论文部分内容阅读
摘要：以试飞机载测试系统为研究对象，扼要地介绍了新型机载网络化测试系统，分析新型测试系统所对应建筑物的工艺设计要点。
关键词：机载网络化测试；飞行试验；试飞监控；遥测
引言：
目前国内外新一代飞机设计采用的新技术、新材料、新设备在大量增加，随之试飞要求测试参数的类型和参数量也在急剧增加，往往一架试验机上加改装的各种测试设备就可达几千台件，铺设的测试电缆重达几吨，给试飞测试的实现带来了极大的困难。为满足新一代飞机试飞的需求，机载网络化测试系统应运而生，本文对机载测试系统的发展进行分析探讨，并对相应的地面配套条件需求变进行研究。
1、新一代飞机飞行试验的特点
随着计算机技术、网络技术和传感技术的快速发展，国外新一代飞机设计定型试飞的周期越来越短，以前一个型号需要5～6年才能完成的试验，现在要在2～3年内完成。大量新技术、新材料、新设备的应用，使得飞行试验测试的参数数量剧增，新型测试参数类型大大增加。因此，传统PCM测试系统架构无论从系统的设计、配套、扩展、调试、测试、维护和管理，数据传数量，高精度的时间同步和信息共享等方面已无法满足新一代飞机飞行试验的测试要求。
新一代飞机飞行试验与90年代的飞行试验相比，从飞机试飞鉴定的周期，测试参数的类型和参数数量到技术复杂程度都发生了重大的变化，它们具有以下主要特点：
* 试飞科目复杂，技术难度大：新一代飞机系统多，结构复杂，同样的试飞科目，在新一代飞机的试飞中，涉及的影响因素要多得多，系统之间的干扰也增加了飞行试验的技术难度。对于很多风险科目，新一代飞机飞行试验中的风险性和技术难度也大的多；
* 结构完整性试飞/试验涉及的时间周期长；
* 测试参数類型多、测量参数量大、试飞测试技术要求高：以A380飞机为例：一架飞机测试40000多个参数，，其中模拟量參数6000多个参数，遥测传输3000多个参数。各种总线超过800多条，其中ARINC429总线近800条，还有许多400Mbps高速串行总线信号；
* 试飞周期紧，时间节点要求严格：国外大型飞机飞行试验周期一般情况下为2年左右。而技术复杂性，试飞难度大的A380飞机的试飞，取证试飞仅用了1.7年时间；
* 新型网络的测试：如A380飞机采用了航空全双工数据网络AFDX、ARINC664总线等；
* 视频信号多：如A380飞机上安装了各种摄像头、高速摄像机和抽引视频信号多达64路。
通过下面图1可以了解空客公司系列客机机载测试参数数量的快速增长趋势。
2、机载测试技术应用与发展
2.1 PCM架构测试技术特点与局限性
多年来在国内外飞行试验领域，机载测试系统架构一直把IRIG–106第四章遥测标准即时分制的脉冲编码调制数据传输协议（简称PCM架构），作为数据传输和记录的标准。这种测试系统架构在以往飞机的飞行试验中一直得到成功的应用。
PCM架构的机载测试系统可以通过软件编程设计PCM帧结构，严格按照预先确定的数据采集格式循环采集数据，并将采取的数据插入PCM数据流，分别送入遥测传输和记录系统。具有稳定、可靠的优势，其系统配置是固定的，带宽是已知的；无数据重复传播；无数据冲突等特点。
然而在实际应用中，随着PCM架构的机载测试系统不断扩展，系统结构越来越复杂，设计、配套、扩展、调试、测试、维护和管理越来越困难，直接影响到了飞行试验的效率和试飞的周期，PCM架构机载测试系统已无法满足大型飞机海量测试参数及测量参数类型多、测量点多、参数分布广、试飞风险高，时间节点要求严格要求的现状。
2.2 机载网络化测试系统特点与应用
随着许多商用技术的不断发展，欧、美国家早在九十年代末期就结合航空工业的需要，率先开展了机载网络测试技术的深入研究工作，把许多成熟的技术，尤其是以太网技术开始应用到飞行试验测试系统的架构设计中。
（1）机载网络化测试系统简介
机载网络化测试系统架构具有所有商业货架产品的优势：开放的工业标准，适用于所有IT领域，高可靠性，易于获取、便于使用、成本低廉、维护和升级简单方便；传输距离没有限制；能接入机载航空网络如 AFDX 和 ARINC664。相对于PCM 它还有其它的优势：首先，PCM 采集系统中数据的采集到发送之间存在一个串行的链路；而以太网以数据包形式发送数据；设备之间连接简单，所需电缆少；设备配套灵活，不需要专用的加载设备；各个采集节点之间可以实现数据共享；另外，目前最先进的PCM数据采集系统的最高位速率约为20Mbps， 而以太网则能达到100Mbps、1Gbps。
在一个千兆网络化机载测试系统中，机载网络化测试系统的拓扑结构可以设计为二层至三层。二层或三层根据具体测试参数和飞机上分布的网络节点以及选用的主控交换机交换端口来确定。通常二层网络拓扑结构就能够连接数十个机载测试设备的网络节点，可以满足几万个测试参数的需求。图2是一个典型的二层网络拓扑结构，该结构中底层由多组机载网络数据采集器机箱组成，每组包含多个非管理型二级网络交换机和多台采集器机箱，多组机箱最终连接到管理型且支持主控时钟的千兆以太网交换机。
（2）机载网络化测试系统应用分析
2000年以后欧洲的空客A380大型客机和美国的波音787客机相继进入飞行试验阶段，为了满足试飞测试任务的需求，上述飞机的机载测试系统架构采用了以太网加PCM混合架构即机载数据采集系统级联仍采用主辅结构，在每一条链路中的主采集器输出一路网络数据，多台主采集器输出的网络数据通过网络交换机再分别传输到机载数据记录器、机载数据实时处理等子系统中。A380大型客机机载测试系统架构如图3所示。 图3 A380飞机机载测试系统架构图
A380大型客机机载测试局域网在试飞中得到了成功的应用，解决了以下几个问题：
* 实现了系统试验数据共享，解决了大容量采集数据的传输；
* 解决了多个采集链路实时遥测数据的传输；
* 系统不同子系统间达到毫秒级的时间同步精度。
机载测试局域网虽然在试飞中得到了成功的应用，但由于该系统中机载数据采集器架构仍基于主、辅链接，以太网数据传输，还有以下问题没有解决需要改进。
* 没有解决采集器主、辅链接需要测试电缆太多的难题；
* 宽带数据采集只能通过自主采集来实现，一台采集器实际应用的最高位速率仍≤7Mbps，使测试宽带数据的成本增加；
* 没有实现系统高精度时间同步；
* 机载数据采集系统采集程序的设计、配套、调试、维护和管理仍然十分困难，系统的扩展和裁减十分复杂；
* 主控网络交换机采用的是工业加固交换机，测试数据通过交换机传输效率只有30%、主控交换机不支持IEEE1588 V1协议，不具备机载测试环境下的多种时间同步策略，且时间延迟大，交换机不满足机载环境条件，无法在飞机的各个部位安装，上电不能立即工作；
* 机载测试系统缺乏故障诊断；
* 机载数据记录系统的高速记录数据的通道和位速率不满足新一代飞机试飞需求；
* 没有高速卸载数据的地面支持设备等。
通过A380和波音787客机的飞行试验验证，网络化技术在机载测试系统中能够安全可靠的使用。为了进一步提高试飞效率，加快新机设计定型的进度，可以采用完全网络化的机载测试系统架构来解决以太网加PCM混合架构存在以上技术缺陷。
3、试飞测试地面配套条件建设规划
新一代飞机飞行试验具有试飞科目复杂、测试数据量大等特点，这就需要地面配套更多的数据存储设备、更快的数据处理能力、更大的试飞数据显示条件等。试飞监控中心是地面监控设施的承载建筑物，本文以某单位试飞监控中心设计方案为例，对新一代飞机采用机载网络化测试系统的情况下，对地面配套条件造成的影响进行分析。
图4 某单位试飞监控中心布局
某单位试飞监控中心由遥测机房、控制室、监控大厅、大屏幕维护室。试飞监控中心布局如图所示。
（1）遥测机房
遥测机房主要用于存放数据存储机柜、数据处理机柜等，完成试飞遥测数据的接收、存储、处理等工作。
机载网络化测试系统的应用使得遥测数据量大大增加，数据存储能力及数据处理能力均需要得到相应的提升，数据处理机柜及数据存储机柜的数量也就相应的需要增加，且需要考虑预留发展，因此在今后的试飞监控中心的规划设计中，需要为遥测机房留有足够的面积。遥测机房所存储的试飞数据重要程度较高，且需要承担试飞数据容灾备份的任务，因此遥测机房至少需要按照C类机房进行设计。
（2）控制室
控制室用于控制整个试飞监控大厅的遥测数据接收、存储、处理、显示等一系列工作。
考虑到遥测数据量的增加及预留发展，需要为控制室留有足够的面积。且控制室也承担着部分参观的任务，在保证控制台、工作人员工作区域及工作人员走廊宽度的基础上，需要留有足够宽度的参观走廊。
（3）监控大厅
监控大厅主要承担型号飞机试飛观演的任务，主要包括领导观演区、监控区、演讲区。监控大厅一般跨度及长度较大，以本监控大厅为例，跨度23.4米、長度30米，属于我国近几年建设的大型监控大厅，该监控大厅布置一套由33块80英寸DLP背投显示器组成的大屏幕，为满足屏幕安装高度及监控大厅的舒适度，该监控大厅采用两层通高设计。
（4）大屏幕维护室
大屏幕维护室主要用于对监控大厅的大屏幕进行维修、温度保障等维护工作。由于DLP大屏幕较为精密，其后端温度要求较高，温度变化小于0.5℃/小时，温度范围：20～24℃。为了保证拼接屏幕不至于因为两侧温差较大而出现中间区域突出的现象， 需要控制大屏幕两侧温差不大于5℃。因此，大屏幕维护室需要配置精密空调，以保证大屏幕对温度的苛刻要求。
4、结束语
随着C919等大型飞机研制工作的展开，机载网络化测试系统以其高效的传输速度、灵活的设备配套等优点，是未来试飞测试的必然趋势。另外，随着试飞测试技术的发展，试飞监控中心的规划建设也需要随着试飞测试工艺需求进行适应性优化。
参考文献：
[1]周自全，飞行试验工程，北京，航空工业出版社，2010.
[2]田方正 国外大型飞机机载测试系统架构设计技术综述，北京，测控技术，2008（27）.
[3]田方正，王锦 机载网络化测试系统框架设计技术研究，北京，测控技术，2013（32）.
[4]徐金根 昌河直升机试飞测试系统设计，武汉，华中科技大学出版社，2005.
[5]张铁生 飞机试飞工作手册：飞机飞行试验与数据采集，北京，国防工业出版社，1998.
关键词：机载网络化测试；飞行试验；试飞监控；遥测
引言：
目前国内外新一代飞机设计采用的新技术、新材料、新设备在大量增加，随之试飞要求测试参数的类型和参数量也在急剧增加，往往一架试验机上加改装的各种测试设备就可达几千台件，铺设的测试电缆重达几吨，给试飞测试的实现带来了极大的困难。为满足新一代飞机试飞的需求，机载网络化测试系统应运而生，本文对机载测试系统的发展进行分析探讨，并对相应的地面配套条件需求变进行研究。
1、新一代飞机飞行试验的特点
随着计算机技术、网络技术和传感技术的快速发展，国外新一代飞机设计定型试飞的周期越来越短，以前一个型号需要5～6年才能完成的试验，现在要在2～3年内完成。大量新技术、新材料、新设备的应用，使得飞行试验测试的参数数量剧增，新型测试参数类型大大增加。因此，传统PCM测试系统架构无论从系统的设计、配套、扩展、调试、测试、维护和管理，数据传数量，高精度的时间同步和信息共享等方面已无法满足新一代飞机飞行试验的测试要求。
新一代飞机飞行试验与90年代的飞行试验相比，从飞机试飞鉴定的周期，测试参数的类型和参数数量到技术复杂程度都发生了重大的变化，它们具有以下主要特点：
* 试飞科目复杂，技术难度大：新一代飞机系统多，结构复杂，同样的试飞科目，在新一代飞机的试飞中，涉及的影响因素要多得多，系统之间的干扰也增加了飞行试验的技术难度。对于很多风险科目，新一代飞机飞行试验中的风险性和技术难度也大的多；
* 结构完整性试飞/试验涉及的时间周期长；
* 测试参数類型多、测量参数量大、试飞测试技术要求高：以A380飞机为例：一架飞机测试40000多个参数，，其中模拟量參数6000多个参数，遥测传输3000多个参数。各种总线超过800多条，其中ARINC429总线近800条，还有许多400Mbps高速串行总线信号；
* 试飞周期紧，时间节点要求严格：国外大型飞机飞行试验周期一般情况下为2年左右。而技术复杂性，试飞难度大的A380飞机的试飞，取证试飞仅用了1.7年时间；
* 新型网络的测试：如A380飞机采用了航空全双工数据网络AFDX、ARINC664总线等；
* 视频信号多：如A380飞机上安装了各种摄像头、高速摄像机和抽引视频信号多达64路。
通过下面图1可以了解空客公司系列客机机载测试参数数量的快速增长趋势。
2、机载测试技术应用与发展
2.1 PCM架构测试技术特点与局限性
多年来在国内外飞行试验领域，机载测试系统架构一直把IRIG–106第四章遥测标准即时分制的脉冲编码调制数据传输协议（简称PCM架构），作为数据传输和记录的标准。这种测试系统架构在以往飞机的飞行试验中一直得到成功的应用。
PCM架构的机载测试系统可以通过软件编程设计PCM帧结构，严格按照预先确定的数据采集格式循环采集数据，并将采取的数据插入PCM数据流，分别送入遥测传输和记录系统。具有稳定、可靠的优势，其系统配置是固定的，带宽是已知的；无数据重复传播；无数据冲突等特点。
然而在实际应用中，随着PCM架构的机载测试系统不断扩展，系统结构越来越复杂，设计、配套、扩展、调试、测试、维护和管理越来越困难，直接影响到了飞行试验的效率和试飞的周期，PCM架构机载测试系统已无法满足大型飞机海量测试参数及测量参数类型多、测量点多、参数分布广、试飞风险高，时间节点要求严格要求的现状。
2.2 机载网络化测试系统特点与应用
随着许多商用技术的不断发展，欧、美国家早在九十年代末期就结合航空工业的需要，率先开展了机载网络测试技术的深入研究工作，把许多成熟的技术，尤其是以太网技术开始应用到飞行试验测试系统的架构设计中。
（1）机载网络化测试系统简介
机载网络化测试系统架构具有所有商业货架产品的优势：开放的工业标准，适用于所有IT领域，高可靠性，易于获取、便于使用、成本低廉、维护和升级简单方便；传输距离没有限制；能接入机载航空网络如 AFDX 和 ARINC664。相对于PCM 它还有其它的优势：首先，PCM 采集系统中数据的采集到发送之间存在一个串行的链路；而以太网以数据包形式发送数据；设备之间连接简单，所需电缆少；设备配套灵活，不需要专用的加载设备；各个采集节点之间可以实现数据共享；另外，目前最先进的PCM数据采集系统的最高位速率约为20Mbps， 而以太网则能达到100Mbps、1Gbps。
在一个千兆网络化机载测试系统中，机载网络化测试系统的拓扑结构可以设计为二层至三层。二层或三层根据具体测试参数和飞机上分布的网络节点以及选用的主控交换机交换端口来确定。通常二层网络拓扑结构就能够连接数十个机载测试设备的网络节点，可以满足几万个测试参数的需求。图2是一个典型的二层网络拓扑结构，该结构中底层由多组机载网络数据采集器机箱组成，每组包含多个非管理型二级网络交换机和多台采集器机箱，多组机箱最终连接到管理型且支持主控时钟的千兆以太网交换机。
（2）机载网络化测试系统应用分析
2000年以后欧洲的空客A380大型客机和美国的波音787客机相继进入飞行试验阶段，为了满足试飞测试任务的需求，上述飞机的机载测试系统架构采用了以太网加PCM混合架构即机载数据采集系统级联仍采用主辅结构，在每一条链路中的主采集器输出一路网络数据，多台主采集器输出的网络数据通过网络交换机再分别传输到机载数据记录器、机载数据实时处理等子系统中。A380大型客机机载测试系统架构如图3所示。 图3 A380飞机机载测试系统架构图
A380大型客机机载测试局域网在试飞中得到了成功的应用，解决了以下几个问题：
* 实现了系统试验数据共享，解决了大容量采集数据的传输；
* 解决了多个采集链路实时遥测数据的传输；
* 系统不同子系统间达到毫秒级的时间同步精度。
机载测试局域网虽然在试飞中得到了成功的应用，但由于该系统中机载数据采集器架构仍基于主、辅链接，以太网数据传输，还有以下问题没有解决需要改进。
* 没有解决采集器主、辅链接需要测试电缆太多的难题；
* 宽带数据采集只能通过自主采集来实现，一台采集器实际应用的最高位速率仍≤7Mbps，使测试宽带数据的成本增加；
* 没有实现系统高精度时间同步；
* 机载数据采集系统采集程序的设计、配套、调试、维护和管理仍然十分困难，系统的扩展和裁减十分复杂；
* 主控网络交换机采用的是工业加固交换机，测试数据通过交换机传输效率只有30%、主控交换机不支持IEEE1588 V1协议，不具备机载测试环境下的多种时间同步策略，且时间延迟大，交换机不满足机载环境条件，无法在飞机的各个部位安装，上电不能立即工作；
* 机载测试系统缺乏故障诊断；
* 机载数据记录系统的高速记录数据的通道和位速率不满足新一代飞机试飞需求；
* 没有高速卸载数据的地面支持设备等。
通过A380和波音787客机的飞行试验验证，网络化技术在机载测试系统中能够安全可靠的使用。为了进一步提高试飞效率，加快新机设计定型的进度，可以采用完全网络化的机载测试系统架构来解决以太网加PCM混合架构存在以上技术缺陷。
3、试飞测试地面配套条件建设规划
新一代飞机飞行试验具有试飞科目复杂、测试数据量大等特点，这就需要地面配套更多的数据存储设备、更快的数据处理能力、更大的试飞数据显示条件等。试飞监控中心是地面监控设施的承载建筑物，本文以某单位试飞监控中心设计方案为例，对新一代飞机采用机载网络化测试系统的情况下，对地面配套条件造成的影响进行分析。
图4 某单位试飞监控中心布局
某单位试飞监控中心由遥测机房、控制室、监控大厅、大屏幕维护室。试飞监控中心布局如图所示。
（1）遥测机房
遥测机房主要用于存放数据存储机柜、数据处理机柜等，完成试飞遥测数据的接收、存储、处理等工作。
机载网络化测试系统的应用使得遥测数据量大大增加，数据存储能力及数据处理能力均需要得到相应的提升，数据处理机柜及数据存储机柜的数量也就相应的需要增加，且需要考虑预留发展，因此在今后的试飞监控中心的规划设计中，需要为遥测机房留有足够的面积。遥测机房所存储的试飞数据重要程度较高，且需要承担试飞数据容灾备份的任务，因此遥测机房至少需要按照C类机房进行设计。
（2）控制室
控制室用于控制整个试飞监控大厅的遥测数据接收、存储、处理、显示等一系列工作。
考虑到遥测数据量的增加及预留发展，需要为控制室留有足够的面积。且控制室也承担着部分参观的任务，在保证控制台、工作人员工作区域及工作人员走廊宽度的基础上，需要留有足够宽度的参观走廊。
（3）监控大厅
监控大厅主要承担型号飞机试飛观演的任务，主要包括领导观演区、监控区、演讲区。监控大厅一般跨度及长度较大，以本监控大厅为例，跨度23.4米、長度30米，属于我国近几年建设的大型监控大厅，该监控大厅布置一套由33块80英寸DLP背投显示器组成的大屏幕，为满足屏幕安装高度及监控大厅的舒适度，该监控大厅采用两层通高设计。
（4）大屏幕维护室
大屏幕维护室主要用于对监控大厅的大屏幕进行维修、温度保障等维护工作。由于DLP大屏幕较为精密，其后端温度要求较高，温度变化小于0.5℃/小时，温度范围：20～24℃。为了保证拼接屏幕不至于因为两侧温差较大而出现中间区域突出的现象， 需要控制大屏幕两侧温差不大于5℃。因此，大屏幕维护室需要配置精密空调，以保证大屏幕对温度的苛刻要求。
4、结束语
随着C919等大型飞机研制工作的展开，机载网络化测试系统以其高效的传输速度、灵活的设备配套等优点，是未来试飞测试的必然趋势。另外，随着试飞测试技术的发展，试飞监控中心的规划建设也需要随着试飞测试工艺需求进行适应性优化。
参考文献：
[1]周自全，飞行试验工程，北京，航空工业出版社，2010.
[2]田方正 国外大型飞机机载测试系统架构设计技术综述，北京，测控技术，2008（27）.
[3]田方正，王锦 机载网络化测试系统框架设计技术研究，北京，测控技术，2013（32）.
[4]徐金根 昌河直升机试飞测试系统设计，武汉，华中科技大学出版社，2005.
[5]张铁生 飞机试飞工作手册：飞机飞行试验与数据采集，北京，国防工业出版社，1998.