基于行為邏輯的平流層飛艇試驗自動測試方法

張永棟，翟嘉琪，孟小君，王紫薇，張宇，王建勛

西北核技術研究所，西安 710024

平流層飛艇[1-3]能夠長期定點懸停工作，并可跨區域大范圍機動,具有重要的軍事價值。近年來，在區域高分辨率實時偵察與監視、預警、通信中繼[4]、國土安全監視與防御、反恐等需求的驅動下，美國、歐洲、日本、韓國等都在投入大量經費研制平流層飛艇，關鍵技術已取得較大突破[5]。國內相關科研機構與研究單位也開展了平流層飛艇的研制工作。

從結構上講，平流層飛艇系統可分為結構囊體、吊艙、以及布設于囊體之上的傳感器單元、風機、電機、氣閥等執行機構單元。按系統功能構成劃分，平流層飛艇系統主要包括結構分系統、能源分系統、測控分系統、安控分系統、飛控分系統等。能源、測控、安控、飛控的關鍵設備集成于飛艇吊艙[6-9]。

平流層飛艇研制結束后需開展飛行試驗以驗證飛艇關鍵技術、評估飛艇能源、測控、飛控等關鍵分系統設備工作狀態。因平流層飛艇系統較為復雜，試驗風險因素較多，為保證飛行試驗安全，確保飛艇飛行可控，試驗前需在地面開展飛艇關鍵分系統功能考核測試和全系統拷機測試以保證飛艇系統的工作可靠性。

平流層飛艇試驗前進行地面測試[10-13]不同于研制單位在研制過程中開展的測試，其特點有二：① 地面測試在飛艇關鍵設備集成完畢之后進行，預留的測試接口較少，通常為非接觸式接口(遙測接口或微波/射頻接口等)，直接施加測試激勵或直接采集測試數據較為困難；② 地面測試需適應多種類型飛艇的測試要求，因不同研制單位所采用的飛艇技術路線不同，其系統所實現的功能有一定的差異。當前的測試主要采用人工值守與判讀模式，通過飛艇系統地面測控站發送控制指令控制執行機構(主要為氣閥等氦氣釋放裝置、爆破索等囊體切割裝置、電機和螺旋漿等動力推進裝置)動作，由人工判讀飛艇系統狀態和執行機構作動情況來給出測試結果。該測試模式存在自動程度低、測試效率不高、且易出現人為差錯的缺點。另外，地面測試需從時間上模擬飛艇飛行試驗全過程。較之于其他飛行器，平流層飛艇飛行試驗時間較長[14-16](當前為數十小時，未來數百小時)。因此，適應平流層飛艇地面測試特點，實現無人值守的地面測試自動執行，提高測試執行效率，降低地面測試人為因素的影響，成為地面測試的迫切需求。本文在研究飛艇系統控制邏輯的基礎上，總結給出了測試行為邏輯，并基于測試行為邏輯建立了平流層飛艇試驗場測試模式和測試流程[17]，研究了試驗測試系統建設方法，并利用該方法建設了一套試驗測試系統，在實際地面測試中得到了應用。

1 平流層飛艇控制邏輯分析

當前平流層飛艇的控制采用地面主控計算機人工控制與飛艇艇載計算機自主控制相結合的模式，特別是氦氣釋放裝置、囊體切割裝置、動力推進裝置等執行機構的控制主要通過地面主控計算機來完成。通過對平流層飛艇系統構成與功能分析，平流層飛艇控制行為邏輯如圖1所示。溫度傳感器、壓力傳感器、慣導單元等數據采集單元將采集的飛艇狀態數據傳輸給飛控計算機/安控計算機；飛控計算機將飛艇狀態數據通過艇載測控設備以遙測數據的形式下傳給地面測控站；飛艇系統地面主控計算機解析地面測控站接收的遙測數據，由遙測數據判斷飛艇系統狀態，并根據飛艇系統狀態發送控制指令；飛艇系統地面測控站以遙控指令形式將控制指令上傳給艇載測控設備；飛控計算機/安控計算機解析遙控指令，控制飛艇相關執行機構和設備作動；執行機構和設備作動后，飛艇狀態改變。

由平流層飛艇系統控制行為邏輯可得其主體行為邏輯，如圖2所示，飛艇系統地面主控計算機解析測控分系統的遙測數據，判斷飛艇系統狀態，并根據飛艇系統狀態發送遙控指令給飛控計算機/安控計算機以控制執行機構和設備作動。

2 平流層飛艇測試行為邏輯

由平流層飛艇系統主體行為邏輯設計平流層飛艇系統測試行為邏輯。由平流層飛艇系統主體行為邏輯可知地面主控計算機為其控制主體。因此，平流層飛艇系統測試行為邏輯為：通過發送測試指令,控制地面主控計算機和接收地面主控計算機轉發的狀態數據,實現對飛艇系統的功能測試。平流層飛艇系統測試行為邏輯如圖3所示。測試指令根據飛艇系統測試行為形成。

根據飛艇控制行為形成平流層飛艇測試行為。平流層飛艇測試行為主要包括以下幾類：飛艇試驗階段選擇，人為設定不同試驗階段以執行不同的控制策略；飛艇測控鏈路選擇，選擇一條或多條鏈路工作，其他鏈路中斷；飛艇艇載控制計算機選擇，根據不同的控制策略選擇不同的艇載控制計算機，飛控計算機多用于控制電機、風機、閥門等執行飛艇飛行策略的機構；安控計算機多用于控制閥門、囊體切割裝置等執行試驗安全策略的機構。某些研制單位的飛艇系統僅有飛控計算機，將安控計算機的功能與飛控計算機融合一起；飛艇執行機構選擇包括電機、風機、閥門、囊體切割裝置等；飛艇狀態監測包括鏈路狀態、執行機構狀態等。由測試行為組成測試流程，總體測試流程如圖4所示。

由平流層飛艇系統測試行為邏輯建立平流層飛艇試驗測試模式，如圖5所示。采用測試程序發送測試指令，由中間指令轉換軟件轉換成控制指令來控制飛艇系統地面主控計算機的模式。測試執行狀態的判斷主要依賴于測試程序解析指令轉換軟件轉發的飛艇狀態數據與輔助測試設備獲取的數據。采用指令轉換軟件的測試模式有以下優點：① 通用性較高。因多家研制單位研發的多種型號平流層飛艇系統控制指令格式與遙測數據幀格式均不一致，通過指令轉換軟件可適應多種型號平流層飛艇系統；② 可保證測試行為的安全性，避免試驗測試系統程序直接控制飛艇系統地面主控計算機可能造成的誤操作。另外，指令轉換軟件涉及到飛艇系統具體的控制指令，需根據研制單位提供的飛艇系統控制協議來完成編輯。

3 平流層飛艇試驗場測試系統

根據平流層飛艇試驗測試模式設計試驗測試系統。試驗測試系統主要由測試程序、指令轉換軟件以及輔助測試設備等構成。測試程序主要實現以下功能：測試流程生成，測試流程由測試行為構成；將測試流程中每一條測試行為轉換為測試指令數據幀；發送測試指令數據幀，并讀取指令轉換軟件發送的測試指令接收狀態數據幀；控制輔助測試設備，讀取飛艇狀態數據與輔助測試設備獲取的數據，判斷測試執行狀態，給出測試結論。指令轉換軟件主要功能為：測試指令接收狀態確認；測試指令與控制指令的轉換；完成飛艇遙測數據幀格式轉換并將轉換后形成的飛艇狀態數據轉發給測試程序。

由平流層飛艇主體行為邏輯可知，飛艇測控系統為連接飛艇艇載設備與飛艇地面主控計算機的關鍵節點，其包含UHF、L、S、C等多個視距通信鏈路與衛星通信鏈路[18-19]，可采用天線、微波電纜與頻譜分析儀、功率計等輔助測試設備監測飛艇測控鏈路切換狀態與通斷狀態。對于飛艇艇載控制計算機和執行機構的狀態數據,則因平流層飛艇系統集成完畢后,通常不會預留給試驗測試系統接觸式測試接口，因此試驗測試系統無法直接獲取兩種狀態數據，只能通過解析轉發的遙測數據幀的形式來實現。

平流層飛艇試驗測試系統測試程序功能實現方式如下：

1) 測試流程由測試行為組成，按照圖4所示的總體測試流程將測試行為編輯在文本文檔中，形成測試流程文本文檔。

2) 測試流程中測試行為定義設計。測試行為定義采用16進制字符的形式，定義如表1所示，其中，飛行試驗階段選擇以01～09來代表，飛艇測控鏈路選擇以A0～BF來代表，飛艇艇載控制計算機選擇以C0～CF來代表，飛艇執行機構選擇以D0～EF來代表。測試行為的定義不局限于此，也可根據實際情況從00～FF順序定義。測試行為定義編輯于文本文檔中，形成測試行為定義文本文檔。

3) 測試指令數據幀生成方式設計。測試指令數據幀生成采用讀取測試流程文本文檔與測試行為定義文本文檔的方式。首先讀取測試流程文本文檔中的測試行為，然后從測試行為定義文本文檔中找出代表該條測試行為的十六進制字符，最后以該十六進制字符為數據段并在其前添加幀頭、幀尾組成測試指令數據幀。測試指令數據幀格式如表2所示，由幀頭、數據段內容長度、數據段、幀尾(校驗和)等組成。

表1 測試行為定義Table 1 Definition of test behavior logic

注：測試行為也可順序定義，不局限于此表定義方式。

4) 測試指令接收狀態數據幀與飛艇狀態數據幀格式設計。測試指令接收狀態數據幀由中間指令轉換軟件在接收到測試指令后生成并發送給測試程序，幀格式如表3所示，以字節4代表測試指令接收狀態，利用十六進制字符[20]代表4種狀態，01代表接收并執行成功，02代表校驗錯誤，03代表條件不具備無法執行，04代表執行超時。

飛艇狀態數據由飛艇遙測數據生成，提取遙測數據中飛艇狀態數據，由中間指令轉換軟件完成幀格式轉換后發送給測試程序。飛艇狀態數據幀格式如表4所示，由固定的幀頭、數據段(飛艇狀態)、幀尾(校驗和)構成。

5) 測試指令數據幀、測試指令接收狀態數據幀、飛艇狀態數據幀等傳輸采用UDP或TCP/IP協議。

6) 輔助測試設備控制，主要為頻譜分析儀、功率計等臺式儀器的控制。通過交換機與LAN口實現遠程控制。此種控制方式便于根據測試需求擴展控制的儀器。

表2 測試指令數據幀Table 2 Data frame of test instruction

表3 測試指令接收狀態數據幀Table 3 Data frame of receiving state of test instruction

表4 平流層飛艇狀態數據幀Table 4 Data frame of stratospheric airship state

4 方法驗證

基于以上方法建設平流層飛艇試驗測試系統，該測試系統程序主體基于開發的虛擬儀器測試環境編制，程序集成了UDP通信模塊、頻譜分析儀與功率計控制模塊，采用測試流程節點和面向儀器操作相結合的編寫方式，具備流程開發、測試結果判斷、數據管理等功能。

基于建設的試驗測試系統開展了針對某型平流層飛艇的全系統拷機測試，輔助測試設備為頻譜分析儀。該飛艇系統飛行試驗階段包括地面調試、升空、自主巡航、降落模式等，飛行時間為24小時。艇載控制機算機僅包含飛控計算機[21]，測試中不做艇載控制計算機選擇。測控鏈路包含UHF、L等波段通信鏈路，執行機構為閥門(包含多個，分布于囊體前部、中部等不同位置)、電機、焰索等。焰索為囊體切割裝置，為易損件，因此針對焰索的測試通過監測其供電電壓來實現。

全系統拷機測試旨在驗證飛艇系統長時工作可靠性，主要從時間上模擬各飛行試驗階段，于不同的試驗階段執行不同的控制操作。測試系統與飛艇地面主控計算機之間的信息交互通過試驗網絡實現。根據第3節所述的方法分別編寫了測試流程文檔與測試行為定義文檔，并利用測試程序讀取相關文檔形成測試流程節點，全系統拷機測試程序測試流程節點界面如圖6所示。

基于該測試程序開展了24個小時的全系統拷機測試，正常運行情況下無需人工值守，在自動執行過程中出現報警后人工干預即可。部分測試結果如圖7所示，圖7為飛艇自主巡航模式下利用UHF鏈路控制中部主閥門結果，1代表執行成功。通過全系統拷機測試驗證了測試方法的有效性。

5 結 論

地面測試是保證平流層飛艇飛行試驗安全的關鍵措施之一。本文提出了基于行為邏輯的平流層飛艇測試方法，用于指導平流層飛艇關鍵分系統功能考核測試和全系統拷機測試。該方法具有以下優點：

1) 通用性較高，適用于多種類型平流層飛艇的測試。

2) 采用定義測試行為的測試程序編寫方式，測試程序編寫較為簡單。通過具體測試實施表明，本文提出的方法具有很強的操作性，并顯著提高了測試效率，降低了人為差錯的影響。