實時遙測數據地面站的發(fā)展與趨勢

余奎

摘 要：伴隨著現代飛機和航空武器新技術的發(fā)展，飛行試驗的難度和風險越來越高。實時遙測數據處理系統(tǒng)是保障飛行試驗安全的重要組成部分，該文根據飛行試驗的特點，分析了研制實時遙測數據地面站需要關注的幾個方面，并給出了技術實現思路。

關鍵詞：飛行試驗 遙測地面站 實時網絡 飛行可視化

中圖分類號：V217 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0015-03

現代飛機和航空武器新技術應用多，功能齊全，綜合程度高，飛行試驗的難度越來越大，風險越來越高。為保障試飛質量和試飛安全，降低試飛成本，確保數據的可信度，縮短試飛周期，實時遙測數據處理系統(tǒng)必不可少。

通過實時遙測數據處理系統(tǒng)能夠加強試飛實時監(jiān)控和實時數據處理能力，可以實時和準實時獲取80%試飛報告所需數據和100%下個起落可否飛行的決策數據。

實時遙測數據處理系統(tǒng)的體系結構和實時數據處理軟件是實時遙測數據處理系統(tǒng)的靈魂，體現試飛實時處理技術水平高低和功能強弱，而實時遙測數據處理系統(tǒng)的體系結構則是整個系統(tǒng)的基礎，合理的設計不僅使實時遙測數據處理系統(tǒng)研制起點高，風險小，投資少，收效快，而且還能使系統(tǒng)更加具有生命力。

實時遙測數據處理系統(tǒng)從功能分，主要由遙測接收、前端處理、監(jiān)控3個部分組成，整個系統(tǒng)以網絡為基礎，構成了一個開放式的體系結構，如圖1所示。

（1）遙測接收：由自動跟蹤天線、天線控制器、遙測接收機等設備組成，完成天線自動跟蹤控制、遙測PCM數據和視頻圖像以及衛(wèi)星數據的接收。

（2）前端處理：由嵌入式遙測前端處理器、控制臺終端等設備組成，完成多路PCM數據的分路、采集、工程單位轉換與其他數據流參數（外部測量參數、GPS數據）的融合處理（時間協調、合并）以及數據傳輸等任務。

（3）實時監(jiān)控：由多臺PC機、條圖儀、大屏幕投影儀、監(jiān)控臺、視頻、音頻等設備組成，形成一個現代化的監(jiān)控大廳，是實時監(jiān)控和事后數據處理，試飛工程師和試飛指揮人員的重要工作場所。

1 國內外現狀

美、法等西方先進國家的航空遙測系統(tǒng)已發(fā)展成衛(wèi)星網絡自動化的綜合系統(tǒng)，單站多目標自動跟蹤，采用嵌入式母線結構，寬頻帶，高速率，壓縮編碼，集圖象視頻、PCM數據、聲音、控制等多媒體于一體的多流綜合技術，遙測數據流達50 Mb/s，實時處理將達6萬個參數，系統(tǒng)可24 h連續(xù)無故障運行，小于1 h的故障修復時間，單元系統(tǒng)壽命可達15年之久，高度模塊化、集成化。

我國20世紀90年代初通過引進國外實時遙測數據地面站，受一些因素限制，還需要在引進系統(tǒng)應用上做一些完善和改造。根據型號任務的需要，自行研制了一套具有90年代初國際先進水平的GDAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)是功能較為完善，能力較強的實時、準實時預處理系統(tǒng)，能滿足當時的遙測數據處理需要，但因受當時的計算機技術限制，升級、維護成本較高。

國內近年實時遙測數據處理系統(tǒng)的建設已經有了突破，但部分關鍵部件和技術與國外還存在一定距離。主要表現在可靠性、實時接收處理能力和系統(tǒng)的集成度等幾個方面。

2 實時遙測數據地面站發(fā)展及趨勢

現代飛機機載系統(tǒng)越來越復雜，綜合化程度越來越高，除傳統(tǒng)的1553B、ARINC等航空電子總線外，新型、高速航空電子總線（如AFDX，FC.AE等）和一些高速工業(yè)總線（如CAN、1394等）在飛機機載系統(tǒng)中得到普遍應用，高速總線數據成為試飛機載測試的主要數據源，加之視頻圖像測量在現代飛機和航空武器試飛中的廣泛應用，試驗測試數據量急劇增加。同時在現在飛機和航空武器的飛行試驗中，單通過PCM遙測數據已不能滿足試飛任務的要求，需要引入大量的外測（雷達測量、光學測量、GPS測量等）和多媒體（音頻、視頻）數據，由于數據量大、數據類型多，數據的采樣速率不同，如果采用以往的單以太網結構，可能會導致網絡的數據阻塞，影響整個系統(tǒng)的實時性，同時為使高低不同速率的數據有序傳輸，導致系統(tǒng)的網絡管理變得很復雜。

實時遙測數據地面站要滿足以上要求，需要對地面站的體系結構以及各個系統(tǒng)的任務進行重新分配，同時對前端服務器和終端工作站提出了更高的要求。

2.1 實時遙測數據地面站體系結構

隨著現代飛機飛行試驗向綜合試飛、多機協同試飛的模式發(fā)展變化，使得確保試飛安全和提高試飛效率成為實時遙測數據處理系統(tǒng)的主要任務。隨著試飛任務監(jiān)控從當前試飛動作效果監(jiān)視向試飛動作的過程監(jiān)控和動作效果準實時評估的方向發(fā)展，對實時遙測數據處理系統(tǒng)的實時性有很高的要求，而普通網絡交換機根據其工作原理，通過網絡交換機的數據會有一定的不確定性，導致實時性有一定的影響，因此針對實時性要求很高的系統(tǒng)，我們必須拋開以太網的結構，采用一種高速的實時網絡來構架系統(tǒng)。

實時反射內存網是一種高速的實時網絡，可以用于連接各種計算機組成一個實時網絡。它主要由反射內存卡通過光纖等傳輸介質連接而成。每個反射內存卡都有一段內存地址。網上的任何一臺計算機向本地反射內存卡寫數據時，該數據和相應的內存地址將在極短的時間內廣播到網上所有的反射內存卡并存儲在相同的偏移位置上，于是網絡上的所有計算機都可以訪問這個新數據。反射內存使用簡單的讀寫方式，實時網絡的反射內存卡上的數據傳輸是純硬件操作，不需要考慮網絡的通信協議，其網絡延遲僅僅是節(jié)點數n和所用寬帶比例B%的函數，有：t=f（n，B%），因此它與以太網等其他傳統(tǒng)網絡相比具有更低的數據傳輸延遲，更快的傳輸速度，更簡單靈活的使用操作，可以滿足實時系統(tǒng)快速反應周期的要求，而采用其他網絡就很難滿足這種要求。

實時遙測數據處理系統(tǒng)采用實時網絡體系結構后，由于網上的所有數據可以實時共享，因此網上的每一臺計算機既可承擔處理計算，亦可承擔數據實時監(jiān)控，弱化了網絡體系架構的服務器和客戶機的分工，使得實時遙測數據處理系統(tǒng)的管理變得簡單，系統(tǒng)可靠性增強，同時飛行試驗的專業(yè)化處理實現容易。

2.2 遙測數據前端數據處理

遙測前端為實時遙測數據處理系統(tǒng)中的核心設備，其體系結構和計算機平臺選擇，是研制遙測前端的關鍵問題之一，合理的選擇不僅使其研制起點高，風險小，投資少，收效快，而且使產品具有生命力。可以說，遙測前端處理服務器的技術水平代表了實時遙測數據處理系統(tǒng)的技術水平。

毋庸置疑，對任何一個系統(tǒng)來說，可靠性都是很重要的一個指標，一個不可靠的或可靠性很差的系統(tǒng)很難發(fā)揮應有的作用。為了保證系統(tǒng)的可靠性，我們主要在系統(tǒng)的配置、軟件平臺的選用以及應用軟件的測試等方面針對系統(tǒng)進行可靠性方面的考慮。

遙測數據處理系統(tǒng)中的核心設備——遙測前端處理服務器，經歷了從分立式、智能式到嵌入式的快速發(fā)展歷程。當前計算機技術的發(fā)展，使CPU速度和總線速率已不再是新一代遙測前端處理器的瓶頸。遙測前端處理服務器的實時處理專用軟件系統(tǒng)是實時遙測數據處理系統(tǒng)的靈魂，體現出試飛實時處理技術的水平高低和功能強弱。該軟件系統(tǒng)的研制具有相當的技術難度，是實時遙測數據處理系統(tǒng)的關鍵技術。而操作系統(tǒng)的正確選取是其中一個重要環(huán)節(jié)，實時多任務操作系統(tǒng)本身的高可靠性，再加上前端任務的多優(yōu)先級分配機制以及意外出錯保護機制，從而實現了前端硬件的可靠、軟件的簡捷以及用戶干預較少等特點，保證了遙測前端處理器的可靠性。

隨著計算機技術和天線技術的發(fā)展，遙測前端處理器將從接收模擬信號向接收數字信號過渡，其PCM分路任務由天線接收子系統(tǒng)來完成；同時從接收純PCM信號向接收多種信號類型（pcm、視頻、音頻、外測、總線數據、GPS）過渡；從功能大而全朝功能單一方向發(fā)展；從支持單一類型數據流向支持多類型的數據流發(fā)展，包括外部參數測試系統(tǒng)（GPS、雷達、光電經緯儀等），衛(wèi)星傳輸數據以及內部測量參數的遙測數據流合并處理；系統(tǒng)的操作向傻瓜式操作方向發(fā)展。

2.3 飛行數據可視化

現在計算機的多媒體技術已在很多領域開始應用，數字可視化是國際發(fā)展趨勢，在飛行試驗中更應大力發(fā)展，僅僅將遙測接收的數據以數字、圖表、曲線等形式表現是遠遠不夠的。大量復合應用三維視景、三維航跡、二維曲線表、虛擬儀表、電子地圖、平顯、下顯圖畫、實時視頻、參數群列表等多種可視化表現手段，對有關關鍵參數進行越限語音報警，將真實地再現試飛現場，對提高試飛質量，確保風險科目試飛安全有著重要的意義，如圖2所示。

飛行數據可視化能夠以可視化的方式直觀、形象地表現出飛機飛行的路線、高度以及每一時刻的姿態(tài)，可以明顯改善試飛指揮員及試飛工程師的工作效率及工作質量，對于保證飛機的正常飛行及實現高效合理的指揮決策有重大的意義。飛行數據可視化使用多種網絡通信方式接收各種形式的飛行參數，采用三維軟件技術對參數進行三維、曲線軌跡、虛擬儀表設備等多種直觀形象顯示，并能通過地理信息系統(tǒng)（GIS）數據顯示出與真實地理環(huán)境相一致的電子地圖供用戶參考。

利用多媒體技術，建立一套飛機應急操作程序，在飛機出現異常時，可以給試飛指揮員提供最大的幫助。

3 實施途徑

遙測數據地面站的設計既要考慮了新一代飛機的需要，同時也要考慮航空工業(yè)發(fā)展的需要，并按照國內外通用的遙測標準進行設計，其應是一個多功能、多數據流、多用戶的系統(tǒng)，可為綜合試飛提供有效的實時監(jiān)控和數據處理手段，可大大減少試飛架次，縮短試飛周期，確保飛行安全，除用于新一代飛機和其他飛機的飛行試驗外，還可推廣到其他領域使用。

在信息化試驗環(huán)境條件下，現代飛機多目標（空、地）、多協同試飛需求的牽引、飛行試驗模式的變革以及越快越多的無人機試飛需求表明，遙測將向網絡化、空地一體化的方向發(fā)展已是大勢所趨。

技術的迅速變化和裝備采辦程序的變革，導致試驗用戶更加重視依靠商用成熟技術（COTS）、商用技術標準、成本較低的硬件和軟件，基于商用技術標準的遙測標準是發(fā)展方向。采用OEM、COTS（商用技術）進行遙測數據處理系統(tǒng)開發(fā)和集成的技術途徑，有利于提高系統(tǒng)的研制水平，有利于形成我們的高新技術拳頭產品，有利于保持我們在國內同類產品研制中的領先地位，有利于人才的培養(yǎng)、技術水平的提高和隊伍的穩(wěn)定。

參考文獻

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