大型飞机空地一体化遥测网络系统关键技术研究

王延路

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

大型飞机空地一体化遥测网络系统关键技术研究

王延路

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

本文依据当前ARJ21已取得的经验和未来C919大客等国家大型飞机测试需求，以未来国际化飞行试验测试技术的发展趋势为背景，结合我国试飞测试的技术特点，提出了机载测试/遥测网络/地面数据处理为一体的大型飞机空地一体化遥测网络系统架构，对其中一些关键技术进行了研究和分析，提出了解决方案，为今后大型飞机试飞测试及综合监控方法的研究提供了借鉴。

机载测试；遥测网路；实时数据快速处理；空地一体化

大型飞机试飞是一项充满风险与挑战性的大型试验工程，空地一体化遥测网络系统是对飞行试验整个过程进行监控和指挥的平台，它是集无线电遥测技术、计算机网络技术和计算机软件技术为一体的大型实时数据处理系统。

随着航空技术的不断发展，基于PCM和以太网混合体系架构的空地一体化遥测网络技术在国内外飞行试验中得到广泛应用。未来大型客机系统越来越复杂，实时监控的安全性要求越来越高、数据处理的时间要求越来越短，网络化技术的应用要求越来越强烈，对现行实时监控、网络传输、数据处理模式提出了严峻的挑战。

1 大型飞机试飞测试特点和需求分析

大型飞机在适航审定试飞过程中，所具有的测试特点和需求主要表现在以下几个方面：

1.1 网络化实时数据处理能力

飞机体积大带来的结果是被测对象分布广、数据量大，使用传统的单路采集器存在采集瓶颈，布线困难的问题，因此必须采用国际通用的多采集器网络化测试系统架构。它以网络包的方式为各子系统提供数据源，这要求遥测系统具有处理多路网络数据流的能力。

1.2 多数据流融合和智能化可视化监控技术

新一代飞机试飞测试包括音频、视频、外测数据、PCM等多种数据类型，且多架飞机协同试飞，要求地面监控系统具有综合组网、数据融合、集中控制、智能化可视化监控等功能。

1.3 快速数据处理能力

大飞机测试系统复杂，被测参数多、留空时间长、记录数据量大，既有低速采样参数又有高速采样参数，同时试飞工程的时间性和型号的市场特点，对快速数据处理能力提出了更高的要求。

1.4 多体制下的网络数据传输和处理体系

未来飞机的机载测试是一个包含网络、PCM和RF无线网络数据的多体制共存的综合系统，空地一体化遥测网络系统架构、处理模式、数据传输，直接影响着大型飞机的试飞质量、试飞安全和试飞周期。

2 空地一体化遥测网络系统体系架构设计

空地一体化遥测网络系统体系结构如图1所示，它由机载测试网络系统、遥测传输网络系统和地面数据处理网络系统组成，形成一套空地一体化的网络分布式体系结构，实现多试验对象上的机载测试网络系统与地面数据网络系统的远程互联，和多机协同试飞。

2.1 机载测试网络系统

2.1.1 机载网络采集子系统

与传统机载测试系统相比，大型飞机机载采集系统的最大变化是体系结构基于网络架构，使得机载采集系统成为网络分布式结构，系统测试能力增强、易于改装和功能扩展[1]。

2.1.2 座舱显示子系统

试飞中为弥补失速、颤振等风险科目试飞员座舱显示的不足，在座舱内加装显示设备（一种嵌入式智能设备），它的数据源来自采集器发送的网络包，通过以太网发送到座舱显示仪，能够根据试飞科目的不同灵活配置座舱显示参数，满足试飞员的要求。

2.1.3 重心调节子系统

飞机重心调节的试飞科目在民机适航审定试飞中是必不可少的，实时监控子系统需要向重心调节子系统提供实时数据，使重心调节子系统准确的调整重心，同时配重子系统实时调整的重心结果发送给机载采集子系统，最终返回实时监控子系统形成闭环控制。

2.1.4 参数快速处理子系统

将传统事后处理的数据，移植到试验机上实时进行，利用飞行时间完成数据的同步处理。

2.1.5 机载实时监控子系统

飞机上配置一套机载实时监控子系统，接收多采集器网络流数据，完成时间同步、数据处理、任务监控。试飞工程师通过它所提供的监控画面和数据分析结果可以在较短时间内判定试验过程或飞行动作的质量，从而大大缩短试飞周期，提高试飞效率，保证试飞安全。

2.2 遥测传输网络系统

遥测传输网络系统包括：试验对象端、遥测地面站端两部分。与传统遥测系统相比，遥测网络系统除保留了传统的PCM串行数据流点到点、实时遥测传输功能外[2]，新增的远程、宽带RF无线网数据链，使遥测传输网络系统具备了以下3大增强功能。

1）增强了系统的下行遥测传输能力，使下行遥测传输速率成倍提高，为实现全部试验数据的准实时卸载和准实时处理奠定了基础；2）使系统具备了上行遥控能力，系统可实现真正意义上的“遥测监控”和无丢失遥测，为系统的远程配置、管理和试验的人机交互提供了上行物理链路；3）远程、宽带无线网（rfNET）数据链，在网络管理系统的支持下，可在同一试验场或多个试验场区域，实现多个不同试验环境、多个试验对象中的机载网络与地面网络连接。

2.3 地面数据处理网络系统

2.3.1 遥测监控子系统

飞行试验的高风险性和机上监控的局限性，使得地面实时监控是必不可少，地面实时监控子系统通过遥测传输网络系统，接收来自机载测试网络系统的PCM信号、音视频信号和RF网络信号，完成可视化显示。

2.3.2 遥测网络管理子系统

遥测网络系统是一个高度集成、空地一体化的无线网络系统，设备分布在机载与地面多个不同环境和地点，既包括遥测无线网络本身的网络组件，又牵涉到机载测试网络系统与地面数据处理网络系统，整个系统复杂，网络管理是确保系统运行必不可少的重要手段。

2.3.3 同步数据处理子系统

充分利用飞行试验时飞机留空时间，在飞行监控的同时对遥测数据进行分析、处理，完成准实时卸载和准实时处理，实现飞机落地，即可拿到全部飞行试验数据和部分结果。

2.3.4 指挥引导子系统

引入光测、雷测、气象信息，将飞行指挥和飞机引导系统连接地面数据处理网络，完善飞行试验的所有信息，形成一套完整的试飞监控指挥平台。

3 关键技术研究

3.1 空地一体综合组网技术

遥测网络数据的传输，可以使多个试验机上的机载测试网络系统与地面监控资源网络互联，如何既连接所有监控系统，又使各架飞机监控任务互不干扰，是我们要解决的问题。

虚拟局域网（VLAN）技术可以将大型交换机网络划分为许多个独立的广播域，根据用户需要进行网络分段，将广播域限制在一个VLAN中，既节省带宽提高网络处理能力，又有效地控制广播风暴的发生，可以控制网络中各设备之间的互相访问，从而提高交换式网络的整体性能和安全性[3]。

在突破基于虚拟局域网（VLAN）的动态组网和多播等关键技术的基础上，能够实现综合组网、集中控制、分布式应用，将所有遥测监控资源纳入地面综合网络，各分系统之间根据监控需求的变化进行动态调配，提高系统自动化程度和效率，推动遥测监控的功能扩展，实现从单项监控到综合监控、单目标监控到多目标监控，满足未来我国新型号试飞任务遥测监控需求。

3.2 双频段、宽带遥测传输技术

现阶段遥测监控系统，是按照美国IRIG 106遥测标准，采用PCM格式，S波段，FM调制，只具有“机载到地面”单向遥测传输能力[4]。

传统的PCM测试系统和遥测传输方式已不能满足现代大型飞机试飞测试需求。在网络技术突飞猛进发展的技术推动下，无线网数据传输的概念正在形成。增加一条双向、宽带、远程、C波段无线网络数据链路，使同一试验机串行数据流遥测（SST）和无线网络（rfNET）双链路遥测数据并行传输，使下行遥测传输速率提高为现在的2～3倍，增加遥测传输上行链路，扩展遥测频段为S+C双频段遥测信号接收功能，解决频谱资源紧张问题[5]。

3.3 快速数据处理技术

ARJ21定型试飞中，测试参数激增到6 000个左右，留空时间达4个小时，地面卸载、处理的时间大致是飞行时间的1.5～2倍，这种数据处理模式已经严重制约了试验机的试飞效率。大型客机C919试飞测试参数将超过20 000，显然传统的数据处理模式已经无法满足试飞要求。

一种解决方案是增加参数快速处理子系统，将传统事后处理的数据，移植到试验机上实时进行，利用飞行时间完成数据的同步处理。参数快速处理子系统核心设备是实时处理单元，结合现有成熟的数据处理方法，设计实时操作系统下的IENA网络数据流的接收、解包、处理、记录功能的实时处理软件，研制满足机载环境要求的基于嵌入式多核处理器架构硬件平台[6]。参数快速处理子系统结构如图2所示。该系统的应用改变了传统的实时监控、事后数据回放/卸载、预处理、二次处理的试飞数据处理分步进行的模式。

图2 参数快速处理系统结构图Fig.2 Strcture chart of data processing fleetly

另一种解决方案是在PCM遥测监控系统中集成宽带无线网数据处理功能[7]。借助宽带无线网传输数据量大、接口通用性强和数据断点续传等特性，实现准实时、高速率飞行试验数据远程下载。利用飞行试验时的飞机留空时间[8]，使数据预处理与实时监控同步进行。要实现这个目标，我们还需要解决机载记录器同时读、写的问题、无线网数据遥测传输的问题。

4 结束语

文中通过对大型飞机试飞特点的分析，提出的这种新型空地一体化遥测网络系统体系架构，能实现多个试验机机载测试网络系统与地面数据处理网络系统的互联，扩充了遥测带宽，实现了多体制的功能和性能互补，提高了快速数据处理的能力。本文的研究成果对今后大型飞机空地一体化遥测网络系统的建立具有一定的借鉴意义和参考价值。

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[2]袁炳南，霍朝晖，白效贤.航空飞行试验遥测标准概况[J].测控技术，2010，29（11）：15-19.

YUAN Bing-nan，HUO Zhao-hui，BAI Xiao-xian.The overview of flight test telemetry standard[J].Measurement&Control Technology，2010，29（11）：15-19.

[3]周慧.Vlan技术和配置实践[J].科技资讯，2010，（7）：18-20.

ZHOU Hui.Vlan and configuration practice[J].Science&Technology Information，2010，（7）：18-20.

[4]IRIG106-2009 Telemetry Standard PartⅠ[S].2009.

[5]张俊民，袁炳南，白效贤.iNET的概念和技术框架.测控技术，2010，29（11）：20-24.

ZHANG Jun-min，YUAN Bing-nan，BAI Xiao-xian.Conceptual and technical framework of iNET[J].Measurement&Control Technology，2010，29（11）：20-24.

[6]Katzel J，Hoske M T.Industrial ethernet protocols[J].Control Engineering，2006，53（12）：58-63.

[7]骆东松，黄靖梅.基于RBF网络的盐密光纤在线监测系统的研究[J].陕西电力，2012（10）：40-43，52.

LUO Dong-song，HUANG Jing-mei.ESDD fiberonline monitoring system based on RBF Network [J].Shaanxi Electric Power，2012（10）：40-43，52.

[8]张蒙正，邹宇.美国典型高超飞行器项目研发及启示[J].火箭推进，2012（2）：1-8，37.

ZHANG Meng-zheng，ZOU Yu.Development of American typical hypersonic flight vehicles and its enlightenment[J].Journal of Rocket Propulsion,2012（2）：1-8，37.

The research of the key technology of aircraft area integrative telemetry network system

WANG Yan-lu
（China Aviation Experiment and Research Institute， Xi’an 710089， China）

According to the requests of the testing of C919 and the experience of the testing of ARJ21，as the background of international flight testing develop current， combining the characteristic of our flight testing， this paper advances an aircraft area integrative telemetry network system which contain airborne testing，telemetry network and data processing.After the research and analysis of some of the key technology，this paper advances the resolve project.These provide a reference for the flight testing and integrate monitoring methods.

airborne testing； telemetry network； real time data processing fleetly； area integrative

10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.16.043

TN98

A

1674-6236（2014）16-0144-03

2013-10-24 稿件编号：201310187

王延路（1963—），女，河北乐亭人，高级工程师。研究方向：试飞测试与飞行试验遥测数据处理技术。