基于网络通信架构的分布式测试系统

李 宏，吴 衡，胡丙华，范秉宇

(1.中国飞行试验研究院，西安 710089;2.海军驻阎良地区航空军事代表室，西安 710089)

0 引言

在新机研制过程中，高素质的试飞员培训与飞行试验都是新型飞机研制过程中不可缺少的重要环节。为使新型飞机通过严格的鉴定与定型试飞，以及对培训试飞员的飞行效果进行事后讲评分析，需要在飞机飞行过程中，通过测试获取大量的试验数据。同时，为保障飞行安全，需要把大量的机载测试数据与视频画面实时遥测传输到地面，与地面各测试系统测试得到的数据进行综合处理与显示，为地面指挥员与试飞工程师提供良好的监控画面，对试飞全过程进行实时安全监控。由于新型飞机采用的新技术越来越多，以及为加快试飞进度，提高试飞效率，要求在一个架次中进行多个科目综合试飞的要求提高，需要的测试内容以及测试参数量也急剧增加，这些都对测试系统的设计提出了更多、更高的要求。

测试系统组成多、接口关系复杂、分布范围广等已成为新型飞机试飞的特点。同时，为了实现多系统之间协调、可靠的工作，采用实时通信、统一授时、融合处理已经成为现代靶场基地建设的基本要求。特别是系统之间的视频数据的增多，造成通信负载大，影响数据传输的效率与可靠性;多系统之间协调有序的运行需要进行大量的数据、视频、控制指令、时间等信息的实时传输。由于组成的测试系统多，组成和技术复杂，数据量大，特别是有大量的实时数字视频信息，以HDLC(串口通信协议)为通信架构的测试体系已无法满足当代新机试飞的测试需求，因此必须根据新的测试需求研究新的测试系统通信架构。目前，数字网络因组网灵活、传输带宽宽，特别是以光纤网络为传输介质的通信网络，市场应用广、技术支持方便等优点，在测控技术领域得到越来越广泛的应用，逐步取代了以串口为通信体系的测试架构。

1 分布式测试系统组成及功能

系统主要由光电经纬仪、遥测接收系统、数字式高速摄像机、测控中心、监控大厅、通信机房、塔台辅助指挥系统、GPS实时差分站等系统或设备组成(见图1)，主要系统功能如下所述。

1)光电经纬仪采用单站或交会测量的方式，用于完成飞机起降段的轨迹、速度测量。光电经纬仪的测量数据、可见光图像与红外图像实时输出到测控中心、监控大厅与塔台。

2)遥测接收系统接收飞机下发的PCM数据与机载视频，直接送到监控大厅进行处理与显示，处理后的机载数据与数字化后机载视频，送到塔台、测控中心等。

3)数字式高速摄像机分布在跑道两端，测量飞机从不同方向着陆时刻的画面，用于图像分析和精确的定位测量。

4)测控中心完成光电经纬仪数据的实时接收与处理，发送飞机航迹数据到其他系统;接收飞机上的GPS数据引导光电经纬仪捕获目标;根据飞机的航迹位置自动触发高速摄像机自动拍摄;事后下载光电经纬仪与高速摄像机测量图像，进行精确处理，为试验分析及鉴定和定型试飞提供技术依据。

5)监控大厅接收遥测数据、测控中心数据、机载视频、光电经纬仪视频及其他数据与图像，进行综合处理与显示，为试飞工程师与试飞指挥员提供监控画面。

6)塔台系统接收测控中心与监控大厅数据，以及机载、光电经纬仪的视频，为塔台飞行指挥员指挥提供参考依据。

图1 各系统信号传输结构图Fig.1 Signal transmission structure of the system

各系统之间实时传输的信息有测量数据、控制指令、引导数据、融合后的结果数据、PCM信号、数字视频、模拟视频、IRIG-B时间码(以下简称B码)，以及事后下载高速摄像机图像数据、光电经纬仪跟踪图像画面等突发高带宽数据(各系统之间的信号传输关系见图1)。系统之间交互信息种类多、实时性强、耦合关系紧密，为保障各系统之间的信息能够实时、可靠、有效传输，需要对各系统之间的通信结构与关系进行认真规划与设计。

2 系统的网络结构设计

由于该测试系统是由分布范围较广的多个分系统构成，必须采用先进、可靠的通信系统才能实现各种数据有序传输、交换、处理、控制与实时显示。鉴于光纤传输具有传输距离远、信号衰变小、频带较宽、传输延迟小、不易受电磁干扰等特点，本测试系统采用基于光纤技术信息传输网络系统。由于传输的数字视频路数多，为防止视频数据堵塞网络，造成数据与控制指令延迟丢包，系统设计实行双网并行工作模式，通过通信机房内的两台核心交换机分别实现数据和数字视频交换和接入。各测量站点均通过千兆以太网端口连接到核心交换机。通信机房核心交换层提供一个宽带、高可靠、具有质量保证、协议统一的分组业务承载平台，实现数据、视频等信息的综合传输与交换。对虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)按照分系统进行划分。

通信底层网络协议使用以太网，信号的传输速率为1000 Mb/s，支持光、电两种接口方式。链路层采用CSMA/CD的媒体访问技术，其帧格式应符合 IETF RFC 894规定，链路层的其他部分符合GB/T 15629.3中关于MAC层的规定。网络层采用互连网协议(IP)以及配套的ARP协议(地址解析协议)和 ICMP协议(网际消息协议)以完成将IP地址解析成为物理地址的可达性等功能。运输层选用TCP/IP协议中的 UDP协议(用户数据报协议)，符合 IETF RFC 768的要求。为保障数据通信的实时性，数据传输全部采用UDP链接;而对命令通讯，全部采用TCP短链接方式，避免使用长连接导致的占用资源过多及系统不稳定性，以保证系统通讯的可靠。

高速摄像数据、B码、PCM信号与模拟视频传输采用纯物理层光端机实现，其运作独立于数据及视频交换机。B码以点对多点的传输方式，用专用的具有模拟及数字接口(分别传输AC码与DC码)的光端机作为传输设备;而模拟视频则采用点对点传输方式，有专用的具有模拟视频接口的光端机作为传输设备;高速摄像数据的下载采用点对点的传输方式，使用千兆数字接口的光端机作为传输设备。事后文件传输采用FTP传输方案。需要访问FTP服务器的端站可以通过客户端程序登录FTP服务器下载相关数据。管理员可以对FTP服务器的开放时间、同时下载线程以及用户访问权限做管理。在飞机飞行期间，为了不影响测试实时数据、视频的正常传输，可以通过管理员关闭FTP服务。

3 视频传输

视频信息具有信息直观、内容丰富等特点，是该测试系统提供的重要测试参数。对视频的传输，目前主要采用有两种方法:1)数字化压缩编码后放到网上，各客户端根据需要网络连接后显示，在同一网络系统中，可多用户同时显示，不受物理连接限制;缺点是有一定延迟，网络丢包会影响重新解码后的图像质量;2)源端输出的模拟视频信号直接通过视频光端机点对点传输，优点是无延迟、图像质量好，缺点是只能点对点传输，记录时需要数字化。考虑监控大厅指挥员对实时性要求高，每台光电经纬仪输出的两路模拟视频、遥测车接收的机载视频都通过光端机直接传输到监控大厅，直接由视频矩阵切换到大屏上显示。同时，在视频源端，通过数字视频编码器将模拟信号采用最新的H.264视频压缩算法，进行实时压缩编码后，以组播的方式传输。这样，测控中心、塔台系统以及其他系统，通过客户端接收软件，可任意选择显示画面。通过实际测试，数字视频延迟在0.4 s左右，满足一般监控要求。

高速摄像机工作时，采样率选用200 f/s，分辨率2300×1600像素，数据率700 MB/s，不可能进行实时传输，只能实时记录在高速摄像机内部的记录介质，拍摄完成后，下载到计算机，清空记录介质后，重新拍摄。可实时输出6 f/s，用于控制与图像预览。为防止高速摄像机下载时堵塞网络，以及保障下载速度，高速摄像机通过光纤收发器，直接传输到测控中心专用下载计算机，中间不通过通信机房核心交换机。

4 统一授时

分布式多测试系统各测试参数的时间统一问题是该测试系统设计时重点考虑的问题。因为各测试参数的时间统一是保证各分布式测试系统有序工作、确保多参数融合处理和实时同步显示并实现安全监控指挥的前提。该系统采用了GPS时统，它具有使用灵活，成本低和精度高等特点。GPS时统的秒脉冲同步精度可达0.2 μs，满足各测试系统或设备对时间精度的要求。在该系统的测控中心建设有GPS与北斗二合一的授时中心，向各分系统或设备进行统一授时，提供绝对时间。在GPS时间不可用时，提供全系统统一的相对时间。对光电经纬仪等大型测试设备，不仅采用独立GPS时统终端时间，同时接受测控中心的GPS时统终端时间，用于检查光电经纬仪时统是否同步;16台高速摄像机、监控大厅等没有独立时统终端，接收测控中心时统终端统一授时。

对时间精度要求高的测试系统授时目前主要采用B码方式。B码又可分为AC码与DC码，AC码精度可达10 μs，DC码精度可达1 μs以上。高速摄像机是国外采购的COTS产品，只接收AC码。光电经纬仪的GPS时统终端是国内自研，设计有DC码输入。因B码传输距离最大只能到百米距离，而高速摄像机与光电经纬仪距时统中心都在1 km以上，因此对B码电信号不能直接传输，需要通过B码光端机进行传输。B码时间信息的传输要求低延时，高可靠。为此采用专门的光传输线路实现B码信息的传输。B码信息仅实现物理层的电光转换，不涉及任何其他协议层，因此可以达到最小的传输延时。系统延迟可通过时间校验仪进行测量，是一个系统误差。经过检测，B码光端机点对点系统延迟1.3 ms，在数据处理时需进行修正。

对时间精度要求不高的测控中心、监控大厅、塔台等系统内部的数据处理、显示计算机，以及光电经纬仪、遥测接收车等系统内的视频编码器，通过NTP(Network Time Protocol)进行网络授时，局域网内，其同步精度一般可以达到10 ms量级，在广域网上同步精度一般为几十毫秒，满足一般设备对处理、显示、回放等时间精度要求。在测控中心设有时间服务器，时间服务器上插有B码卡，接收时统中心的B码时间后，进行解调，获得标准时间。时间服务器在收到客户机发送的NTP报文请求后，把时间服务器上时间填写在NTP报文中并返回给客户机，客户机完成对本机时钟的修正。

5 结束语

随着我国航空武器试验技术的发展，对试验靶场、基地测试系统的要求也会越来越高，如何构建可靠、有效、自动化程度高、能满足未来武器试验发展的新型靶场测试体系架构，是测试技术工程师重点研究的问题。在本测试系统设计之初就综合考虑了各种因素，并进行了大量的调研与实验，系统研制中，精心设计、精心制造，严格遵照质量和标准化流程进行管理。因此，系统在建设结束后，经过高强度的飞行试验，系统完全满足设计之初提出的各种技术指标。特别是采用的双网络体系架构、数字视频组播与模拟传输结合、B码传输与NTP网络授时等多种关键技术，满足了不同技术需求，取得了良好的应用效果，具有很好的通用性和开放性，可为后续系统的扩展，留下了发展空间。它对未来网络化靶场和基地的建设具有良好的借鉴和推广作用。

［1］郭蔡健，周贵荣，徐亚军，等.一种光纤通道网络延迟特性被动测试方法［J］.电光与控制，2008，15(9):85-87.

［2］陈亮，缪栋.解决光纤传输网络中的基线漂移的方案［J］.电光与控制，2006，13(3):61-64.

［3］张斌，张东来，王超.基于FPGA的IRIG-B(DC)码同步解码设计［J］.测控技术，2008(2):45-47.

［4］汤红军.IPV4与IPV6多播技术对比分析［J］.网络安全与技术应用，2008(4):31-32.

［5］王晓岩，拱长青.网络时间协议在航天测控网中的改进与应用［J］.沈阳航空工业学院学报，2008(4):39-42.

［6］张维勇，钱军，王建新.基于UDP协议的视频图像可靠传输的研究和实现［J］.合肥工业大学学报，2008(5):698-700.

［7］郑先成，张晓斌，雷涛.大型飞机综合试验分布式测试系统研究［J］.测控技术，2008(1):70-71.

［8］孟晨，罗锦.分布式网络化测试系统设计［J］.火力与指挥控制，2006(5):69-71.

［9］刘信新，陈鲲，张方杰.基于以太网的舰载雷达视频传输系统研究［J］.舰船电子工程，2008(5):124-127.

［10］陈卫，翟正军，王季.以太网分布式测试系统中实时传输技术研究［J］.计算机测量与控制，2008(16):259-261.