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大數據時代航空試飛測試技術“換檔提速”

依托海量的數據狀態和云級別的數據處理能力,大數據以其Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)、Veracity(真實)的4V特點,為我國的航空試飛測試技術帶來了一場全方位的思維變革、產業變革和管理變革。它把試飛測試的各個環節都推到了一個新的時代。

近年來,隨著中航工業試飛中心在航空試飛技術上的不斷突破,試飛測試技術的發展及成果已顯示出獨特魅力,正朝著“數據密集型科學”的方向發展。依托型號任務,試飛中心先后在機載網絡化測試、新型高速航空總線測試、C波段寬帶遙測網絡、機載多路視頻測試與遙測傳輸監控及北斗定位數據采集等飛行試驗關鍵測試技術上展開攻關,直接推動了大數據時代航空試飛測試技術“換檔提速”。

我國航空機載測試步入網絡化時代

上世紀90年代,試飛中心在學習、消化外方技術的基礎上成功研制出ADAS/GDAS系統,該系統在我國三代機試飛中發揮出重要作用。但隨著型號任務“井噴式”發展和測試參數類型、數量以幾何級數增長,該系統已無法滿足型號試飛的測試要求。

在國外,美國試驗中心和項目評估投資機構早已于2004年10月啟動了基于以太網的iNET項目開發計劃,解決試驗中空、天、地網絡化及寬帶遙測信號傳輸、多系統信息融合分析等問題,建立空、天、地一體化的遙測網絡系統。同時,F-22、F-35和波音787飛機上的機載數據采集系統采用了CAIS和IntelliBUS專用總線,A380、A400M等飛機則采用了通用成熟的商用總線技術——以太網。隨著iNET標準逐步成熟,以太網必將取代各種專用總線,形成新的符合iNET標準的機載數據采集記錄網絡架構。

在國內,通過對iNET綜合增強型遙測網絡系統技術的多年跟蹤及學習、消化、吸收,試飛中心成功研發出了具有自主知識產權的新一代網絡化通用機載測試系統(aNET)。

新一代網絡化通用機載測試系統在機載測試系統架構搭建、背板總線研發、網絡管理、網絡數據交換、MDL語言應用、FTI數據包結構、高精度時間同步技術、測試系統管理流程等八大關鍵技術上取得突破;形成了以系統架構設計技術、小型化機載采集器背板總線、適用于機載設備的大容量存儲模塊、小型化機載采集器機箱機械結構技術、小型化機載采集模塊的電路板層疊結構、1588機載網絡主時鐘設計方法、1588機載網絡從時鐘設計方法、低延遲機載千兆以太網交換架構、基于iNET標準的網絡數據包結構、1588機載網絡透明時鐘設計方法等為代表的技術專利群。該系統投入使用后,試飛測試工程師完全可利用iNET新增的上行鏈路和vNET遠程管理功能實現系統的配置、狀態監控等遠程控制,遙測參數、遙測速率等均可動態配置和改變。

地面試驗和它機試飛表明,新一代網絡化通用機載測試系統在技術上實現了跨代發展,在iNET標準應用上與國際航空強國同步,產品總體技術指標達到國際先進水平。

目前,通過新一代網絡化通用機載測試系統的研發工作,試飛中心不僅實現了飛行試驗機載測試設備的國產化,也實現了我國飛行試驗測試系統頂層規劃與國際航空強國全面接軌,標志著我國航空機載測試技術發展步入自主網絡化時代。

國內機載光纖通道數據 采集記錄技術首獲突破

光纖通道(Fiber Channel,FC)是一種高性能的數據通信網絡傳輸技術,是由美國標準化協會制定的計算機之間以及計算機與I/O設備之間進行高速數據傳輸的接口標準。目前,光纖通道通信網絡已成為當前各國主力機型航電系統通訊的主通道。因此,研制生產出適合于我國飛行試驗所必需的機載光纖通道數據采集記錄系統迫在眉睫。

2014年,試飛中心相繼在FC總線數據處理技術、時間同步技術、機載實時多任務應用軟件、數據記錄控制技術、高速數據卸載技術等關鍵技術上展開自主攻關,成功研制出國內首部FC總線數據采集記錄器。

FC總線數據采集記錄器由主機、數據接收模塊、時碼接收模塊、數據處理模塊、控制器模塊、電源模塊、固態存儲模塊、機箱、母板、機載遠程控制單元和軟件組成,實現了基于FC-AE-ASM協議的機載光纖通道數據采集和處理、2路光纖通道端口輸出數據采集記錄、光纖通道數據完整性檢測、對記錄的FC幀逐幀附加時間標記、對采集的FC幀進行篩選過濾、參數信息數據打包后由以太網數據輸出接口輸出、大容量數據存儲、高速卸載光纖通道數據、機載光纖通道數據采集記錄和遙測轉發功能的單機集成、開機自動測試及自動故障檢測等功能。

據介紹,FC總線數據采集記錄器每路信號帶寬達1Gbps ~2Gbps,系統時間精度達1μs,解決了高速數據傳輸、高速數據記錄及卸載、數據包異常、丟幀等技術問題,實現了機上光纖數據的采集、記錄及遙測功能,其中自主研發的FC總線數據處理軟件實現了ICD信息的管理和數據處理功能。

目前,試飛中心在FC總線數據處理技術上已全面實現基于FPGA的FC Core 和FC收發通道模塊技術上的FC協議的全部功能,標志著試飛中心針對新型機載高速總線的數據采集記錄技術躋身國際一流。

空、地一體網絡化傳輸指日可待

傳統試飛測試系統由機載測試、遙測傳輸和地面遙測數據處理系統三部分組成,機載測試系統和地面遙測數據處理系統通過遙測傳輸系統以點對點方式單向聯接。隨著飛行試驗從單機試飛模式逐步向多機協同試飛模式發展,遙測監控從“單目標、單數據流”向“多目標、多數據流”方向發展,基于PCM的測試體系和遙測傳輸方式已不能適應現代飛行試驗需求。

遙測傳輸技術是飛行試驗通用分布式綜合測試關鍵技術之一。過去,我國的飛行試驗機載測試數據和視頻圖像遙測傳輸一直參照美國IRIG 106遙測標準,采用PCM/FM調制和單向傳輸方式,使用S波段,技術復雜、設備昂貴,傳輸速率有限,頻率資源不足。隨著無線通信技術的發展,新的數字調制技術和傳輸方式改變了這一切。如A380飛行試驗機載測試系統采用網絡架構,遙測傳輸采用編碼正交頻分復用(COFDM)調制方式傳輸部分機載測試數據,傳輸速率5Mbps,使用S波段(2.7GHz),傳輸距離300千米。美國空軍新型電子攻擊機EA-18G飛行試驗機載測試有8路PCM數據流,以及1553B總線、以太網和專用光纖通道、視頻、語音等數據,遙測傳輸采用偏移四相相移鍵控(SOQPSK)調制傳輸技術,傳輸速率20Mbps,使用L波段(1710~1850MHz),傳輸距離200千米。

2013年以來,試飛中心在地面測試和數據處理網絡基本形成、機載測試網絡系統逐漸應用的情況下,展開遙測網絡技術研究,滿足海量測試數據需求。2014年,試飛中心一舉攻克基于無線網(802.11b)的單向遙測傳輸技術,利用自主研發的RF網絡收/發器、S+C雙波段自動跟蹤天線等遙測設備,在C波段實現了一路測試數據、兩路數字圖像的單向、遠程傳輸,傳輸距離200千米、傳輸速率25Mbps。

試飛中心在C波段寬帶遙測網絡技術的突破,不僅提高了飛行試驗的遙測速率,擴展了遙測頻段,實現了多個試驗對象上的機載測試系統與地面測試資源的高效集成和網絡互聯,也解決航空飛行試驗多目標、高機動、遠程、雙向、寬帶遙測網絡等工程應用的實際問題,在國內首次實現了空、地數字化視頻信號雙向傳輸,極大提高了試飛監控能力。

更重要的是,C波段寬帶遙測網絡技術還可應用于航天、兵器、艦船等軍工試驗領域和其他民用領域,應用前景廣闊。

機載多路視頻測試與遙測傳輸監控達國際先進水平

以前,我國的試飛測試視頻監控技術只能采用模擬視頻傳輸的方法,每架飛機只能監控一路機載模擬視頻信號,且信號易受干擾,常出現馬賽克現象,嚴重影響監控效果。2013年10月,試飛中心首次將自主研發的機載多路視頻數字化傳輸系統應用于型號試飛,獲得業界贊嘆。目前,該系統已多次應用于重大國防項目試驗。

技術研發初期,面對各方質疑,試飛中心針對每幅畫面直接采樣數據量達6MB及每秒全部數據量達360MB的信號采集壓縮編碼難題,逐步展開技術攻關,攻克了基于H.264CBR模式的視頻壓縮技術,摸索出線纜長度、接插架選型及均衡電路參數調整規律,排除了傳輸網絡環路、顯示卡滯等故障。經鐵鳥臺驗證,設備工作正常,記錄畫面清晰。

但在裝機通電試驗中,設備卻出現了采集不到信號的情況。技術人員能想到的唯一原因就是機上信號格式發生變化。經了解,該信號點頻已由主機與輔機廠所協調變更。在這種情況下,試飛中心提出增加轉換器、更改分配器、升級采集器等方案??墒?,面對第一種方案中已經出現的外方公司始終無法圓滿解決相關技術難題,以及第二種方案中設備設計周期長達3、4個月的問題,大家只能寄希望于升級采集器。然而,采用第三種方案卻具有很大風險,即使國外試飛機構面對同類問題,也不愿采用這種方案。

經過調研和對技術信息的歸納分析,試飛中心首先用簡易方法解決了信號源問題,并對相關參數比較,反復進行電路時序調整、采集參數配置、算法修正,圓滿解決所有問題。

機載多路視頻數字化測試與傳輸系統不僅實現了5路視頻信號的采集、壓縮和網絡記錄,還可將所有信號編碼成一路PCM信號,遙測到地面監控大廳,以清晰流暢的畫面為飛行員、指揮員和試飛工程師提供全方位、可視化的信息共享平臺,具有的實時影像數據及事后分析處理功能為飛行試驗提供了全面的判定依據。

經介紹,試飛中心在機載多路視頻測試與遙測傳輸監控技術上的突破,填補了國內空白,達到國際先進水平。

如今,在機載多路視頻數字化測試與傳輸系統中,相關設備國產化率已達到95%,由試飛中心自主研制的設備則占系統全部設備的85%以上。

在對機載多路視頻數字化傳輸技術的研究中,試飛中心還相繼研制出機載DVI/VGA/PAL(RGB)/LVDS網絡視頻信號采集器、高分辨率視頻(Gig-E)采集記錄器、機載視頻網絡交換機、網絡視頻數據記錄器、VGA視頻信號差分/單端轉換器、機載GPS-B時碼發生器、高速相機控制器、視頻網絡數據PCM格式編碼器、高清視頻監控圖像采集記錄器、視頻調節分配器、機載DVI視頻信號分配器等設備并形成系列產品,設備功能及技術性能遠超國外同類測試設備。

定位授時技術依賴于GPS的日子一去不返

當前,國際上的導航定位系統主要有四種:美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統、歐洲聯合研制的伽利略系統、中國的北斗(COMPASS)系統。GPS導航系統廣泛應用于導航、授時、測量等,并被引入航空機載測試領域。

2007年后,我國自主研發的北斗衛星導航系統被聯合國確認為“全球衛星導航系統核心供應商”。但“北斗”畢竟起步較晚,國內基于北斗的導航定位授時系統應用較少,航空機載測試領域更是空白。如果國內的機載測試定位繼續完全采用GPS定位系統提供試飛過程中的時間、位置、速度等信息,同時利用GPS OEM 板輸出的1PPS 信號做時間源,產生IRIG-B 時間信號,實現各種機載測試設備之間的時間同步,無論在安全上,還是保密上,都將產生隱患。特別是特殊環境下的航空試飛,對GPS的依賴將導致試驗受限。因此,針對GPS的缺陷,試飛中心自主研發成功了一種基于北斗導航系統的定位數據采集器。

該北斗定位數據采集器充分利用了FPGA高集成度、ARM快速中斷響應和DMA快速訪問外設數據的特點,減少了各功能模塊間的耦合度,提高了系統的實時性和穩定性;首次使用載波相位差分代替偽距差分的方式,有效提高了實時差分測量的精度,授時時間精度優于1us;首次實現了數據更新頻率達20Hz的實時載波相位差分功能,擴大了飛行試驗中衛星實時軌跡測量的范圍,提高了飛行試驗軌跡、速度測量的精準度。

根據飛行試驗的總體需求,北斗定位數據采集器可以實時接收北斗B1、B2兩個頻點的導航信息,并可以實時顯示經緯度信息、時間信息、速度信息、接收的衛星數量信息、定位狀態等;可以產生IRIG-B碼,對機載測試系統進行精確的時間同步;可實時接收地面基準站發送的實時差分信息,實現基準站和移動站之間的實時差分解算。此外,該采集器以20Hz的數據更新率實時將觀測、記錄到的北斗衛星導航信號存儲在SD卡中,用于精確的事后差分計算;可以通過RS422接口或以太網接口輸出原始觀測數據,為機載專用數據記錄器提供北斗衛星觀測數據;可以通過RS232接口對設備的編號進行設置,方便在多臺設備同時輸出數據時對設備進行識別。

試飛中心在國內首次將基于北斗系統的衛星導航定位技術應用于飛行試驗領域,解決了我國特殊環境、特殊條件下航空試飛無法獲取定位數據和無法授時的難題,從技術上鞏固和提高了國防軍工試驗的保密性、可靠性和信息安全性,中國飛行試驗定位授時技術完全依賴于GPS的日子已經一去不返。

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