大型直升機載荷試飛遙測監控系統設計與實現

余忠烜 吳承發 顧文標 鮑志澤 虞漢文

航空工業直升機設計研究所 江西 景德鎮 333001

引言

飛行載荷是直升機進行結構設計和壽命驗證的關鍵性數據。新機研制初期，一般采用工程軟件如CAMRDII計算結構的設計載荷，用于結構尺寸的定義和壽命的設計工作。由于在建立載荷計算理論模型的過程中，很難系統、全面地模擬諸多因素對直升機載荷的影響，如何提高計算載荷的準確性，特別是旋翼系統的載荷，一直是個具有挑戰性的難題。目前結構設計的完善、驗證及其壽命評定的主要依據仍然是飛行載荷，一旦新機進入試飛階段，需要立即開展飛行載荷測量以獲取全機的準確載荷。

AC313型直升機載荷試飛為國內首次實現大型直升機載荷試飛全方位實時監控，實時監控系統設計中攻克了參數定義、數據傳輸、測試噪聲控制、界面設計及抗干擾性設計等一系列難題，本文詳細論述了AC313直升機載荷試飛遙測監控安全系統的關鍵參數確定、遙測監控系統硬件和軟件系統設計等相關內容，可以為其他大型直升機實時監控系統設計提供借鑒。

1 載荷試飛特征與遙測監控安全系統設計思路

1.1 載荷試飛實時監控總體需求

根據AC29.571要求，AC313適航取證需要進行完備的載荷試飛、評定以保證旋翼航空器在飛行中的結構可靠性。AC313型機載荷測量的試飛項目，主要依據AC313為初步設計飛行譜，測量狀態包括不同重量、重心、飛行高度各種飛行狀態組合，重量包括大重量（13000千克）、中等重量（12000千克）和小重量（10000千克），重心包括前重心、正常重心、后重心，飛行高度包括低高度（Hp1000m以下）、中高度（Hp2000m以下）、高高度（Hp3000m以上）。主要試飛方法包括地面滑行、滑跑起飛、有地效懸停、無地效懸停、懸停回轉、增速轉彎、小速度平飛、平飛側滑、俯沖拉起、自轉、下滑轉彎等。需要驗證的試驗狀態點達2000余個，大部分狀態點屬于首次進行，需要進行包線拓展。為保證試飛安全，需要進行全方位的載荷實時監控。

AC313型機安全監控系統需要達到以下2個目標：

1.1.1 實時監測試驗機狀態：在飛行試驗實施過程中，通過飛行試驗測量和遙測監控系統，實現飛行參數、關鍵部件（系統）數據和安全參數的實時處理和顯示，輔助試飛工程師、試飛指揮員在地面指揮中心全面掌控飛行試驗進展情況和試驗機狀態，指揮試飛員安全、有效地完成飛行任務；

1.1.2 風險防控及預警：在飛行試驗實施過程中，實時進行飛行實測數據處理和專業數據分析，快速評估試飛結果，通過關鍵部件（系統）數據顯示和安全裕值超限報警，提前預警，預防及控制風險的發生。

圍繞目標，并考慮直升機試飛飛行的特點和試驗場地空域情況對安全監控系統作用范圍和范圍進一步提出要求；載荷試飛需要監控大量的振動、應變參數，這些參數采樣率高達4096Hz，系統需要考慮傳輸帶寬的要求；另外機上電磁環境復雜，需要考慮電磁抗干擾要求；具體如下：

1.1.2.1 地面接收設備可顯示不同的飛行參數、操縱參數、總線位參數和其他緩變參數；

1.1.2.2 機載遙測發射子系統和地面遙測接收處理子系統，組成一套單流數字式實時遙測監測系統，系統碼速率不小于10Mbps，誤碼率優于1×10-5，實時性優于60ms。

1.1.2.3 遙測作用范圍：距離范圍200m～100km，高度≤6000m，系統應符合直升機試飛飛行的特點，保證在直升機近地面低仰角和高速飛行過頂時，能有效跟蹤直升機和接收到遙測數據；

1.1.2.4 實現自動跟蹤、GPS引導跟蹤和手動跟蹤試驗直升機，可靠接收解調遙測信號，跟蹤速率優于30°/s；

1.1.2.5 完成遙測碼流碼同步、幀同步，實現遙測數據分路、合并、工程單位轉換、處理、顯示、打印和存儲，具有實時處理和顯示功能，對試飛期間直升機飛行航跡、飛行參數、旋翼載荷、振動、總線參數、溫度等關鍵參數進行實時時域、頻譜、幅值監測報警；

1.1.2.6 系統具有誤碼率統計、丟幀統計、時間連續性檢查等；

1.1.2.7 遙測數據可存儲記錄和打印，事后數據回放處理，要求實時遙測記錄數據輸出格式能滿足地面數據處理系統的數據導入要求；

1.1.2.8 數據真實可靠，系統具備相應的抗干擾技術措施。

1.2 遙測監控安全系統設計總體思路和構架

圍繞實時安全監控系統總體技術要求，首先進行系統架構設計，明確系統主要組成部分，重點考慮實時安全監控系統與機載測試系統的兼容與匹配性；利用全機強度理論分析和地面試驗結果，明確機體相對薄弱部位并進行針對性的監控；電磁干擾直接影響直升機遙測監控系統監控效果，必須在系統設計之初進行系統降噪設計，具體流程見圖1。

圖1 系統設計總體思路

根據試飛測試的要求，在直升機上加裝機載數據采集記錄系統，同時配套機載遙測發射系統，在試飛測試參數中選擇需要在地面實時監測的參數，通過機載遙測設備發射到地面。地面建立遙測地面站，由遙測接收系統和計算機數據處理系統組成，遙測計算機和數據終端計算機通過以太網絡交換數據，遙測接收系統跟蹤接收機載遙測發射信號，遙測終端對遙測數據進行同步、解碼，通過計算機網絡廣播發送到數據處理終端，數據處理計算機進行專業處理和數據顯示，由專業技術人員和試飛工程師對試飛直升機的數據進行實時監控，如飛行參數、關鍵部件（系統）的載荷和振動等數據，監控計算機設在試飛指揮塔臺，便于及時快捷地把監測情況反映給試飛指揮員，同時也建立了起飛/著陸攝像視頻監視系統，實時遙測監測系統可以及時準確地為試飛指揮提供直升機狀態和飛行情況，為試飛安全提供保障。目前我們的試飛遙測和監控指揮系統見圖3。

圖2 試飛遙測和監控系統總體構架

2 系統軟件、硬件設計

2.1 直升機機載遙測發射、接收系統

結合前期和當前遙測與監控系統發展來看，在AC313直升機飛行試驗中，保證每個飛行架次測試數據的有效性和飛行的安全是試飛飛行試驗的基本要求。試飛最終目的是通過對有效的試飛數據進行分析，驗證設計要求和結果。如圖3所示AC313直升機遙測綜合系統結構體系。

圖3 AC313直升機遙測綜合系統結構體系

圖4 地面遙測系統

2.2 軟件系統

自主實時監控組態軟件平臺以功能模塊劃分為設計主導思路，劃分為三個功能模塊：數據I/ O 模塊、運行管理模塊、圖形界面模塊。三個部分接口清晰、功能獨立。

2.2.1 I/ O 驅動模塊：是試飛實時監控組態軟件中必不可少的部分，由于和I/ O設備通信，互相交換數據，包括接口模塊、實時通信模塊等。它是實時監控軟件與遙測前端數據處理系統的橋梁，是該軟件的基礎，為整個軟件提供數據來源，向下為實時監控客戶端提供監控參數名，向上提供實時遙測數據。

2.2.2 運行管理模塊：用于管理和維護工程中的各種信息，如監控軟件通信配置信息、監控頁面參數配置信息等，同時還將接收到的網絡數據處理為可理解和便于進一步利用的結果，并把處理結果遞交給圖形界面模塊以驅動監控組件。此外，該模塊還負責新建工程、工程備份等功能。

2.2.3 圖形界面模塊：是一個進行圖形系統生成工作所依賴的開發環境。圖形界面是監控系統的前端，通過建立一系列用戶數據文件及操作，生成最終的圖形目標應用系統。生成的目標應用程序可在圖形運行環境中運行。在圖形界面上還具備報警通知及確認、報表組態及打印、顯示功能。各種報警、報表、趨勢都是動畫連接的對象。其數據源都可以通過圖形界面指定，然后通過運行模塊，取得各種處理好的參數，把監控對象通過儀表、曲線、告警燈等形式反映給試飛工程師。

3 系統關鍵參數確定和抗干擾性設計

3.1 關鍵參數的確定

3.1.1 應變監控參數。利用已建立的全機靜力模型，計算了AC313直升機不同框段及連接強度，并根據計算結果確定強度薄弱部件（槳轂五叉件典型應力計算云圖見圖5），并布置監控點，另外考慮重要部件，如槳葉不同剖面應變，尾槳、自動傾斜器旋轉部件的應變和防扭臂的扭矩、旋翼軸軸力、應變等48個參數，在監控系統工程師根據實際情況選取部分參數實時監控。

圖5 槳轂五叉件應力計算云圖

3.1.2 振動監控參數。振動測試參數選擇主要考慮需要監控部件，針對性地選擇測點：駕駛員座椅、駕駛員座椅地板、主減速器安裝支座（左前撐桿）、主減速器安裝支座（左后撐桿）、主減速器安裝支座（右前撐桿）、主減速器安裝支座（右后撐桿）、主減速器安裝支座（左防扭）、主減速器安裝支座（右防扭）、主減速器上端面、主減速器上機匣和中機匣聯結處1、主減速器上機匣和中機匣聯結處2、主減速器中機匣和下機匣聯結處1、主減速器中機匣和下機匣聯結處2、主減速器尾傳輸出、尾減速器輸入端、尾減速器輸出端、尾傳動軸支座、尾傳動軸支座、發動機安裝支座、尾水平后軸1/2處。

3.2 電磁抗干擾措施

對于任何一個測試系統，都有干擾的存在，對于直升機遙測監控系統，更是如此，直升機機載設備眾多，并且超短波電臺的信號頻發，加劇了這種電磁干擾。直升機遙測監控系統，如果其抗干擾能力很差，那么它測得的數據就是不可信的，反映不了直升機的特性。

所有的電磁干擾都是有三個基本要素組合而產生的，它們是：干擾源、耦合途徑、敏感設備。要抗干擾，就必須分析測試系統所處的工作環境和測試系統組成的各個環節，找出干擾源和耦合途徑，并采取措施消除干擾源、切斷耦合途徑。所以電磁干擾的抑制方法從以下三個方面入手：抑制電磁干擾源、切斷電磁干擾耦合途徑和降低電磁干擾響應者的電磁敏感性。直升機上空間輻射干擾非常嚴重，所以，測試系統電源問題的處理和屏蔽非常重要。同時，為了消除計算機對數據采集卡所產生的干擾，還要采取相應的軟件抗干擾技術。

信號線和動力線布線時為了避免電磁感應噪聲、靜電感應噪聲干擾，采取了下述對策：

3.2.1 容易受影響的設備，應盡量遠離機上電磁發射裝置、包括天線。

3.2.2 容易受影響的信號線，應盡量遠離變頻器的輸入、輸出線。

3.2.3 避免信號線和動力線平行布線和成束布線。

3.2.4 信號線和動力線使用屏蔽，分別套入金屬管，并且金屬管之間距離至少20cm。

3.2.5 在采集器設置抗混濾波器，根據直升機載荷、振動、飛行特性參數特點，對1000Hz以上成分濾除。

另外，軟件同樣起到很好的濾波效果，因為直升機振動、載荷的變化非常復雜，不適合采用限值濾波或中值濾波等數字濾波。所以，本系統主要采取的是：在數據處理軟件系統中，采用低通數字濾波，以減弱高頻干擾及現場可能存在的隨機干擾。

對旋翼系統應變，對18Ω（380Hz）以上信號進行濾除。

考慮信號衰減，機身應變對10Ω（212Hz）以上信號進行濾除。

對駕駛員座椅及地板等主槳影響區振動測點，考慮不同頻率振動對人體影響因子，對12Ω（48Hz）以上信號進行濾除。

對尾傳動及尾減機匣等尾槳影響區測點，主要監控動平衡，機身應變對2Ωt（112Hz）以上信號進行濾除。

所有振動信號，進行頻域分析，實時監控頻域振動幅值，減少隨機干擾的影響。

4 遙測監控系統具體實現

4.1 機載硬件

機載數據采集器簡稱“采集器”，采集器常用的是脈沖編碼（PCM）采集器，脈沖編碼（PCM）采集器主要有固定程序（固定程序的邏輯電路）和可編程（可編程的邏輯電路）這兩種數據采集器，本系統采用的數據采集器為法國公司生產的UMA2000系列采集器。對多路模擬信號和數字信號以及總線信號進行采集變換的裝置，其輸出的信號能直接送入遙測發射機，通過遙測發射天線送到遙測接收終端。機載數據采集器是機載數據系統的核心裝置。

地面設備系統包括接收機、天線、信號變換器、終端計算機、實時監控計算機、網絡交換機、網絡打印機、攝像機、視頻顯示器、GPS、UPS電源及電源穩壓器等。

地面設備用來接收、記錄、處理飛行遙測數據。并且，可以把所有的數據以不同的形式實時地傳送到各個地面監控點。

4.2 軟件編碼及實現

系統通過建立Socket 套接字的方式與遙測實時數據處理前端進行數據交換。當前，常用的網絡數據傳輸協議包括TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協議)和UDP(User Datagram Protocol，用戶數據報協議)兩種。TCP 是一種面向連接的協議，允許從一臺計算機發出的字節流無差錯地發往網絡上的其他計算機。兩臺TCP 主機間進行數據交換之前，必須通過三次握手機制先相互建立會話，通過確認和按順序傳遞數據來確保數據的可靠傳輸，其在發生丟包時會進行數據包重傳。TCP 一般應用在要求數據傳輸具有較高可靠性的場合。UDP 提供盡量傳遞的無連接數據服務，它不能確保或確認數據傳遞或數據順序，由使用UDP 的程序負責提供傳輸數據所需的可靠性。對同一個局域網來說，使用UDP 能夠獲得良好的性能，它能夠滿足數據傳輸量不太大、數據實時性較高的應用場合，在這種情況下，UDP 的低開銷和多播能力比TCP更合適。試飛實時監控網絡屬于專用網絡，網絡規模較小，數據一般不需要在交換設備間進行多級跳轉，因此，數據包丟失或出現錯序的概率較低。同時，試飛實時監控對數據實時性具有很高的要求，因此，選用UDP 傳輸協議具有其特定的優勢，PCM 數據處理前端服務器與該自主實時監控組態軟件建立UDP 鏈接，從而將遙測數據“推送”到監控軟件畫面，確保數據的實時性。

參數解算模塊接收到的PCM 參數通常是由服務器軟件已經解算好的物理量，對于該類參數，解算模塊不做任何操作直接輸出到該組件的數據驅動接口。但是，同時也存在著部分服務器無法完成解算或解算過于復雜的參數，如一個PCM[8-9]字中包含了多個開關量。對于這部分參數，則需在監控畫面中進行計算以得到正確的物理量。遙測數據處理常用算法包括多PCM 字合并、取位以及表達式運算。

圖形界面模塊為試飛人員提供了與平臺交互的接口，是整個軟件的核心部分，用戶可以方便地通過鼠標拖拽組件的方式而不是編程方式進行控件的創建和配置編輯工作。監控畫面的制作過程完全是一個可視化操作，利用鼠標等輸入設備，動態創建所需要的監控組件并對其進行任意縮放和拖動位置以及進行參數和運算配置，從而實現用戶對監控畫面的自由組態。編輯好的畫面進入運行狀態后，各組件接收過程邏輯層解算好的參數實現實時狀態刷新。該模塊的實現主要包括監控組件模型庫的開發以及組件的動態調用。

4.3 實施效果

AC313型機載荷測量試飛在江西景德鎮呂蒙機場進行，AC313載荷測量試飛共組織飛行58天，累計飛行127小時30min/118架次，試飛結果表明：

4.3.1 根據旋轉測試對象的結構形式、尺寸及工作轉速等特性設計的測試系統，滿足大型直升機載荷試飛對旋翼系統測試的要求，適用性強。

4.3.2 編碼正交頻分復用調制技術相比傳統的集流環等信號傳輸技術，測試信號傳輸的可靠性、效能和信號的質量優勢明顯，系統使用壽命也大幅提高。

4.3.3 空心感應線圈供電和光信號傳輸等技術使得系統的小型化成為可能，測試信號可加密傳輸，且不易受干擾，解決了高速旋轉動部件高精度實時測量的需求。

5 結束語

從AC313直升機載荷試飛安全監控的實際需求出發，進行了載荷試飛遙測和監控系統總體參數設計，依據理論分析設置了載荷和振動參數，在系統安裝和線路布置及軟件考慮了電磁抗干擾；實施效果表明該系統穩定性較好，且不易受干擾，能滿足AC313直升機載荷試飛安全監控要求。

本文提供的遙測和監控系統軟件、硬件設計，特別是基于理論模型的監控參數確定和抗干擾設計技術可以為其他直升機實時監控系統設計提供借鑒。