智能化機載測試系統關鍵技術綜述

劉 明， 馬亞平， 李 宏

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

隨著網絡、計算機技術的發展，信息化、智能化時代來臨。物聯網的智能化以大數據為基礎，形成了分布于農業、家居、城市監控、物流等應用領域的智能網絡[1]；制造業中已采用大型智能化設備用于復雜機械加工，智能化的代表——機器人已經得到初步應用，技術越來越成熟，應用也將越來越廣泛。

近年來隨著飛行試驗對測試的需求牽引，以及信息化技術、計算機技術、通信網絡技術的高速發展和應用，試飛測試技術有了很大發展，試飛測試系統設計從分布式系統發展到采用網絡化架構的機載測試系統[2]。

當前試飛測試具有以下7個特點：1)測試飛機數量多；2)測試參數數量多；3)測量參數種類多[3]；4）測試記錄的數據量大；5)機載環境重復使用，要求測試系統體積小、可靠性高、通用性強；6)機載測試數據和圖像需要遙測傳輸到地面，地面需要實時遙測監控；7)數據處理的工作量巨大，需要實時處理、預處理和事后處理。可以看到，試飛測試系統的網絡化、大數據、多傳感器融合等特性將為其智能化應用提供平臺及技術基礎。

在測試技術發展的同時，也面臨著一些問題和挑戰，主要有3個方面：1） 測試系統越來越復雜，系統設計、集成越來越困難，對人員的技術能力要求越來越高[4]；2）龐大系統往往包含十幾個子系統，幾百臺甚至是上千臺設備，面對幾千個測試參數，其維護成本（人力、時間）也越來越高；3）遙測數據傳輸量越來越大，遙測資源越來越緊張。

如何解決這些問題，是我們面臨的巨大挑戰，同時也為試飛測試的智能化應用創造了機遇。本文在技術上進行了一些探索，并取得一些應用。

1 無線傳感器網絡技術在試飛中的應用

傳感器是智能化系統的基礎[5]，但針對飛行試驗的無線傳感器研究仍然處于起步階段。傳感器是智能化系統的大數據來源，一個大型機載測試系統往往包含成百上千件傳感器，有效管理和控制這些傳感器可以大大提高系統的保障水平，提高維護效率，并使得數據采集系統的復雜度大幅降低[6]。

1.1 美國研究現狀

美國軍方為了改進現有飛機試飛測試系統，以滿足當前試飛測試的小型化、快速、靈活和智能化的發展需求，從2007年開始，美國空軍在佛羅里達埃格林空軍基地開啟了“先進微型遙測系統”（advanced subminiature telemetry，ASMT）項目的研究[7]，旨在研制一種用于飛機地面和飛行試驗的無線傳感網絡系統，如圖1所示。2008年4月初該項目在F16戰斗機上進行了第一次地面測試和試驗；4月24日成功完成了第一次顫振飛行試驗。目前該項目正在研究具有熱電偶橋路測試功能的無線傳感節點、測試用無線主控制節點和IEEE802.15標準的應用開發。

圖1 ASMT項目示意圖

1.2 國內研究現狀

目前，我國無線傳感器網絡的應用主要集中在工業領域和學術研究范疇。在飛行試驗測試領域，2002年南京航空航天大學自主研制了無線傳感器網絡，主要由無線應變傳感器網絡節點、高速無線壓電節點和無線傳感器網絡控制系統組成，可以用于航空器的結構健康監測。該項目于2007年完成了某型戰斗機的前起落架試驗件靜力試驗，成功在線監測43個應變測試點的狀態。試驗結果表明，該網絡監測數據準確、配置靈活、可靠性高。此外，北京理工大學等高校也進行了類似的試驗項目。但是，從國內研究情況看，大部分研究項目集中在高校，且以地面試驗為主，尚未開展有關無線傳感器網絡技術在試飛中的應用和研究。

1.3 無線傳感器網絡優勢

1）改變機載測試系統的設計格局

現有的數據采集系統通常每個傳感器對應一個獨立的采集通道，傳感器信號處理原理如圖2所示。一個大型系統如果包含1 000個傳感器就會有1 000個模擬量采集通道，同時包括電壓、溫度、應變、電位計、ICP等模擬量類型，這樣就造成了測試參數量越多，數據采集系統越復雜、技術難度越大、設計/集成的周期越長。以某型機的網絡化采集系統為例，其包含30臺采集器，近200個模擬量采集模塊，3 000多個各種模擬量采集通道[8]。

而采用無線傳感器網絡，傳感器完成信號濾波、A/D轉換后以無線方式進行數據傳輸，并由主控模塊處理后進行總線或網絡輸出，這樣就可大大節省采集通道的數量，圖3所示為基于預研項目處于研究階段的無線傳感器網絡信號處理原理。無線收發接收多個、多類型傳感器輸出的信號，通過主控模塊以總線形式編碼輸出，不同類型的總線其負荷能力也不同，僅以通用的ARINC429總線為例，理想狀態下（不考慮狀態、時間等信息），每個采集通道就可完成原來256個通道才能完成的采集任務[9]。

圖2 當前傳感器信號處理原理

圖3 無線傳感器網絡信號處理原理

無線傳感器網絡的應用將使采集器的設計變得簡單，采集器的數量大幅縮減，可以預見，未來的采集器只需有限幾種總線采集板卡就能夠滿足大型任務測試需求，同時采集器的數量也將縮減為原來的十分之一甚至更少[10]。

2）實現對傳感器的動態配置，靈活度更高

無線傳感器網絡的主控模塊提供了雙向鏈路，在傳輸數據的同時，可以針對不同試飛科目實現對傳感器的實時、動態配置，包括傳感器的輸出范圍、數據更新率，信號濾波的截止頻率、數據更新率等，相對于原來需要拆除/更換傳感器才能解決的問題，在無線傳感器網絡的設計架構下實現起來更加快捷、容易。

3）校準效率更高

由于當前的傳感器輸出的是模擬量信號，其校準往往要與調節器、采集器、記錄器連接，并經過計算將編碼值轉換成物理量才能完成，系統復雜，耗時、耗力；而無線傳感器直接輸出數字信號，其校準省去了中間過程，直接可以給出物理量與編碼的關系，從而簡化了校準流程[11]。

4）降低電纜的數量、質量且利于敷設

電纜數量的減少將有效降低系統的維護成本，也有力于故障的迅速定位和排除，同時電纜質量的減輕將有利于全狀態的飛行試驗科目（如武器/火控系統試飛）。

1.4 無線傳感器網絡與當前測試系統對比

表1給出了無線傳感器網絡與當前測試系統在多項指標的對比，可以看到，除傳感器成本一項無線傳感器網絡比當前測試系統高外，所有指標無線傳感器網絡均占優勢，在系統/設備總成本方面兩種方案相當[12]。

1.5 面臨的主要技術問題及解決措施

1）機載電磁環境帶來的問題

機上電磁環境復雜，有可能導致無線鏈路通信中斷，數據丟失，對試飛測試是致命的。其解決方案包括：①采用合適的頻段；②設計上使用冗余的鏈路；③采取有策略的數據重傳機制[5]。

2）無線傳感器的供電方式

表1 無線傳感器網絡與當前測試系統對比

如果仍然選用有線方式供電是可行的，但無線傳感器的優勢將大打折扣；而選用其他供電方式，如電池，可以滿足短期任務，但是會導致維護困難。

3）傳感器濾波特性

除了傳感器的精度、測量范圍以外，無線傳感器濾波器的截止頻率是其設計中的一項關鍵指標，必須能夠靈活配置，否則無法滿足不同試飛科目的需求。

4）安裝環境限制

由于采用無線方式，必須考慮傳感器的安裝位置的影響，如果安裝在電磁屏蔽空間，將導致無法建立正常通信，目前這一問題成了影響無線傳感器廣泛應用的最大障礙。

2 網絡遙測

2.1 網絡遙測的應用

網絡遙測本身具有靈活的拓撲結構、通用的數據傳輸協議以及可實現數據共享等特性，它使得智能化應用更容易實現。在某型十架飛機的遙測數據傳輸中，采用了網絡遙測方案，一套地面站可以同時接收4～5架飛機的遙測數據。系統由網絡電臺、功放、天線等組成，地面天線為全向天線+對空天線，圖4（a）所示為單站同時監控三架飛機時的系統組成，圖4（b）為系統各節點（5個）的拓撲結構。

在上述應用中，網絡遙測系統已具備了自組網、自配置、自愈合等智能化的特點[13]。

2.2 網絡遙測的優勢

表2給出了網絡遙測系統和現有遙測系統在傳輸距離、數據傳輸帶寬、調制方式等方面的比較，可以看到網絡遙測系統主要有以下4個方面的優勢：

1）可通過一個頻點、一套地面接收設備，同時實現多架飛機飛行數據的遙測，節省了頻帶資源、人力資源；2）可實現空地雙向通信，為機載設備的健康診斷、通信鏈路維護、機載測試設備的地面實時控制提供通信鏈路，可提高測試可靠性，明顯降低了使用維護成本；3）可實時和準實時100%遙測飛行數據，不用事后卸載處理數據，顯著提高了飛行效率[14]；4）可實現飛機與飛機、地面與飛機等相互通信，為未來試飛方案的優化設計提供技術保障。

2.3 網絡遙測面臨的問題

面臨的問題主要包含2個方面：1）當前采用的是UHF頻段，傳輸數據的總帶寬只有6.9 Mb/s，未來采用更高頻段可以增大數據帶寬；2）由于單站要同時接收多架飛機的遙測信號，系統采用了全向天線，目前的全向天線接收增益較低，所以本方案中的遙測接收距離只有100 km。

圖4 某型機遙測網絡方案

表2 網絡遙測和現有遙測系統的比較

綜合以上因素，目前的智能化網絡遙測非常適合于空域在100 km半徑，同時監控飛機數量不超過5架的試飛應用[15]。

3 機載測試系統的中央控制與管理

3.1 中央控制與管理系統的實現及組成

由于網絡化的數據采集和記錄系統具有2個優勢：1）可以通過交換機進行數據交換，2）可以通過簡單網絡管理協議（simple network management protocol，SNMP）對系統參數進行讀取，所以使得對網絡系統的中央控制和狀態管理成為可能。而實現對網絡系統的中央控制和狀態管理并不是最終目的，它與遙測網絡（或其他無線網絡）結合可實現對所有飛機的中央監控[16]。

中央控制與管理系統通過控制總線實現對機載數據采集系統、智能配電系統、遙測發射系統、記錄器的控制；通過PCM解調接口和網絡接口接收數據并進行處理;遠程控制單元及上位機實現對中央控制與管理系統的人工控制和管理；中央控制與管理系統將數據發送給網絡遙測系統,同時也可接收遙測發射系統的控制和管理指令，中央控制與管理系統實現示意圖見圖5(a)。

智能化中央監控系統通過網絡遙測系統可同時接收多架飛機的機載測試數據，并將控制和管理指令上傳給機載中央控制盒管理系統，從而實現對多架飛機的中央監控，智能化中央監控系統實現示意圖見圖5(b)。

3.2 中央控制與管理的功能

中央控制與管理系統主要實現4大功能：

1)能夠通過網絡遙測系統對機載測試系統在線/遠程控制；2)實現機載測試數據解析和提取（網絡/PCM）；3)根據試飛科目的需求，實現對遙測下行數據的動態配置和加載，從而達到有效利用頻帶資源的目的[17]；4)實現機載測試系統（設備）狀態監視，其中包括機載測試系統的網絡狀態[18]、各重要節點的通信狀態、存儲日志文件，從而提高測試系統的保障和維護效率，節約人力成本。

綜上，試飛測試系統的中央控制與管理系統可通過系統的控制和管理實現測試資源的高效利用和動態調配，通過中央監控和大數據管理實現測試系統的高效率維護和保障，從而達到通過技術手段降低人力、物力成本的目的。

圖5 中央控制和狀態管理系統工作原理

4 結束語

盡管當前試飛測試智能化的應用與研究成果是有限的，但已經看到了其較大潛力和優勢：1）無線傳感器網絡將使得測試系統結構由復雜變為簡單；2)遙測網絡使得遙測資源能夠有效利用，實現頻帶利用率由低到高；3)中央控制和狀態管理系統將使試飛效率提高，系統配置由單一變得靈活。

隨著PHM、人工智能、智能傳感技術的成熟，未來將以智能傳感器為基礎，以網絡為平臺，以大數據處理為手段，實現高效率、低成本、資源可動態調配的全網絡化、多數據融合、中央控制和管理的試飛測試系統，實現在大測試范疇內的智能化機載測試系統。