民机机载实时处理系统的设计与实现

房 瑾 张国旺 祁春

中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089

引言

ARJ21是我国自行研制的新型涡扇支线飞机，飞机机体大，测试参数分布广，测试参数种类多，采样率高，因此ARJ21新支线飞机的试飞对测试技术和数据处理技术提出了更高的要求。传统的基于PCM体系的数据采集系统，不能满足该型飞机的试飞要求，ARJ21采用PCM和以太网混合结构的机载测试模式，把采集到的数据经过服务器的处理和筛选，一方面传输给机载实时处理系统，供机上试飞工程师实监控，另一方面通过PCM 生成器将筛选过的信号传输给遥测，进行地面监控。机上参试的试飞工程师根据系统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，及时与飞行员协商，采取对策，从而保证试飞安全，提高试飞效率。

1 系统总体结构

ARJ21机载实时处理系统主要由前端数据采集与转发系统，网络数据实时处理系统，实时监控系统组成。前端数据采集与转发系统主要完成数据的采集，将采集的数据进行打包处理发送到网络；网络数据实时处理系统主要完成数据的挑选及工程量转换；实时监控系统显示试飞测量参数。即时提供可信的定量的数据。

1.1 前端数据采集与转发子系统

前端数据采集与转发子系统采集设备采用KAM500和M770两种通用数据采集设备，KAM500将采集的数据通过网络输出端口发送到网络上。

M770将采集的参数通过PCM码/帧同步板进行码、帧同步后,经PCM数据流转换模块转换，生成网络数据包，通过网络发送给PCM生成器、服务器等。

PCM数据流转换模块工作流程为：读取前端配置文件，对PCM反变换板卡初始化，待PCM数据流同步锁定后，接收PCM帧结构数据，并将数据打包后，以UDP协议广播方式发送到网络。

1.2 网络数据实时采集与处理系统

网络数据实时采集与处理系统在整个机载实时数据处理系统中处于中心地位，它联系着前端数据采集和转发系统与实时监控系统，并且也联系着机载实时系统和地面实时系统。该系统主要包括服务器和PCM生成器两部分，服务器接收由前端数据采集与转发子系统所发送的PCM数据包，接收KAM500网络数据包，按照配置文件提取实时处理所需参数的码值并且按照校准类型进行物理量转化，将物理量以数据包的形式通过网络发送监控台；PCM生成器接收PCM前端和KAM500采集器发送过来的网络包数据，从中挑选出需要遥测的数据转换成PCM帧数据，生成NRZ-Lf信号，然后通过天线发送到地面的实时监控系统。

1.3 实时监控子系统

实时监控子系统主要包括监控工作站和座舱显示仪，该系统和服务器建立网络连接，向服务器发送请求，接收服务器发送的测试参数。根据课题需要在每台监控工作站制作多个画面，画面可以任意切换。实时以数字、曲线、表格等形式显示测试参数，并且按照预警要求进行告警。

部分风险科目试飞，飞行员驾驶舱内的仪表显示的参数不够，这时需要在驾驶舱内增加座舱显示仪显示其他参数，供飞行员查看。由于驾驶舱仪器多，空间小，本系统以PC104+为平台，采用 VC++与GL Studio相结合的软件开发模式，研制了座舱显示仪。该设备为大迎角、失速、发动机等风险试飞科目的完成起到了重要作用。

2 关键技术

2.1 PCM与以太网混合结构

根据ARJ21飞机飞行实验的特点，设计了PCM和以太网混合结构的机载测试系统。传统PCM架构的机载测试系统一般采用集中采集的方式，数据采集和传输速率相对较低，每架飞机测试参数量大约在4000个左右，而ARJ21飞机机体大，测试参数类型多、分布广、PCM架构已不能完全满足ARJ21飞机的飞机测试需求，采用PCM和以太网混合结构，测试系统实现了高速采集，测试数据达到8000个以上。在整个数据采集和分析过程中，新的系统把PCM结构信号调节方面的优势和网络传输快捷的优势紧密结合在一起，极大地提高了数据传输效率，同时该系统整体简化了测试系统的结构，使整个系统的设计、配套、扩展、调试和维护等方面都更加简捷。

2.2 网络方案的设计

由于以太网遵循碰撞检测/发送的原则，没有优先级控制，实时性差，一旦发生阻塞，数据传输可能造成较大的延时，同时由于系统输入的数据流路数多，数据容量大，发生阻塞时容易丢数据；因此，选择网络方案的选择尤为重要。机载实时数据处理系统数据传输的特点是：传输的数据类型较多，数据量大小不一，传输频率有高有低，但传输方向是固定的，每种数据的数据量、传输频率事先能预测。根据这些特点采取下列方案：整个系统以交换机为核心划分为逻辑上相互独立的两个广播域，通过一台支持3层路由/交换协议的以太网交换机将网络划分为2个网段，前端数据采集与转发子系统，网络数据实时采集与处理系统在一个网段，监控工作站和座舱显示仪在另一网段。这样设计的网络系统结构，总数据带宽实现10Mb左右，远远超过以往的实时监控系统的能力。经测试数据从采集到被码帧同步器解调出来,时间延迟不超过70ms，满足测试要求。

2.3 数据融合

本系统采用多个采集器，各采集器按自己的节拍独立采集数据,即便在统一授时的情况下，各采集器采集参数的时刻也是不一致的。必须将所有参数统一到一个时间点，将参数融合在一起，并且尽量的减少误差。网络上的数据以数据包为单位传输,一个数据包中往往包含多个时间点的数据,本系统采用查找的方法，将一段时间的数据存在内存中，以某一路参数的时间为基准，找出其它路中时间相差最近的时间的参数，进行参数对齐。

3 结束语

本文提出的机载实时数据处理系统已成功实现，并且在ARJ21的适航审定试飞中得到了成功的应用。试验证明该系统满足ARJ21飞机机载实时监控和数据处理的需要，满足飞机测试的需求。该系统的成功应用也为今后的机载实时系统的研制提供了借鉴。

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