試飛機載測試系統架構及配套條件研究

霍靂+代月松+程瑩瑩

摘要：以試飛機載測試系統為研究對象，扼要地介紹了新型機載網絡化測試系統，分析新型測試系統所對應建筑物的工藝設計要點。

關鍵詞：機載網絡化測試；飛行試驗；試飛監控；遙測

引言：

目前國內外新一代飛機設計采用的新技術、新材料、新設備在大量增加，隨之試飛要求測試參數的類型和參數量也在急劇增加，往往一架試驗機上加改裝的各種測試設備就可達幾千臺件，鋪設的測試電纜重達幾噸，給試飛測試的實現帶來了極大的困難。為滿足新一代飛機試飛的需求，機載網絡化測試系統應運而生，本文對機載測試系統的發展進行分析探討，并對相應的地面配套條件需求變進行研究。

1、新一代飛機飛行試驗的特點

隨著計算機技術、網絡技術和傳感技術的快速發展，國外新一代飛機設計定型試飛的周期越來越短，以前一個型號需要5～6年才能完成的試驗，現在要在2～3年內完成。大量新技術、新材料、新設備的應用，使得飛行試驗測試的參數數量劇增，新型測試參數類型大大增加。因此，傳統PCM測試系統架構無論從系統的設計、配套、擴展、調試、測試、維護和管理，數據傳數量，高精度的時間同步和信息共享等方面已無法滿足新一代飛機飛行試驗的測試要求。

新一代飛機飛行試驗與90年代的飛行試驗相比，從飛機試飛鑒定的周期，測試參數的類型和參數數量到技術復雜程度都發生了重大的變化，它們具有以下主要特點：

* 試飛科目復雜，技術難度大：新一代飛機系統多，結構復雜，同樣的試飛科目，在新一代飛機的試飛中，涉及的影響因素要多得多，系統之間的干擾也增加了飛行試驗的技術難度。對于很多風險科目，新一代飛機飛行試驗中的風險性和技術難度也大的多；

* 結構完整性試飛/試驗涉及的時間周期長；

* 測試參數類型多、測量參數量大、試飛測試技術要求高：以A380飛機為例：一架飛機測試40000多個參數，，其中模擬量參數6000多個參數，遙測傳輸3000多個參數。各種總線超過800多條，其中ARINC429總線近800條，還有許多400Mbps高速串行總線信號；

* 試飛周期緊，時間節點要求嚴格：國外大型飛機飛行試驗周期一般情況下為2年左右。而技術復雜性，試飛難度大的A380飛機的試飛，取證試飛僅用了1.7年時間；

* 新型網絡的測試：如A380飛機采用了航空全雙工數據網絡AFDX、ARINC664總線等；

* 視頻信號多：如A380飛機上安裝了各種攝像頭、高速攝像機和抽引視頻信號多達64路。

通過下面圖1可以了解空客公司系列客機機載測試參數數量的快速增長趨勢。

2、機載測試技術應用與發展

2.1 PCM架構測試技術特點與局限性

多年來在國內外飛行試驗領域，機載測試系統架構一直把IRIG–106第四章遙測標準即時分制的脈沖編碼調制數據傳輸協議（簡稱PCM架構），作為數據傳輸和記錄的標準。這種測試系統架構在以往飛機的飛行試驗中一直得到成功的應用。

PCM架構的機載測試系統可以通過軟件編程設計PCM幀結構，嚴格按照預先確定的數據采集格式循環采集數據，并將采取的數據插入PCM數據流，分別送入遙測傳輸和記錄系統。具有穩定、可靠的優勢，其系統配置是固定的，帶寬是已知的；無數據重復傳播；無數據沖突等特點。

然而在實際應用中，隨著PCM架構的機載測試系統不斷擴展，系統結構越來越復雜，設計、配套、擴展、調試、測試、維護和管理越來越困難，直接影響到了飛行試驗的效率和試飛的周期，PCM架構機載測試系統已無法滿足大型飛機海量測試參數及測量參數類型多、測量點多、參數分布廣、試飛風險高，時間節點要求嚴格要求的現狀。

2.2 機載網絡化測試系統特點與應用

隨著許多商用技術的不斷發展，歐、美國家早在九十年代末期就結合航空工業的需要，率先開展了機載網絡測試技術的深入研究工作，把許多成熟的技術，尤其是以太網技術開始應用到飛行試驗測試系統的架構設計中。

（1）機載網絡化測試系統簡介

機載網絡化測試系統架構具有所有商業貨架產品的優勢：開放的工業標準，適用于所有IT領域，高可靠性，易于獲取、便于使用、成本低廉、維護和升級簡單方便；傳輸距離沒有限制；能接入機載航空網絡如 AFDX 和 ARINC664。相對于PCM 它還有其它的優勢：首先，PCM 采集系統中數據的采集到發送之間存在一個串行的鏈路；而以太網以數據包形式發送數據；設備之間連接簡單，所需電纜少；設備配套靈活，不需要專用的加載設備；各個采集節點之間可以實現數據共享；另外，目前最先進的PCM數據采集系統的最高位速率約為20Mbps， 而以太網則能達到100Mbps、1Gbps。

在一個千兆網絡化機載測試系統中，機載網絡化測試系統的拓撲結構可以設計為二層至三層。二層或三層根據具體測試參數和飛機上分布的網絡節點以及選用的主控交換機交換端口來確定。通常二層網絡拓撲結構就能夠連接數十個機載測試設備的網絡節點，可以滿足幾萬個測試參數的需求。圖2是一個典型的二層網絡拓撲結構，該結構中底層由多組機載網絡數據采集器機箱組成，每組包含多個非管理型二級網絡交換機和多臺采集器機箱，多組機箱最終連接到管理型且支持主控時鐘的千兆以太網交換機。

（2）機載網絡化測試系統應用分析

2000年以后歐洲的空客A380大型客機和美國的波音787客機相繼進入飛行試驗階段，為了滿足試飛測試任務的需求，上述飛機的機載測試系統架構采用了以太網加PCM混合架構即機載數據采集系統級聯仍采用主輔結構，在每一條鏈路中的主采集器輸出一路網絡數據，多臺主采集器輸出的網絡數據通過網絡交換機再分別傳輸到機載數據記錄器、機載數據實時處理等子系統中。A380大型客機機載測試系統架構如圖3所示。

圖3 A380飛機機載測試系統架構圖

A380大型客機機載測試局域網在試飛中得到了成功的應用，解決了以下幾個問題：

* 實現了系統試驗數據共享，解決了大容量采集數據的傳輸；

* 解決了多個采集鏈路實時遙測數據的傳輸；

* 系統不同子系統間達到毫秒級的時間同步精度。

機載測試局域網雖然在試飛中得到了成功的應用，但由于該系統中機載數據采集器架構仍基于主、輔鏈接，以太網數據傳輸，還有以下問題沒有解決需要改進。

* 沒有解決采集器主、輔鏈接需要測試電纜太多的難題；

* 寬帶數據采集只能通過自主采集來實現，一臺采集器實際應用的最高位速率仍≤7Mbps，使測試寬帶數據的成本增加；

* 沒有實現系統高精度時間同步；

* 機載數據采集系統采集程序的設計、配套、調試、維護和管理仍然十分困難，系統的擴展和裁減十分復雜；

* 主控網絡交換機采用的是工業加固交換機，測試數據通過交換機傳輸效率只有30%、主控交換機不支持IEEE1588 V1協議，不具備機載測試環境下的多種時間同步策略，且時間延遲大，交換機不滿足機載環境條件，無法在飛機的各個部位安裝，上電不能立即工作；

* 機載測試系統缺乏故障診斷；

* 機載數據記錄系統的高速記錄數據的通道和位速率不滿足新一代飛機試飛需求；

* 沒有高速卸載數據的地面支持設備等。

通過A380和波音787客機的飛行試驗驗證，網絡化技術在機載測試系統中能夠安全可靠的使用。為了進一步提高試飛效率，加快新機設計定型的進度，可以采用完全網絡化的機載測試系統架構來解決以太網加PCM混合架構存在以上技術缺陷。

3、試飛測試地面配套條件建設規劃

新一代飛機飛行試驗具有試飛科目復雜、測試數據量大等特點，這就需要地面配套更多的數據存儲設備、更快的數據處理能力、更大的試飛數據顯示條件等。試飛監控中心是地面監控設施的承載建筑物，本文以某單位試飛監控中心設計方案為例，對新一代飛機采用機載網絡化測試系統的情況下，對地面配套條件造成的影響進行分析。

圖4 某單位試飛監控中心布局

某單位試飛監控中心由遙測機房、控制室、監控大廳、大屏幕維護室。試飛監控中心布局如圖所示。

（1）遙測機房

遙測機房主要用于存放數據存儲機柜、數據處理機柜等，完成試飛遙測數據的接收、存儲、處理等工作。

機載網絡化測試系統的應用使得遙測數據量大大增加，數據存儲能力及數據處理能力均需要得到相應的提升，數據處理機柜及數據存儲機柜的數量也就相應的需要增加，且需要考慮預留發展，因此在今后的試飛監控中心的規劃設計中，需要為遙測機房留有足夠的面積。遙測機房所存儲的試飛數據重要程度較高，且需要承擔試飛數據容災備份的任務，因此遙測機房至少需要按照C類機房進行設計。

（2）控制室

控制室用于控制整個試飛監控大廳的遙測數據接收、存儲、處理、顯示等一系列工作。

考慮到遙測數據量的增加及預留發展，需要為控制室留有足夠的面積。且控制室也承擔著部分參觀的任務，在保證控制臺、工作人員工作區域及工作人員走廊寬度的基礎上，需要留有足夠寬度的參觀走廊。

（3）監控大廳

監控大廳主要承擔型號飛機試飛觀演的任務，主要包括領導觀演區、監控區、演講區。監控大廳一般跨度及長度較大，以本監控大廳為例，跨度23.4米、長度30米，屬于我國近幾年建設的大型監控大廳，該監控大廳布置一套由33塊80英寸DLP背投顯示器組成的大屏幕，為滿足屏幕安裝高度及監控大廳的舒適度，該監控大廳采用兩層通高設計。

（4）大屏幕維護室

大屏幕維護室主要用于對監控大廳的大屏幕進行維修、溫度保障等維護工作。由于DLP大屏幕較為精密，其后端溫度要求較高，溫度變化小于0.5℃/小時，溫度范圍：20～24℃。為了保證拼接屏幕不至于因為兩側溫差較大而出現中間區域突出的現象， 需要控制大屏幕兩側溫差不大于5℃。因此，大屏幕維護室需要配置精密空調，以保證大屏幕對溫度的苛刻要求。

4、結束語

隨著C919等大型飛機研制工作的展開，機載網絡化測試系統以其高效的傳輸速度、靈活的設備配套等優點，是未來試飛測試的必然趨勢。另外，隨著試飛測試技術的發展，試飛監控中心的規劃建設也需要隨著試飛測試工藝需求進行適應性優化。

參考文獻：

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