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大数据时代航空试飞测试技术“换档提速”

依托海量的数据状态和云级别的数据处理能力,大数据以其Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多样)、Veracity(真实)的4V特点,为我国的航空试飞测试技术带来了一场全方位的思维变革、产业变革和管理变革。它把试飞测试的各个环节都推到了一个新的时代。

近年来,随着中航工业试飞中心在航空试飞技术上的不断突破,试飞测试技术的发展及成果已显示出独特魅力,正朝着“数据密集型科学”的方向发展。依托型号任务,试飞中心先后在机载网络化测试、新型高速航空总线测试、C波段宽带遥测网络、机载多路视频测试与遥测传输监控及北斗定位数据采集等飞行试验关键测试技术上展开攻关,直接推动了大数据时代航空试飞测试技术“换档提速”。

我国航空机载测试步入网络化时代

上世纪90年代,试飞中心在学习、消化外方技术的基础上成功研制出ADAS/GDAS系统,该系统在我国三代机试飞中发挥出重要作用。但随着型号任务“井喷式”发展和测试参数类型、数量以几何级数增长,该系统已无法满足型号试飞的测试要求。

在国外,美国试验中心和项目评估投资机构早已于2004年10月启动了基于以太网的iNET项目开发计划,解决试验中空、天、地网络化及宽带遥测信号传输、多系统信息融合分析等问题,建立空、天、地一体化的遥测网络系统。同时,F-22、F-35和波音787飞机上的机载数据采集系统采用了CAIS和IntelliBUS专用总线,A380、A400M等飞机则采用了通用成熟的商用总线技术——以太网。随着iNET标准逐步成熟,以太网必将取代各种专用总线,形成新的符合iNET标准的机载数据采集记录网络架构。

在国内,通过对iNET综合增强型遥测网络系统技术的多年跟踪及学习、消化、吸收,试飞中心成功研发出了具有自主知识产权的新一代网络化通用机载测试系统(aNET)。

新一代网络化通用机载测试系统在机载测试系统架构搭建、背板总线研发、网络管理、网络数据交换、MDL语言应用、FTI数据包结构、高精度时间同步技术、测试系统管理流程等八大关键技术上取得突破;形成了以系统架构设计技术、小型化机载采集器背板总线、适用于机载设备的大容量存储模块、小型化机载采集器机箱机械结构技术、小型化机载采集模块的电路板层叠结构、1588机载网络主时钟设计方法、1588机载网络从时钟设计方法、低延迟机载千兆以太网交换架构、基于iNET标准的网络数据包结构、1588机载网络透明时钟设计方法等为代表的技术专利群。该系统投入使用后,试飞测试工程师完全可利用iNET新增的上行链路和vNET远程管理功能实现系统的配置、状态监控等远程控制,遥测参数、遥测速率等均可动态配置和改变。

地面试验和它机试飞表明,新一代网络化通用机载测试系统在技术上实现了跨代发展,在iNET标准应用上与国际航空强国同步,产品总体技术指标达到国际先进水平。

目前,通过新一代网络化通用机载测试系统的研发工作,试飞中心不仅实现了飞行试验机载测试设备的国产化,也实现了我国飞行试验测试系统顶层规划与国际航空强国全面接轨,标志着我国航空机载测试技术发展步入自主网络化时代。

国内机载光纤通道数据 采集记录技术首获突破

光纤通道(Fiber Channel,FC)是一种高性能的数据通信网络传输技术,是由美国标准化协会制定的计算机之间以及计算机与I/O设备之间进行高速数据传输的接口标准。目前,光纤通道通信网络已成为当前各国主力机型航电系统通讯的主通道。因此,研制生产出适合于我国飞行试验所必需的机载光纤通道数据采集记录系统迫在眉睫。

2014年,试飞中心相继在FC总线数据处理技术、时间同步技术、机载实时多任务应用软件、数据记录控制技术、高速数据卸载技术等关键技术上展开自主攻关,成功研制出国内首部FC总线数据采集记录器。

FC总线数据采集记录器由主机、数据接收模块、时码接收模块、数据处理模块、控制器模块、电源模块、固态存储模块、机箱、母板、机载远程控制单元和软件组成,实现了基于FC-AE-ASM协议的机载光纤通道数据采集和处理、2路光纤通道端口输出数据采集记录、光纤通道数据完整性检测、对记录的FC帧逐帧附加时间标记、对采集的FC帧进行筛选过滤、参数信息数据打包后由以太网数据输出接口输出、大容量数据存储、高速卸载光纤通道数据、机载光纤通道数据采集记录和遥测转发功能的单机集成、开机自动测试及自动故障检测等功能。

据介绍,FC总线数据采集记录器每路信号带宽达1Gbps ~2Gbps,系统时间精度达1μs,解决了高速数据传输、高速数据记录及卸载、数据包异常、丢帧等技术问题,实现了机上光纤数据的采集、记录及遥测功能,其中自主研发的FC总线数据处理软件实现了ICD信息的管理和数据处理功能。

目前,试飞中心在FC总线数据处理技术上已全面实现基于FPGA的FC Core 和FC收发通道模块技术上的FC协议的全部功能,标志着试飞中心针对新型机载高速总线的数据采集记录技术跻身国际一流。

空、地一体网络化传输指日可待

传统试飞测试系统由机载测试、遥测传输和地面遥测数据处理系统三部分组成,机载测试系统和地面遥测数据处理系统通过遥测传输系统以点对点方式单向联接。随着飞行试验从单机试飞模式逐步向多机协同试飞模式发展,遥测监控从“单目标、单数据流”向“多目标、多数据流”方向发展,基于PCM的测试体系和遥测传输方式已不能适应现代飞行试验需求。

遥测传输技术是飞行试验通用分布式综合测试关键技术之一。过去,我国的飞行试验机载测试数据和视频图像遥测传输一直参照美国IRIG 106遥测标准,采用PCM/FM调制和单向传输方式,使用S波段,技术复杂、设备昂贵,传输速率有限,频率资源不足。随着无线通信技术的发展,新的数字调制技术和传输方式改变了这一切。如A380飞行试验机载测试系统采用网络架构,遥测传输采用编码正交频分复用(COFDM)调制方式传输部分机载测试数据,传输速率5Mbps,使用S波段(2.7GHz),传输距离300千米。美国空军新型电子攻击机EA-18G飞行试验机载测试有8路PCM数据流,以及1553B总线、以太网和专用光纤通道、视频、语音等数据,遥测传输采用偏移四相相移键控(SOQPSK)调制传输技术,传输速率20Mbps,使用L波段(1710~1850MHz),传输距离200千米。

2013年以来,试飞中心在地面测试和数据处理网络基本形成、机载测试网络系统逐渐应用的情况下,展开遥测网络技术研究,满足海量测试数据需求。2014年,试飞中心一举攻克基于无线网(802.11b)的单向遥测传输技术,利用自主研发的RF网络收/发器、S+C双波段自动跟踪天线等遥测设备,在C波段实现了一路测试数据、两路数字图像的单向、远程传输,传输距离200千米、传输速率25Mbps。

试飞中心在C波段宽带遥测网络技术的突破,不仅提高了飞行试验的遥测速率,扩展了遥测频段,实现了多个试验对象上的机载测试系统与地面测试资源的高效集成和网络互联,也解决航空飞行试验多目标、高机动、远程、双向、宽带遥测网络等工程应用的实际问题,在国内首次实现了空、地数字化视频信号双向传输,极大提高了试飞监控能力。

更重要的是,C波段宽带遥测网络技术还可应用于航天、兵器、舰船等军工试验领域和其他民用领域,应用前景广阔。

机载多路视频测试与遥测传输监控达国际先进水平

以前,我国的试飞测试视频监控技术只能采用模拟视频传输的方法,每架飞机只能监控一路机载模拟视频信号,且信号易受干扰,常出现马赛克现象,严重影响监控效果。2013年10月,试飞中心首次将自主研发的机载多路视频数字化传输系统应用于型号试飞,获得业界赞叹。目前,该系统已多次应用于重大国防项目试验。

技术研发初期,面对各方质疑,试飞中心针对每幅画面直接采样数据量达6MB及每秒全部数据量达360MB的信号采集压缩编码难题,逐步展开技术攻关,攻克了基于H.264CBR模式的视频压缩技术,摸索出线缆长度、接插架选型及均衡电路参数调整规律,排除了传输网络环路、显示卡滞等故障。经铁鸟台验证,设备工作正常,记录画面清晰。

但在装机通电试验中,设备却出现了采集不到信号的情况。技术人员能想到的唯一原因就是机上信号格式发生变化。经了解,该信号点频已由主机与辅机厂所协调变更。在这种情况下,试飞中心提出增加转换器、更改分配器、升级采集器等方案。可是,面对第一种方案中已经出现的外方公司始终无法圆满解决相关技术难题,以及第二种方案中设备设计周期长达3、4个月的问题,大家只能寄希望于升级采集器。然而,采用第三种方案却具有很大风险,即使国外试飞机构面对同类问题,也不愿采用这种方案。

经过调研和对技术信息的归纳分析,试飞中心首先用简易方法解决了信号源问题,并对相关参数比较,反复进行电路时序调整、采集参数配置、算法修正,圆满解决所有问题。

机载多路视频数字化测试与传输系统不仅实现了5路视频信号的采集、压缩和网络记录,还可将所有信号编码成一路PCM信号,遥测到地面监控大厅,以清晰流畅的画面为飞行员、指挥员和试飞工程师提供全方位、可视化的信息共享平台,具有的实时影像数据及事后分析处理功能为飞行试验提供了全面的判定依据。

经介绍,试飞中心在机载多路视频测试与遥测传输监控技术上的突破,填补了国内空白,达到国际先进水平。

如今,在机载多路视频数字化测试与传输系统中,相关设备国产化率已达到95%,由试飞中心自主研制的设备则占系统全部设备的85%以上。

在对机载多路视频数字化传输技术的研究中,试飞中心还相继研制出机载DVI/VGA/PAL(RGB)/LVDS网络视频信号采集器、高分辨率视频(Gig-E)采集记录器、机载视频网络交换机、网络视频数据记录器、VGA视频信号差分/单端转换器、机载GPS-B时码发生器、高速相机控制器、视频网络数据PCM格式编码器、高清视频监控图像采集记录器、视频调节分配器、机载DVI视频信号分配器等设备并形成系列产品,设备功能及技术性能远超国外同类测试设备。

定位授时技术依赖于GPS的日子一去不返

当前,国际上的导航定位系统主要有四种:美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲联合研制的伽利略系统、中国的北斗(COMPASS)系统。GPS导航系统广泛应用于导航、授时、测量等,并被引入航空机载测试领域。

2007年后,我国自主研发的北斗卫星导航系统被联合国确认为“全球卫星导航系统核心供应商”。但“北斗”毕竟起步较晚,国内基于北斗的导航定位授时系统应用较少,航空机载测试领域更是空白。如果国内的机载测试定位继续完全采用GPS定位系统提供试飞过程中的时间、位置、速度等信息,同时利用GPS OEM 板输出的1PPS 信号做时间源,产生IRIG-B 时间信号,实现各种机载测试设备之间的时间同步,无论在安全上,还是保密上,都将产生隐患。特别是特殊环境下的航空试飞,对GPS的依赖将导致试验受限。因此,针对GPS的缺陷,试飞中心自主研发成功了一种基于北斗导航系统的定位数据采集器。

该北斗定位数据采集器充分利用了FPGA高集成度、ARM快速中断响应和DMA快速访问外设数据的特点,减少了各功能模块间的耦合度,提高了系统的实时性和稳定性;首次使用载波相位差分代替伪距差分的方式,有效提高了实时差分测量的精度,授时时间精度优于1us;首次实现了数据更新频率达20Hz的实时载波相位差分功能,扩大了飞行试验中卫星实时轨迹测量的范围,提高了飞行试验轨迹、速度测量的精准度。

根据飞行试验的总体需求,北斗定位数据采集器可以实时接收北斗B1、B2两个频点的导航信息,并可以实时显示经纬度信息、时间信息、速度信息、接收的卫星数量信息、定位状态等;可以产生IRIG-B码,对机载测试系统进行精确的时间同步;可实时接收地面基准站发送的实时差分信息,实现基准站和移动站之间的实时差分解算。此外,该采集器以20Hz的数据更新率实时将观测、记录到的北斗卫星导航信号存储在SD卡中,用于精确的事后差分计算;可以通过RS422接口或以太网接口输出原始观测数据,为机载专用数据记录器提供北斗卫星观测数据;可以通过RS232接口对设备的编号进行设置,方便在多台设备同时输出数据时对设备进行识别。

试飞中心在国内首次将基于北斗系统的卫星导航定位技术应用于飞行试验领域,解决了我国特殊环境、特殊条件下航空试飞无法获取定位数据和无法授时的难题,从技术上巩固和提高了国防军工试验的保密性、可靠性和信息安全性,中国飞行试验定位授时技术完全依赖于GPS的日子已经一去不返。

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