民機機載實時處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

房 瑾 張國旺 祁春

中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089

引言

ARJ21是我國自行研制的新型渦扇支線飛機，飛機機體大，測試參數(shù)分布廣，測試參數(shù)種類多，采樣率高，因此ARJ21新支線飛機的試飛對測試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的基于PCM體系的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不能滿足該型飛機的試飛要求，ARJ21采用PCM和以太網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)的機載測試模式，把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過服務(wù)器的處理和篩選，一方面?zhèn)鬏斀o機載實時處理系統(tǒng)，供機上試飛工程師實監(jiān)控，另一方面通過PCM 生成器將篩選過的信號傳輸給遙測，進行地面監(jiān)控。機上參試的試飛工程師根據(jù)系統(tǒng)提供的監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以在較短時間內(nèi)判定試驗過程或飛行動作的質(zhì)量，及時與飛行員協(xié)商，采取對策，從而保證試飛安全，提高試飛效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ARJ21機載實時處理系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)，實時監(jiān)控系統(tǒng)組成。前端數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)進行打包處理發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的挑選及工程量轉(zhuǎn)換；實時監(jiān)控系統(tǒng)顯示試飛測量參數(shù)。即時提供可信的定量的數(shù)據(jù)。

1.1 前端數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)

前端數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)采集設(shè)備采用KAM500和M770兩種通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，KAM500將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)輸出端口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

M770將采集的參數(shù)通過PCM碼/幀同步板進行碼、幀同步后,經(jīng)PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換，生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PCM生成器、服務(wù)器等。

PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換模塊工作流程為：讀取前端配置文件，對PCM反變換板卡初始化，待PCM數(shù)據(jù)流同步鎖定后，接收PCM幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包后，以UDP協(xié)議廣播方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時采集與處理系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時采集與處理系統(tǒng)在整個機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中處于中心地位，它聯(lián)系著前端數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)與實時監(jiān)控系統(tǒng)，并且也聯(lián)系著機載實時系統(tǒng)和地面實時系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括服務(wù)器和PCM生成器兩部分，服務(wù)器接收由前端數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)所發(fā)送的PCM數(shù)據(jù)包，接收KAM500網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，按照配置文件提取實時處理所需參數(shù)的碼值并且按照校準類型進行物理量轉(zhuǎn)化，將物理量以數(shù)據(jù)包的形式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送監(jiān)控臺；PCM生成器接收PCM前端和KAM500采集器發(fā)送過來的網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)，從中挑選出需要遙測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PCM幀數(shù)據(jù)，生成NRZ-Lf信號，然后通過天線發(fā)送到地面的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 實時監(jiān)控子系統(tǒng)

實時監(jiān)控子系統(tǒng)主要包括監(jiān)控工作站和座艙顯示儀，該系統(tǒng)和服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，向服務(wù)器發(fā)送請求，接收服務(wù)器發(fā)送的測試參數(shù)。根據(jù)課題需要在每臺監(jiān)控工作站制作多個畫面，畫面可以任意切換。實時以數(shù)字、曲線、表格等形式顯示測試參數(shù)，并且按照預(yù)警要求進行告警。

部分風(fēng)險科目試飛，飛行員駕駛艙內(nèi)的儀表顯示的參數(shù)不夠，這時需要在駕駛艙內(nèi)增加座艙顯示儀顯示其他參數(shù)，供飛行員查看。由于駕駛艙儀器多，空間小，本系統(tǒng)以PC104+為平臺，采用 VC++與GL Studio相結(jié)合的軟件開發(fā)模式，研制了座艙顯示儀。該設(shè)備為大迎角、失速、發(fā)動機等風(fēng)險試飛科目的完成起到了重要作用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 PCM與以太網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)

根據(jù)ARJ21飛機飛行實驗的特點，設(shè)計了PCM和以太網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)的機載測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)PCM架構(gòu)的機載測試系統(tǒng)一般采用集中采集的方式，數(shù)據(jù)采集和傳輸速率相對較低，每架飛機測試參數(shù)量大約在4000個左右，而ARJ21飛機機體大，測試參數(shù)類型多、分布廣、PCM架構(gòu)已不能完全滿足ARJ21飛機的飛機測試需求，采用PCM和以太網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)，測試系統(tǒng)實現(xiàn)了高速采集，測試數(shù)據(jù)達到8000個以上。在整個數(shù)據(jù)采集和分析過程中，新的系統(tǒng)把PCM結(jié)構(gòu)信號調(diào)節(jié)方面的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)傳輸快捷的優(yōu)勢緊密結(jié)合在一起，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，同時該系統(tǒng)整體簡化了測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使整個系統(tǒng)的設(shè)計、配套、擴展、調(diào)試和維護等方面都更加簡捷。

2.2 網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計

由于以太網(wǎng)遵循碰撞檢測/發(fā)送的原則，沒有優(yōu)先級控制，實時性差，一旦發(fā)生阻塞，數(shù)據(jù)傳輸可能造成較大的延時，同時由于系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)流路數(shù)多，數(shù)據(jù)容量大，發(fā)生阻塞時容易丟數(shù)據(jù)；因此，選擇網(wǎng)絡(luò)方案的選擇尤為重要。機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c是：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型較多，數(shù)據(jù)量大小不一，傳輸頻率有高有低，但傳輸方向是固定的，每種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量、傳輸頻率事先能預(yù)測。根據(jù)這些特點采取下列方案：整個系統(tǒng)以交換機為核心劃分為邏輯上相互獨立的兩個廣播域，通過一臺支持3層路由/交換協(xié)議的以太網(wǎng)交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為2個網(wǎng)段，前端數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時采集與處理系統(tǒng)在一個網(wǎng)段，監(jiān)控工作站和座艙顯示儀在另一網(wǎng)段。這樣設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總數(shù)據(jù)帶寬實現(xiàn)10Mb左右，遠遠超過以往的實時監(jiān)控系統(tǒng)的能力。經(jīng)測試數(shù)據(jù)從采集到被碼幀同步器解調(diào)出來,時間延遲不超過70ms，滿足測試要求。

2.3 數(shù)據(jù)融合

本系統(tǒng)采用多個采集器，各采集器按自己的節(jié)拍獨立采集數(shù)據(jù),即便在統(tǒng)一授時的情況下，各采集器采集參數(shù)的時刻也是不一致的。必須將所有參數(shù)統(tǒng)一到一個時間點，將參數(shù)融合在一起，并且盡量的減少誤差。網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包為單位傳輸,一個數(shù)據(jù)包中往往包含多個時間點的數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用查找的方法，將一段時間的數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中，以某一路參數(shù)的時間為基準，找出其它路中時間相差最近的時間的參數(shù)，進行參數(shù)對齊。

3 結(jié)束語

本文提出的機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已成功實現(xiàn)，并且在ARJ21的適航審定試飛中得到了成功的應(yīng)用。試驗證明該系統(tǒng)滿足ARJ21飛機機載實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理的需要，滿足飛機測試的需求。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用也為今后的機載實時系統(tǒng)的研制提供了借鑒。

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