的測(cè)試一般采用“激勵(lì)-響應(yīng)”測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種方法，借助自動(dòng)化的測(cè)試技術(shù)，通過測(cè)試用例的形式將測(cè)試過程固化下來，并與測(cè)試結(jié)果協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試問題的跟蹤回歸。測(cè)試用例的跟蹤回歸見圖1。 對(duì)于復(fù)雜的航空電子綜合系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)試過程需進(jìn)行有序的管理，包括測(cè)試流程管理、試驗(yàn)構(gòu)型管理、測(cè)試用例管理、測(cè)試問題的管理和測(cè)試數(shù)據(jù)的收集管理等。集成測(cè)試過程是以測(cè)試管理系統(tǒng)為中心，建立航電實(shí)物系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、座艙、飛行儀表等系統(tǒng)之間的交聯(lián)關(guān)系，形成一體化航電系統(tǒng)的集成、測(cè)試和交付。測(cè)試管理流程圖見圖2。

圖1 測(cè)試用例的跟蹤回歸示意圖

圖2 測(cè)試管理流程示意圖

2 航電系統(tǒng)集成測(cè)試

2.1 航電產(chǎn)品的全實(shí)物集成測(cè)試方法

航電系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)環(huán)境支持航電實(shí)物產(chǎn)品的硬件閉環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)物產(chǎn)品的邏輯功能、時(shí)域特性、頻域特性、接口特性等是否滿足設(shè)計(jì)要求，以及和機(jī)載其他系統(tǒng)的通信連接。將實(shí)物產(chǎn)品通過綜合適配/調(diào)理/斷聯(lián)設(shè)備與其他機(jī)載(仿真)系統(tǒng)相連。當(dāng)然，也可以支持航電系統(tǒng)半實(shí)物測(cè)試方式，即根據(jù)試驗(yàn)需要通過實(shí)物仿真切換設(shè)備先將航電產(chǎn)品的仿真子系統(tǒng)接入，逐步地進(jìn)行實(shí)物產(chǎn)品的替換，最終達(dá)到航電產(chǎn)品全實(shí)物狀態(tài)的集成測(cè)試驗(yàn)證。全實(shí)物測(cè)試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果，通過試驗(yàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，并與虛擬原型階段生成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論，評(píng)測(cè)航電實(shí)物產(chǎn)品的特性是否滿足設(shè)計(jì)要求。如不滿足，再進(jìn)行新的迭代設(shè)計(jì)過程。

2.2 航電系統(tǒng)演示驗(yàn)證

航電系統(tǒng)仿真測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境應(yīng)該采用開放式的設(shè)計(jì)架構(gòu)，基于層次化的設(shè)計(jì)模式，將上層模型與接口進(jìn)行解耦分離，使頂層業(yè)務(wù)不再受底層資源的限制，可靈活實(shí)現(xiàn)不同算法和應(yīng)用部署。以1553B仿真子系統(tǒng)為例，1553B接口部分采用適配技術(shù)進(jìn)行API的二次封裝，形成標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用，隔離不同廠家的差異，不再受硬件型號(hào)的限制；1553B協(xié)議部分采用通用的解析和編碼模塊，針對(duì)不同的ICD接口協(xié)議完成自動(dòng)編碼解析，適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。采用這種方法設(shè)計(jì)的仿真子系統(tǒng)不再受硬件和接口協(xié)議的限制，不同的應(yīng)用只需維護(hù)配置項(xiàng)即可，因此可支持不同的上層數(shù)學(xué)模型，擴(kuò)展型號(hào)，可伸縮可裁剪。通俗來說，在某型號(hào)仿真子系統(tǒng)上運(yùn)行什么模型，該仿真子系統(tǒng)就是什么模型仿真子系統(tǒng)，而不再像傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)那樣要提前定義好，改變了還需要新研。

這種模式還可以用于新技術(shù)的開發(fā)和驗(yàn)證。新的業(yè)務(wù)模型通過建模設(shè)計(jì)，借助已經(jīng)部署好的底層硬件資源和中間層適配資源，構(gòu)建新的模型仿真系統(tǒng)，接入整個(gè)仿真測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行集成試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 系統(tǒng)組成

所搭建的集成測(cè)試平臺(tái)通過以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)仿真子系統(tǒng)。以太網(wǎng)主要用于非實(shí)時(shí)任務(wù)，如試驗(yàn)過程管理、腳本下載以及后期的數(shù)據(jù)處理等；反射內(nèi)存網(wǎng)用于試驗(yàn)過程中各個(gè)仿真子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。

航電系統(tǒng)通過仿真驗(yàn)證環(huán)境主要由試驗(yàn)管理系統(tǒng)、綜合適配/調(diào)理/斷連設(shè)備、航電仿真系統(tǒng)、航電實(shí)物系統(tǒng)、飛控實(shí)物/仿真系統(tǒng)、機(jī)電實(shí)物/仿真系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、座艙系統(tǒng)、飛行儀表等組成：

1)試驗(yàn)管理系統(tǒng)：主要由一組軟件組成，進(jìn)行試驗(yàn)任務(wù)的規(guī)劃下載、試驗(yàn)過程的控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)以及后期處理等；

2)綜合適配/調(diào)理/斷連設(shè)備：完成422/429/硬線等低速信號(hào)的斷開/連接、適配、調(diào)理等功能，完成航電實(shí)物信號(hào)/仿真信號(hào)之間的切換邏輯，完成物理層和電氣層的故障注入，其他高速總線信號(hào)通過交換機(jī)或中繼器進(jìn)行互聯(lián)；

3)航電仿真系統(tǒng)：由若干個(gè)不同接口類型的仿真子系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)CAN、1553B、429、422、AFDX、FC、硬線等接口的航電系統(tǒng)仿真和協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)上，考慮使用工控機(jī)+接口板卡+仿真軟件，開發(fā)仿真軟件處理各種物理接口和ICD協(xié)議；

4)航電實(shí)物系統(tǒng)：航電系統(tǒng)內(nèi)的各種實(shí)物產(chǎn)品；

5)飛行仿真系統(tǒng)，通過反射內(nèi)存與航電仿真系統(tǒng)、其他仿真系統(tǒng)相連，交互閉環(huán)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.4 運(yùn)行控制

集成測(cè)試運(yùn)行管理過程圖見圖3。

圖3 集成測(cè)試運(yùn)行管理過程圖

首先以航電仿真系統(tǒng)為對(duì)象，建立飛控系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、綜合適配/調(diào)理/斷連設(shè)備之間的試驗(yàn)條件，以試驗(yàn)管理系統(tǒng)為控制核心，對(duì)仿真的各個(gè)航電子系統(tǒng)的接口、協(xié)議、邏輯等進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)有航電實(shí)物產(chǎn)品需要接入時(shí)，斷開相應(yīng)的仿真子系統(tǒng)，實(shí)物信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，逐步替換掉仿真子系統(tǒng)，達(dá)到整個(gè)航電系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證的目的。在有些航電實(shí)物產(chǎn)品不滿足條件時(shí)，用仿真也可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)，不影響試驗(yàn)和交付進(jìn)度。

1)當(dāng)航電子系統(tǒng)接口為1553B時(shí)，可以通過拔掉1553B網(wǎng)絡(luò)上的仿真子系統(tǒng)的插頭實(shí)現(xiàn)，也可以通過試驗(yàn)管理系統(tǒng)關(guān)閉仿真子系統(tǒng)中的軟件；

2)當(dāng)航電子系統(tǒng)接口為AFDX時(shí)，可以通過拔掉交換機(jī)上仿真子系統(tǒng)的插頭實(shí)現(xiàn)，也可以通過試驗(yàn)管理系統(tǒng)關(guān)閉仿真子系統(tǒng)中的軟件；

3)當(dāng)航電子系統(tǒng)接口為FC時(shí)，可以通過拔掉FC交換機(jī)上的仿真子系統(tǒng)的插頭實(shí)現(xiàn)，也可以通過試驗(yàn)管理系統(tǒng)關(guān)閉仿真子系統(tǒng)中的軟件實(shí)現(xiàn)；

4)當(dāng)航電子系統(tǒng)接口為422/429硬線時(shí)，可通過實(shí)物仿真切換設(shè)備進(jìn)行繼電器開關(guān)切換。

當(dāng)有不同廠家不同型號(hào)的航電系統(tǒng)需要介入系統(tǒng)時(shí)，只需根據(jù)產(chǎn)品接線表更改與中和適配/調(diào)理/斷連設(shè)備之間的連接插頭即可，其他部分不用做改動(dòng)。

整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試過程有試驗(yàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度、運(yùn)行和控制，包括實(shí)物仿真的切換、數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、試驗(yàn)測(cè)試的監(jiān)控運(yùn)行、故障的注入等。另一個(gè)重要的功能就是將試驗(yàn)大綱轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)測(cè)試任務(wù)，生成測(cè)試序列或測(cè)試樣本，并下載至仿真系統(tǒng)中運(yùn)行，完成自動(dòng)測(cè)試。

2.5 集成與測(cè)試的主要功能

綜合航空電子系統(tǒng)集成與測(cè)試的主要功能包括：

1)試驗(yàn)構(gòu)型管理功能，支持真件與仿真件增量式、迭代式集成，利于問題復(fù)現(xiàn)和故障定位；

2)程控的供配電管理功能，對(duì)參試設(shè)備的電源、電流進(jìn)行同步采集；

3)綜合化模塊化仿真功能，支持全數(shù)字仿真模式與實(shí)物仿真模式的一鍵切換，可直接復(fù)用系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果；

4)激勵(lì)-響應(yīng)式測(cè)試方法，為參試設(shè)備提供激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)其相應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

5)動(dòng)態(tài)綜合測(cè)試方法，建立實(shí)時(shí)的飛行環(huán)境和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真，并對(duì)交聯(lián)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)并行仿真模擬，為各參試設(shè)備提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)激勵(lì)和半物理仿真測(cè)試環(huán)境，從而完成被測(cè)試產(chǎn)品基于任務(wù)剖面的評(píng)估和驗(yàn)證；

6)能夠提供自動(dòng)化測(cè)試方法，支持測(cè)試庫(kù)、測(cè)試腳步的擴(kuò)展；

7)能夠提供物理層、電氣層和協(xié)議層的故障注入功能，支持故障模式和故障序列的配置，實(shí)現(xiàn)故障注入的自動(dòng)化測(cè)試；

8)能夠支持航電、飛控、導(dǎo)航和機(jī)電等系統(tǒng)跨區(qū)域的集成聯(lián)試；

9)測(cè)試流程和測(cè)試數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，支持不同格式試驗(yàn)數(shù)據(jù)的集成，支持?jǐn)?shù)據(jù)分析算法的擴(kuò)展和自定義。

3 集成測(cè)試的主要特點(diǎn)

1)完整性：開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)-研發(fā)-集成-測(cè)試-飛機(jī)級(jí)集成-交付；支持航電、飛控、機(jī)電等全機(jī)多系統(tǒng)的仿真、集成和驗(yàn)證；覆蓋全數(shù)字-全實(shí)物各階段。

2)通用性：應(yīng)具有柔性設(shè)計(jì)，具有模塊化、自動(dòng)化、可配置和可擴(kuò)展等特點(diǎn)；集成多種類I/O；支持不同規(guī)模的試驗(yàn)構(gòu)型和測(cè)試用例。

3)擴(kuò)展性：分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)定性和開放性，易于擴(kuò)展和維護(hù)；軟硬件均采用模塊化和綜合化設(shè)計(jì)，模型、I/O、節(jié)點(diǎn)均可增加和擴(kuò)充。

4 結(jié)論

集成測(cè)試需要多專業(yè)參與航電綜合集成測(cè)試，需要提供飛行姿態(tài)的數(shù)學(xué)模型，需要提供仿真模塊以及測(cè)試用例、故障模擬等，還需要注入飛控的數(shù)學(xué)模型。各個(gè)硬件提供方共同搭建仿真測(cè)試平臺(tái)，并完成系統(tǒng)集成測(cè)試交付等工作。

集成測(cè)試平臺(tái)的投入是一次性的，可與型號(hào)的技改結(jié)合建設(shè)，能產(chǎn)生的產(chǎn)值是相當(dāng)可觀的。還可以滿足航電系統(tǒng)演示、參觀接待、對(duì)外宣傳、技術(shù)營(yíng)銷等新技術(shù)的開發(fā)和展示要求。

本文闡述了基于模塊化設(shè)計(jì)的新型航空電子集成測(cè)試平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，包括典型的架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和主要特點(diǎn)等，為搭建靈活且功能強(qiáng)大的航空電子集成測(cè)試平臺(tái)提供了基本的理論基礎(chǔ)。另外，基于該理論，不但可以提高平臺(tái)的開發(fā)效率，而且能夠提供集成測(cè)試平臺(tái)的靈活性、重要性，降低研制和人工成本。