WSN技術在飛機系統參數測試中的應用與展望

藍屹群

（上海民航職業技術學院，200232）

WSN技術在飛機系統參數測試中的應用與展望

藍屹群

（上海民航職業技術學院，200232）

本文主要介紹了無線傳感技術的概念，討論了其在機載測試方面應用的可能性，分析了可能遇到的一些問題，并對其未來的應用作了估計。

無線傳感技術；機載測試

0　引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Net， 簡稱WSN）是近年來國際、國內研究的熱點。該技術綜合了信息采集、信息處理技和信息傳輸功能于一體，實現了與周圍環境的信息交互，在軍用和民用領域有廣泛的應用前景。鑒于此，國家自然科學基金委NFSC連續資助了一系列WSN的研究項目。同時，隨著人們的日益關注與重視，WSN技術在理論與實際應用方面研究成果顯著。本文擬就后者探討WSN在飛機系統參數測試上的應用。

1　WSN技術概述

WSN主要通過在人們所感興趣的、被監測的區域布置一些微型的傳感器，這些傳感器以無線的方式構成一個網絡，如下圖1示，每個傳感器在網絡中亦稱為一個節點，每個節點將自己感知到的、人們所關心的信息（數據）如溫度、光照強度、壓力、物體運動的速度和方向等互相傳遞、匯聚，再由匯聚節點（匯聚傳感器）以有線或無線的方式將收集到的數據傳遞給用戶。因此，WSN實際上是一種數據采集系統，與以往有線傳感器數據采集系統相比，WSN具有低功耗、低成本、安裝方便、維護費用低等特點，因此受到人們普遍重視。下面即討論WSN在飛行試驗中，對飛機各項參數測試方面的應用可能性。

圖1　WSN基本結構示意圖

2　飛機試驗的意義、傳統測試方法與特點

所謂飛行試驗，即通過飛機飛行，獲取大量相關的定性、定量的數據信息，通過對數據的分析，確定飛機及其系統的性能，從而檢驗新機型飛機對各種技術指標、設計標準規范的符合性。為獲得這些數據，必須在機上組建相應的數據測試系統，傳統的試飛測試系統（如ADAS）測試主要工作過程為，先由傳感器（包括信號調節器）將感知到的重要飛機參數如（迎角、側滑角等）送入專用的數據采集器（如1553B），數據采集器則將多個測量參數按一定的格式合并為一個單一的數據流，然后通過無線信道將其發送出去，或利用磁記錄系統記錄相關數據。獲取數據后，在地面可對其進行處理分析，根據處理結果建立數學模型，得出飛機相關系統性能的結論。

然而，該測試系統面臨的問題是，對機載傳感器而言，無論是電源的輸送、數據的傳輸，都需由電纜提供。傳感器數量如此之多，勢必導致電纜數量相應增長，從而使系統復雜、布線困難。有些傳感器的位置比較特殊，所處位置并不適合敷設電纜，否則會影響測控性能。然而，隨著人們對飛機安全性要求的不斷提高，試驗必將測試更多的系統參數，容易想象，如繼續使用傳統的有線數據采集系統，將使電纜的數量達到難以接受的程度，如此極大地增加了飛機的重量，進而影響飛機的飛行性能。因此，有必要研制出一種新型的測試系統，解決此問題。下文以測量飛機顫振參數為例，探討在飛機上建立WSN測試系統的構想。

3　WSN飛機參數測試系統的方案

顫振，是飛機飛行時產生的一種危險的現象，其發生原因，簡單說是由于飛機機翼上的瞬時氣動力與機翼彈性位移之間存在相位差，因而使振動機翼不斷從氣流中吸取能量而擴大振幅，尤其當飛機速度達到臨界速度V（亦稱顫振速度）時，振動開始發散，從而有可能導致結構破壞。故對顫振參數的測試是十分重要的，飛機WSN顫振測試方案結構如下圖2所示。

如圖，在飛機的各個部位分布一定數量的無線傳感器，可稱之為網絡節點，其作用為監測傳感器所在區域的各項飛機狀態參數。如前文所述，欲測量機翼顫振狀況，即可在圖2所示飛機機翼與飛機機身接口處A、B位置安裝無線傳感器節點。終端計算機帶有一個匯聚節點。A、B傳感器將所感知到的機翼顫振狀態以單跳或多跳方式匯聚到終端計算機，終端計算機又與監視計算機（監控中心）相聯系。終端計算機的匯聚節點將收集到的數據轉發到監視計算機，如此，測試者可通過觀察監視計算機顯示器獲知飛機機翼的顫振狀況以及其變化趨勢。整個測控系統還應配有服務器，用以儲存所觀測到的數據，并對數據作實時的處理，最后將處理的結構送至終端計算機。

以上方案與傳統機載有線測試系統相比，有許多自身的優勢，比如，在飛機各處的無線傳感器屬于微電子機載系統（MEMS），其本身體積小、重量輕，即使大量布置也不會過多增加飛機的重量，如此飛機的燃油利用率也大大提升，使航程更遠。另外，以往在對飛機各項參數測試過程中，由于環境的變化或測試方案的改變，傳統電纜式傳感器測試系統往往面臨大幅度的調整，缺乏靈活性，工作難度、復雜度與人力、物力與時間成本大大上升，甚至影響新機適航取證的進度。然而，WSN是一種自組織的的網絡，也就是說，網絡允許根據需要加入新的監測節點，該節點將于原測控系統中的其它節點自發組成一個新的網絡，提高了靈活性，降低了改裝的開銷，這對測試者來說是極具吸引力的。我國一些科研單位對此已作出了一些有益的嘗試，如西安閻良飛行試驗研究院研制出一套基于WSN的飛機剎車壓力測試系統，并作了實地測試，結果表明測試性能與傳統有線測試網絡相比相差無幾，完全滿足飛行試驗對測試精度的要求。

圖2　WSN飛機測試系統方案示意圖

4　進一步的設想

前文所述的測試，主要指在不改變飛機原有系統結構前提下，為獲得更多的性能參數，在飛機上加裝許多無線傳感器構成測試網絡。然而，飛機本體就有許多參數測試系統，這些系統將測到的參數通過電纜輸送到儀表或者其他系統，使后者能夠發揮自身的作用。同樣，由于機內測試系統信號傳輸采用電纜傳輸，導致電纜數量過多，布線困難，維護不便，甚至有因電纜發生電氣失效而造成飛機墜毀的例子。循上文思路，我們可以設想，在飛機內部參數測試網絡也采用WSN技術，則可很大程度上解決此類問題。

雖然此設想的前景十分誘人，但就現狀而言，仍然有一些困難需要克服。

其一，由于WSN采用無線通信方式，然而飛機上本身載又有其它電子設備（如通信、導航設施），故WSN測控系統工作時并非處于完全不受干擾的狀態。此外，機上的乘客常帶有電子產品，因此WSN網絡與后二者之間的電磁兼容問題必須予以考慮。如后者影響前者，則WSN網絡數據傳輸可能出現誤差，影響測試參數的精度；如前者影響后者，則會導致機上其它電子設備不能正常工作，嚴重時可能會危及飛機飛行安全。

其二，若欲在飛機上布置WSN測控網絡，則需在飛機各個位置安裝無線傳感器，安裝須在飛機結構上開孔。這樣就必須考慮孔所在位置是否影響飛機結構性能。

第三，WSN網絡中的每個傳感器都自帶供電模塊，不由外界供電。但其容量十分有限，若在機載測試過程中電池耗盡，則該傳感器將失效，則相關系統也將失效。因此，WSN系統電源持續性的問題有待進一步研究解決。

5　總結與展望

由以上可知，WSN因自身的特殊優勢，在飛行試驗中已有一些應用，效果良好。但若將該項技術運用與飛機內部參數測試系統，鑒于上文所提到的一些實際問題，出于對飛機安全性的要求，目前尚無任何型號的飛機嘗試此項技術。但我們仍然可以認為，它是有著巨大潛力的。相信隨著WSN技術不斷成熟完善，WSN在機載上的應用將會越來越廣，甚至有可能使飛機的系統設計觀念發生產生革命性的變化。無論如何，其未來是十分值得期待的。

［1］ 王恒亮.胡濤.機載無線傳感器網絡技術應用及適航性研究.航空科學技術 2014.2

［2］張瑩.張國強.基于ZIGBEE無線傳感器網絡的飛機狀態檢測系統.計算機測量與控制 2010.5

［3］孫科.連帥.面向試飛測試領域的無線傳感器及其組網技術研究.高科技產品研發 2013.7

［4］鄭軍.張寶賢.無線傳感器網絡技術.2012.2

Application and Prospect of WSN technology in aircraft system parameter test

Lan Yiqun
（Shanghai Civil Aviation College，200232）

This paper introduces the concept of wireless sensor technology，discusses the possibility of application in the field of airborne testing，analyzes some of the problems that may be encountered，and its future applications are estimated.

Wireless sensor technology；airborne test