霍靂+代月松+程瑩瑩

摘要：以試飛機載測試系統(tǒng)為研究對象，扼要地介紹了新型機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，分析新型測試系統(tǒng)所對應(yīng)建筑物的工藝設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：機載網(wǎng)絡(luò)化測試；飛行試驗；試飛監(jiān)控；遙測

引言：

目前國內(nèi)外新一代飛機設(shè)計采用的新技術(shù)、新材料、新設(shè)備在大量增加，隨之試飛要求測試參數(shù)的類型和參數(shù)量也在急劇增加，往往一架試驗機上加改裝的各種測試設(shè)備就可達幾千臺件，鋪設(shè)的測試電纜重達幾噸，給試飛測試的實現(xiàn)帶來了極大的困難。為滿足新一代飛機試飛的需求，機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)應(yīng)運而生，本文對機載測試系統(tǒng)的發(fā)展進行分析探討，并對相應(yīng)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(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，國外新一代飛機設(shè)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(xiàn)在要在2～3年內(nèi)完成。大量新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的應(yīng)用，使得飛行試驗測試的參數(shù)數(shù)量劇增，新型測試參數(shù)類型大大增加。因此，傳統(tǒng)PCM測試系統(tǒng)架構(gòu)無論從系統(tǒng)的設(shè)計、配套、擴展、調(diào)試、測試、維護和管理，數(shù)據(jù)傳數(shù)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(shù)的類型和參數(shù)數(shù)量到技術(shù)復(fù)雜程度都發(fā)生了重大的變化，它們具有以下主要特點：

* 試飛科目復(fù)雜，技術(shù)難度大：新一代飛機系統(tǒng)多，結(jié)構(gòu)復(fù)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(tǒng)之間的干擾也增加了飛行試驗的技術(shù)難度。對于很多風(fēng)險科目，新一代飛機飛行試驗中的風(fēng)險性和技術(shù)難度也大的多；

* 結(jié)構(gòu)完整性試飛/試驗涉及的時間周期長；

* 測試參數(shù)類型多、測量參數(shù)量大、試飛測試技術(shù)要求高：以A380飛機為例：一架飛機測試40000多個參數(shù)，，其中模擬量參數(shù)6000多個參數(shù)，遙測傳輸3000多個參數(shù)。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(jié)點要求嚴(yán)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(shù)復(fù)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(wǎng)絡(luò)的測試：如A380飛機采用了航空全雙工數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(shù)數(shù)量的快速增長趨勢。

2、機載測試技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

2.1 PCM架構(gòu)測試技術(shù)特點與局限性

多年來在國內(nèi)外飛行試驗領(lǐng)域，機載測試系統(tǒng)架構(gòu)一直把IRIG–106第四章遙測標(biāo)準(zhǔn)即時分制的脈沖編碼調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（簡稱PCM架構(gòu)），作為數(shù)據(jù)傳輸和記錄的標(biāo)準(zhǔn)。這種測試系統(tǒng)架構(gòu)在以往飛機的飛行試驗中一直得到成功的應(yīng)用。

PCM架構(gòu)的機載測試系統(tǒng)可以通過軟件編程設(shè)計PCM幀結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照預(yù)先確定的數(shù)據(jù)采集格式循環(huán)采集數(shù)據(jù)，并將采取的數(shù)據(jù)插入PCM數(shù)據(jù)流，分別送入遙測傳輸和記錄系統(tǒng)。具有穩(wěn)定、可靠的優(yōu)勢，其系統(tǒng)配置是固定的，帶寬是已知的；無數(shù)據(jù)重復(fù)傳播；無數(shù)據(jù)沖突等特點。

然而在實際應(yīng)用中，隨著PCM架構(gòu)的機載測試系統(tǒng)不斷擴展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，設(shè)計、配套、擴展、調(diào)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(gòu)機載測試系統(tǒng)已無法滿足大型飛機海量測試參數(shù)及測量參數(shù)類型多、測量點多、參數(shù)分布廣、試飛風(fēng)險高，時間節(jié)點要求嚴(yán)格要求的現(xiàn)狀。

2.2 機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)特點與應(yīng)用

隨著許多商用技術(shù)的不斷發(fā)展，歐、美國家早在九十年代末期就結(jié)合航空工業(yè)的需要，率先開展了機載網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)的深入研究工作，把許多成熟的技術(shù)，尤其是以太網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用到飛行試驗測試系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計中。

（1）機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)簡介

機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)架構(gòu)具有所有商業(yè)貨架產(chǎn)品的優(yōu)勢：開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于所有IT領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)如 AFDX 和 ARINC664。相對于PCM 它還有其它的優(yōu)勢：首先，PCM 采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集到發(fā)送之間存在一個串行的鏈路；而以太網(wǎng)以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送數(shù)據(jù)；設(shè)備之間連接簡單，所需電纜少；設(shè)備配套靈活，不需要專用的加載設(shè)備；各個采集節(jié)點之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；另外，目前最先進的PCM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最高位速率約為20Mbps， 而以太網(wǎng)則能達到100Mbps、1Gbps。

在一個千兆網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)中，機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以設(shè)計為二層至三層。二層或三層根據(jù)具體測試參數(shù)和飛機上分布的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及選用的主控交換機交換端口來確定。通常二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能夠連接數(shù)十個機載測試設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以滿足幾萬個測試參數(shù)的需求。圖2是一個典型的二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中底層由多組機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器機箱組成，每組包含多個非管理型二級網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)交換機。

（2）機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)應(yīng)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(wù)的需求，上述飛機的機載測試系統(tǒng)架構(gòu)采用了以太網(wǎng)加PCM混合架構(gòu)即機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)級聯(lián)仍采用主輔結(jié)構(gòu)，在每一條鏈路中的主采集器輸出一路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，多臺主采集器輸出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交換機再分別傳輸?shù)綑C載數(shù)據(jù)記錄器、機載數(shù)據(jù)實時處理等子系統(tǒng)中。A380大型客機機載測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 A380飛機機載測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

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

* 實現(xiàn)了系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)共享，解決了大容量采集數(shù)據(jù)的傳輸；

* 解決了多個采集鏈路實時遙測數(shù)據(jù)的傳輸；

* 系統(tǒng)不同子系統(tǒng)間達到毫秒級的時間同步精度。

機載測試局域網(wǎng)雖然在試飛中得到了成功的應(yīng)用，但由于該系統(tǒng)中機載數(shù)據(jù)采集器架構(gòu)仍基于主、輔鏈接，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集只能通過自主采集來實現(xiàn)，一臺采集器實際應(yīng)用的最高位速率仍≤7Mbps，使測試寬帶數(shù)據(jù)的成本增加；

* 沒有實現(xiàn)系統(tǒng)高精度時間同步；

* 機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集程序的設(shè)計、配套、調(diào)試、維護和管理仍然十分困難，系統(tǒng)的擴展和裁減十分復(fù)雜；

* 主控網(wǎng)絡(luò)交換機采用的是工業(yè)加固交換機，測試數(shù)據(jù)通過交換機傳輸效率只有30%、主控交換機不支持IEEE1588 V1協(xié)議，不具備機載測試環(huán)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(huán)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(tǒng)缺乏故障診斷；

* 機載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的高速記錄數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的地面支持設(shè)備等。

通過A380和波音787客機的飛行試驗驗證，網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在機載測試系統(tǒng)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(shè)計定型的進度，可以采用完全網(wǎng)絡(luò)化的機載測試系統(tǒng)架構(gòu)來解決以太網(wǎng)加PCM混合架構(gòu)存在以上技術(shù)缺陷。

3、試飛測試地面配套條件建設(shè)規(guī)劃

新一代飛機飛行試驗具有試飛科目復(fù)雜、測試數(shù)據(jù)量大等特點，這就需要地面配套更多的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、更快的數(shù)據(jù)處理能力、更大的試飛數(shù)據(jù)顯示條件等。試飛監(jiān)控中心是地面監(jiān)控設(shè)施的承載建筑物，本文以某單位試飛監(jiān)控中心設(shè)計方案為例，對新一代飛機采用機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)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(jiān)控中心布局

某單位試飛監(jiān)控中心由遙測機房、控制室、監(jiān)控大廳、大屏幕維護室。試飛監(jiān)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(shù)據(jù)存儲機柜、數(shù)據(jù)處理機柜等，完成試飛遙測數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理等工作。

機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的應(yīng)用使得遙測數(shù)據(jù)量大大增加，數(shù)據(jù)存儲能力及數(shù)據(jù)處理能力均需要得到相應(yīng)的提升，數(shù)據(jù)處理機柜及數(shù)據(jù)存儲機柜的數(shù)量也就相應(yīng)的需要增加，且需要考慮預(yù)留發(fā)展，因此在今后的試飛監(jiān)控中心的規(guī)劃設(shè)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(shù)據(jù)重要程度較高，且需要承擔(dān)試飛數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的任務(wù)，因此遙測機房至少需要按照C類機房進行設(shè)計。

（2）控制室

控制室用于控制整個試飛監(jiān)控大廳的遙測數(shù)據(jù)接收、存儲、處理、顯示等一系列工作。

考慮到遙測數(shù)據(jù)量的增加及預(yù)留發(fā)展，需要為控制室留有足夠的面積。且控制室也承擔(dān)著部分參觀的任務(wù)，在保證控制臺、工作人員工作區(qū)域及工作人員走廊寬度的基礎(chǔ)上，需要留有足夠?qū)挾鹊膮⒂^走廊。

（3）監(jiān)控大廳

監(jiān)控大廳主要承擔(dān)型號飛機試飛觀演的任務(wù)，主要包括領(lǐng)導(dǎo)觀演區(qū)、監(jiān)控區(qū)、演講區(qū)。監(jiān)控大廳一般跨度及長度較大，以本監(jiān)控大廳為例，跨度23.4米、長度30米，屬于我國近幾年建設(shè)的大型監(jiān)控大廳，該監(jiān)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(jiān)控大廳的舒適度，該監(jiān)控大廳采用兩層通高設(shè)計。

（4）大屏幕維護室

大屏幕維護室主要用于對監(jiān)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(cè)溫差較大而出現(xiàn)中間區(qū)域突出的現(xiàn)象， 需要控制大屏幕兩側(cè)溫差不大于5℃。因此，大屏幕維護室需要配置精密空調(diào)，以保證大屏幕對溫度的苛刻要求。

4、結(jié)束語

隨著C919等大型飛機研制工作的展開，機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)以其高效的傳輸速度、靈活的設(shè)備配套等優(yōu)點，是未來試飛測試的必然趨勢。另外，隨著試飛測試技術(shù)的發(fā)展，試飛監(jiān)控中心的規(guī)劃建設(shè)也需要隨著試飛測試工藝需求進行適應(yīng)性優(yōu)化。

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