飛行試驗(yàn)遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉語喬，郭世偉，聶 睿

（中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安　710089）

飛行試驗(yàn)遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉語喬，郭世偉，聶 睿

（中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安710089）

飛行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理對于縮短試飛周期和提高試飛安全保障有著很大的作用。基于現(xiàn)有遙測實(shí)時(shí)系統(tǒng)架構(gòu)，針對某型號定型試飛需求開發(fā)了飛行試驗(yàn)遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件。該軟件可對數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算部分按照科目劃分使用動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行了封裝，針對試飛監(jiān)控特點(diǎn)還開發(fā)了門限告警、參數(shù)檢查和數(shù)據(jù)文件管理等功能。飛行試驗(yàn)遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)時(shí)分析軟件必將成為保障飛行安全并輔助指揮決策的有利工具。

飛行試驗(yàn)；準(zhǔn)實(shí)時(shí)；動(dòng)作段；回放

飛行試驗(yàn)是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)性高、代價(jià)高、周期長的綜合性試驗(yàn)項(xiàng)目。對于風(fēng)險(xiǎn)性科目及一些特殊科目都采取了實(shí)時(shí)監(jiān)控保障，但是目前的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)只能對測試設(shè)備的直接測量量進(jìn)行顯示，缺乏對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和計(jì)算，這就錯(cuò)失了確認(rèn)動(dòng)作有效性及發(fā)現(xiàn)潛在飛行危險(xiǎn)因素的最佳時(shí)機(jī)。遙測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件通過建立性能、品質(zhì)、載荷等科目函數(shù)計(jì)算動(dòng)態(tài)鏈接庫，可快速計(jì)算出飛行科目相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)。通過客戶端回放程序及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行隱患、確認(rèn)動(dòng)作有效性并為下一個(gè)動(dòng)作的開展提出有利建議，可進(jìn)一步確保飛行試驗(yàn)過程中的人機(jī)安全，并高效、經(jīng)濟(jì)的完成飛行試驗(yàn)從而縮短試飛周期。

1　需求分析

著新機(jī)的生命。某些對氣象或者環(huán)境有特殊要求的科目，準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件可以及時(shí)評估動(dòng)作有效性、改善試飛動(dòng)作完成質(zhì)量從而有效提高架次利用率、縮短試飛周期。

1.2提供試飛安全保障

飛行試驗(yàn)的探索性和真實(shí)性決定了它的風(fēng)險(xiǎn)性，國內(nèi)外試飛史上，各種飛行事故屢見不鮮。地面試飛工程師及飛行指揮員可通過試飛安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握飛機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)。準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)可在客戶端對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、計(jì)算、繪圖、記錄，可在最短時(shí)間內(nèi)對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而可進(jìn)行一定的預(yù)判和估計(jì)從而發(fā)現(xiàn)某些影響飛行安全的隱患。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1縮短試飛周期

每個(gè)機(jī)型從預(yù)先研究、設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)樣機(jī)、定型試飛、批量生產(chǎn)再到投入部隊(duì)形成作戰(zhàn)力都要經(jīng)過幾年甚至十幾年的時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中民機(jī)類試飛周期約占整個(gè)研制周期的一半，軍機(jī)約占到55%，對于新研制類飛機(jī)，試飛周期的長短有時(shí)決定著它的命運(yùn)。一定程度上可以說，試飛周期決定

準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)借助當(dāng)前遙測實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行于實(shí)時(shí)系統(tǒng)客戶端。現(xiàn)階段實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)使用遙測接收機(jī)實(shí)時(shí)接收機(jī)載采集系統(tǒng)輸出的PCM流數(shù)據(jù)，經(jīng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)服務(wù)器處理發(fā)送至監(jiān)控臺端。在監(jiān)控臺端，飛行指揮員、試飛工程師可根據(jù)預(yù)制的監(jiān)控畫面觀測飛行的狀態(tài)信息。在涉及到包線、邊界值的科目試飛架次或者幾個(gè)科目結(jié)合的試飛架次中，試飛工程師需要對關(guān)鍵動(dòng)作段進(jìn)行反復(fù)回看、對直接測量量計(jì)算得到性能指標(biāo)后才能確認(rèn)動(dòng)作的有效性及動(dòng)作完成質(zhì)量，目前的實(shí)時(shí)系統(tǒng)只能等到飛行結(jié)束后才可進(jìn)行。準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件可對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行自主回放，通過逐步完備的動(dòng)態(tài)鏈接庫規(guī)范了各個(gè)科目中性能指標(biāo)的計(jì)算流程，通過參數(shù)檢查和報(bào)警功能可實(shí)現(xiàn)對所有遙測參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。

2.1遙測準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為飛行試驗(yàn)遙測準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，發(fā)射端飛機(jī)上各種總線數(shù)據(jù)經(jīng)過采集器將部分重要參數(shù)通過PCM生成器生成PCM信號，PCM信號經(jīng)過調(diào)制后使用飛機(jī)上的遙測裝置進(jìn)行發(fā)射［1］。地面接收到遙測數(shù)據(jù)后經(jīng)光纖傳輸?shù)角岸藢?shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，前端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器在對數(shù)據(jù)進(jìn)行幀分析后將數(shù)據(jù)發(fā)送至客戶端用以驅(qū)動(dòng)畫面程序。準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件運(yùn)行于客戶端，在收到數(shù)據(jù)后可對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、按照科目分類計(jì)算、數(shù)據(jù)回放。

圖1　遙測實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1　Telemetry real-time monitoring system

2.2準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件結(jié)構(gòu)

風(fēng)險(xiǎn)科目試飛過程中，關(guān)鍵動(dòng)作段的完成質(zhì)量備受關(guān)注。現(xiàn)有實(shí)時(shí)系統(tǒng)只能在飛行結(jié)束后才可進(jìn)行回放檢查，極易因動(dòng)作評估不及時(shí)造成動(dòng)作完成質(zhì)量不高，架次無效等結(jié)果。尤其是在失速、結(jié)冰等風(fēng)險(xiǎn)科目中，可能會出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的后果。如圖2所示，準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算模塊可供指揮員和試飛工程師對飛行性能指標(biāo)進(jìn)行快速計(jì)算；自主數(shù)據(jù)回放模塊通過讀取數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)可進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，且回放過程與實(shí)時(shí)過程互不影響；實(shí)時(shí)檢查及告警模塊可對所有遙測參數(shù)進(jìn)行顯示，使其不受預(yù)定監(jiān)控畫面的限制，還可預(yù)設(shè)各個(gè)參數(shù)門限值用以在實(shí)時(shí)過程中進(jìn)行告警顯示；繪圖功能可對本機(jī)記錄參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件對于及時(shí)確認(rèn)動(dòng)作有效性、評估動(dòng)作完成質(zhì)量提供了技術(shù)手段，為下一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行提供了決斷依據(jù)。

圖2　遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件結(jié)構(gòu)Fig.2　Architecture of quasi-real-time analyze telemetry data software

3　軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1實(shí)時(shí)/回放可同時(shí)進(jìn)行

遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件中的回放模塊可對實(shí)時(shí)過程中的數(shù)據(jù)按照課題需求進(jìn)行自主回放，且回放過程與實(shí)時(shí)過程可同時(shí)進(jìn)行、互不干擾。實(shí)時(shí)部分使用TCP/IP協(xié)議通過客戶端從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，回放部分通過讀取準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件記錄存儲在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。

通過毫秒級的比較，回放過程可對回放數(shù)據(jù)起始時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)，可以迅速且精確的定位關(guān)鍵時(shí)間段數(shù)據(jù)。回放部分軟件流程圖見圖3。

圖3　回放流程圖Fig.3　Flowchart of data replay

回放速度的控制通過 sleep（）函數(shù)和Application-＞ProcessMessages（）函數(shù)的配合使用，sleep（）函數(shù)可以執(zhí)行使當(dāng)前線程掛起一段時(shí)間，時(shí)間單位以毫秒計(jì)算，通過掛起時(shí)間長短來控制回放速度。Application-＞ProcessMessages（），循環(huán)讀取文件過程中每當(dāng)程序運(yùn)行到這句時(shí)，程序就會讓系統(tǒng)響應(yīng)一次消息，從而可以使數(shù)據(jù)能夠伴隨著文件讀取過程持續(xù)顯示并更新，這種做法類似于VB中DoEvent的方法。并且開發(fā)了相應(yīng)的暫停、繼續(xù)等功能方便試飛工程師檢查關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，回放參數(shù)可自主選擇。

3.2野點(diǎn)剔出

在飛行監(jiān)控實(shí)時(shí)過程中，數(shù)據(jù)服務(wù)器分別記錄下每個(gè)動(dòng)作段的數(shù)據(jù)及整個(gè)架次數(shù)據(jù)。由于傳感器本身或者遙測鏈路中的各種原因，可能使得接收到的遙測數(shù)據(jù)包含一些錯(cuò)誤的量值，稱為野值。經(jīng)分析，接收到的遙測數(shù)據(jù)中野值大多屬于孤立型野值［2］。在客戶端讀取準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理服務(wù)器端數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算前，服務(wù)器端首先要對所存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行野點(diǎn)剔出。野點(diǎn)剔出過程中為避免野值逆?zhèn)鞯那闆r，未采用中心差分公式而采用了前推式差分方法，這里采用了七點(diǎn)二階算法。

七點(diǎn)二階算式如下：

式中，i=7，8，9，…，N，yi為原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為差值后數(shù)

據(jù)［3］。

通常數(shù)據(jù)中連續(xù)跳點(diǎn)的值都比較接近，可用下式剔除連續(xù)跳點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)為野值時(shí)，則滿足下式的點(diǎn)也是野值：

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中連續(xù)跳點(diǎn)很少超過4點(diǎn)，故取m=2，以避免將階躍信號當(dāng)作野值剔除。當(dāng)滿足式（3）超過3個(gè)點(diǎn)時(shí)，則認(rèn)為y（k），y（k+1），…，y（m）均為正常。

3.3動(dòng)態(tài)鏈接庫的設(shè)計(jì)

遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件是針對直升機(jī)飛機(jī)專業(yè)開發(fā)的應(yīng)用于飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析軟件，主要包括有性能、品質(zhì)和載荷3個(gè)課題，每個(gè)課題又由若干科目組成。使用動(dòng)態(tài)鏈接庫對每個(gè)科目計(jì)算參數(shù)過程中所用到的函數(shù)封裝后就可以避免計(jì)算方法不統(tǒng)一、計(jì)算過程中誤差控制不一致等原因造成的影響。以性能課題航程及續(xù)航時(shí)間科目中的作戰(zhàn)時(shí)間計(jì)算為例，在該參數(shù)計(jì)算過程中規(guī)范了使用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合［4］。

在按科目對函數(shù)進(jìn)行封裝過程中注意歸類，將輸入?yún)?shù)相同或有前后調(diào)用關(guān)系的函數(shù)歸為一類，定義在同一結(jié)構(gòu)體中，減少了子函數(shù)數(shù)目，使參數(shù)計(jì)算過程及繼承關(guān)系更加清晰［5］。例如功率相關(guān)參數(shù)定義在同一結(jié)構(gòu)體中，則功率函數(shù)計(jì)算返回值為該結(jié)構(gòu)體，如下：

3.4門限告警

目前指揮員和試飛工程師只能看到預(yù)制畫面所顯示的參數(shù)，參數(shù)檢查和門限告警界面通過列表形式給出了所有遙測參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)值。通過讀取配置文件中預(yù)設(shè)的重要參數(shù)的正常值范圍，在實(shí)時(shí)參數(shù)值超過預(yù)設(shè)值時(shí)通過表格底色的改變進(jìn)行告警。

3.5數(shù)據(jù)文件管理

遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件每次飛行過程中均會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件管理模塊運(yùn)行于數(shù)據(jù)服務(wù)器用以管理數(shù)據(jù)文件。全盤查找數(shù)據(jù)文件通過深度優(yōu)先原則與遞歸算法相結(jié)合的方法找出磁盤內(nèi)所有后綴為DCM或者A6Q的數(shù)據(jù)文件［6］。開發(fā)了批量刪除文件功能，用以管理過期數(shù)據(jù)文件。按日期查找數(shù)據(jù)文件通過比對文件 FileAge（**）屬性和MonthCalendar1-＞Date屬性內(nèi)容定位所查找文件并在表格中定位所有符合條件的文件［7］。

4　結(jié)束語

文中通過分析現(xiàn)階段及未來飛行試驗(yàn)型號任務(wù)的需求，以現(xiàn)有遙測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為硬件基礎(chǔ)，開發(fā)了運(yùn)行于實(shí)時(shí)系統(tǒng)客戶端及數(shù)據(jù)服務(wù)器的軟件。通過數(shù)據(jù)回放、科目參數(shù)計(jì)算、參數(shù)檢查、告警及數(shù)據(jù)管理等功能可及時(shí)分析關(guān)鍵動(dòng)作段數(shù)據(jù)，評判動(dòng)作完成質(zhì)量，可有效提高飛行效率，同時(shí)可為任務(wù)講評系統(tǒng)的評判提供有力依據(jù)。現(xiàn)階段，遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析軟件已試運(yùn)行于某重點(diǎn)型號飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控中，必將為保障飛行安全及縮短試飛周期產(chǎn)生積極的作用。

［1］劉明．新一代試飛測試系統(tǒng)架構(gòu)及其應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（1）：1729-1731.

［2］蔣希帥.雷達(dá)目標(biāo)跟蹤濾波算法的研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2008.

［3］肖剛.無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)采集與模型辨識［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］代冬巖，李智勇，張宏禮．最小二乘曲線擬合及其MATLAB實(shí)現(xiàn)［J］．黑龍江科技信息，2009（21）：35-36.

［5］譚浩強(qiáng)．C程序設(shè)計(jì)［M］．3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［6］李瑋順．用C語言實(shí)現(xiàn)文件的模糊查找［J］．電子科技，1999：46-47．

［7］余明興，吳明哲．Borland C++Builder 5實(shí)例精解［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2001．

The design and implementation of quasi-real-time analyze telemetry data of flight test software

LIU Yu-qiao，GUO Shi-wei，NIE Rui
（Chinese Flight Test Establishment of AVIC，Xi’an 710089，China）

For shorting the flight test cycle and improving the security of flight test，Quasi-real-time processing plays an important role.Based on the existing real-time telemetry system architecture，developed the quasi-real-time analyze telemetry data of flight test software for a task of certain model.The software can replay data.It packaged Quasi-real-time calculation using dynamic link library according to subjects.It also development the function of threshold alarming，parameter checking and data file management.The quasi-real-time analyze telemetry data of flight test software will become a powerful tool to ensure flight safety and to assist command.

flight test；quasi-real-time；action period；replay

TN98

A

1674－6236（2016）03-0037-03

2015-03-27稿件編號：201503389

劉語喬（1984—），女，陜西臨潼人，碩士，工程師。研究方向：數(shù)據(jù)處理。