实时遥测数据地面站的发展与趋势

余奎

摘 要：伴随着现代飞机和航空武器新技术的发展，飞行试验的难度和风险越来越高。实时遥测数据处理系统是保障飞行试验安全的重要组成部分，该文根据飞行试验的特点，分析了研制实时遥测数据地面站需要关注的几个方面，并给出了技术实现思路。

关键词：飞行试验 遥测地面站 实时网络 飞行可视化

中图分类号：V217 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0015-03

现代飞机和航空武器新技术应用多，功能齐全，综合程度高，飞行试验的难度越来越大，风险越来越高。为保障试飞质量和试飞安全，降低试飞成本，确保数据的可信度，缩短试飞周期，实时遥测数据处理系统必不可少。

通过实时遥测数据处理系统能够加强试飞实时监控和实时数据处理能力，可以实时和准实时获取80%试飞报告所需数据和100%下个起落可否飞行的决策数据。

实时遥测数据处理系统的体系结构和实时数据处理软件是实时遥测数据处理系统的灵魂，体现试飞实时处理技术水平高低和功能强弱，而实时遥测数据处理系统的体系结构则是整个系统的基础，合理的设计不仅使实时遥测数据处理系统研制起点高，风险小，投资少，收效快，而且还能使系统更加具有生命力。

实时遥测数据处理系统从功能分，主要由遥测接收、前端处理、监控3个部分组成，整个系统以网络为基础，构成了一个开放式的体系结构，如图1所示。

（1）遥测接收：由自动跟踪天线、天线控制器、遥测接收机等设备组成，完成天线自动跟踪控制、遥测PCM数据和视频图像以及卫星数据的接收。

（2）前端处理：由嵌入式遥测前端处理器、控制台终端等设备组成，完成多路PCM数据的分路、采集、工程单位转换与其他数据流参数（外部测量参数、GPS数据）的融合处理（时间协调、合并）以及数据传输等任务。

（3）实时监控：由多台PC机、条图仪、大屏幕投影仪、监控台、视频、音频等设备组成，形成一个现代化的监控大厅，是实时监控和事后数据处理，试飞工程师和试飞指挥人员的重要工作场所。

1 国内外现状

美、法等西方先进国家的航空遥测系统已发展成卫星网络自动化的综合系统，单站多目标自动跟踪，采用嵌入式母线结构，宽频带，高速率，压缩编码，集图象视频、PCM数据、声音、控制等多媒体于一体的多流综合技术，遥测数据流达50 Mb/s，实时处理将达6万个参数，系统可24 h连续无故障运行，小于1 h的故障修复时间，单元系统寿命可达15年之久，高度模块化、集成化。

我国20世纪90年代初通过引进国外实时遥测数据地面站，受一些因素限制，还需要在引进系统应用上做一些完善和改造。根据型号任务的需要，自行研制了一套具有90年代初国际先进水平的GDAS系统，该系统是功能较为完善，能力较强的实时、准实时预处理系统，能满足当时的遥测数据处理需要，但因受当时的计算机技术限制，升级、维护成本较高。

国内近年实时遥测数据处理系统的建设已经有了突破，但部分关键部件和技术与国外还存在一定距离。主要表现在可靠性、实时接收处理能力和系统的集成度等几个方面。

2 实时遥测数据地面站发展及趋势

现代飞机机载系统越来越复杂，综合化程度越来越高，除传统的1553B、ARINC等航空电子总线外，新型、高速航空电子总线（如AFDX，FC.AE等）和一些高速工业总线（如CAN、1394等）在飞机机载系统中得到普遍应用，高速总线数据成为试飞机载测试的主要数据源，加之视频图像测量在现代飞机和航空武器试飞中的广泛应用，试验测试数据量急剧增加。同时在现在飞机和航空武器的飞行试验中，单通过PCM遥测数据已不能满足试飞任务的要求，需要引入大量的外测（雷达测量、光学测量、GPS测量等）和多媒体（音频、视频）数据，由于数据量大、数据类型多，数据的采样速率不同，如果采用以往的单以太网结构，可能会导致网络的数据阻塞，影响整个系统的实时性，同时为使高低不同速率的数据有序传输，导致系统的網络管理变得很复杂。

实时遥测数据地面站要满足以上要求，需要对地面站的体系结构以及各个系统的任务进行重新分配，同时对前端服务器和终端工作站提出了更高的要求。

2.1 实时遥测数据地面站体系结构

随着现代飞机飞行试验向综合试飞、多机协同试飞的模式发展变化，使得确保试飞安全和提高试飞效率成为实时遥测数据处理系统的主要任务。随着试飞任务监控从当前试飞动作效果监视向试飞动作的过程监控和动作效果准实时评估的方向发展，对实时遥测数据处理系统的实时性有很高的要求，而普通网络交换机根据其工作原理，通过网络交换机的数据会有一定的不确定性，导致实时性有一定的影响，因此针对实时性要求很高的系统，我们必须抛开以太网的结构，采用一种高速的实时网络来构架系统。

实时反射内存网是一种高速的实时网络，可以用于连接各种计算机组成一个实时网络。它主要由反射内存卡通过光纤等传输介质连接而成。每个反射内存卡都有一段内存地址。网上的任何一台计算机向本地反射内存卡写数据时，该数据和相应的内存地址将在极短的时间内广播到网上所有的反射内存卡并存储在相同的偏移位置上，于是网络上的所有计算机都可以访问这个新数据。反射内存使用简单的读写方式，实时网络的反射内存卡上的数据传输是纯硬件操作，不需要考虑网络的通信协议，其网络延迟仅仅是节点数n和所用宽带比例B%的函数，有：t=f（n，B%），因此它与以太网等其他传统网络相比具有更低的数据传输延迟，更快的传输速度，更简单灵活的使用操作，可以满足实时系统快速反应周期的要求，而采用其他网络就很难满足这种要求。

实时遥测数据处理系统采用实时网络体系结构后，由于网上的所有数据可以实时共享，因此网上的每一台计算机既可承担处理计算，亦可承担数据实时监控，弱化了网络体系架构的服务器和客户机的分工，使得实时遥测数据处理系统的管理变得简单，系统可靠性增强，同时飞行试验的专业化处理实现容易。

2.2 遥测数据前端数据处理

遥测前端为实时遥测数据处理系统中的核心设备，其体系结构和计算机平台选择，是研制遥测前端的关键问题之一，合理的选择不仅使其研制起点高，风险小，投资少，收效快，而且使产品具有生命力。可以说，遥测前端处理服务器的技术水平代表了实时遥测数据处理系统的技术水平。

毋庸置疑，对任何一个系统来说，可靠性都是很重要的一个指标，一个不可靠的或可靠性很差的系统很难发挥应有的作用。为了保证系统的可靠性，我们主要在系统的配置、软件平台的选用以及应用软件的测试等方面针对系统进行可靠性方面的考虑。

遥测数据处理系统中的核心设备——遥测前端处理服务器，经历了从分立式、智能式到嵌入式的快速发展历程。当前计算机技术的发展，使CPU速度和总线速率已不再是新一代遥测前端处理器的瓶颈。遥测前端处理服务器的实时处理专用软件系统是实时遥测数据处理系统的灵魂，体现出试飞实时处理技术的水平高低和功能强弱。该软件系统的研制具有相当的技术难度，是实时遥测数据处理系统的关键技术。而操作系统的正确选取是其中一个重要环节，实时多任务操作系统本身的高可靠性，再加上前端任务的多优先级分配机制以及意外出错保护机制，从而实现了前端硬件的可靠、软件的简捷以及用户干预较少等特点，保证了遥测前端处理器的可靠性。

随着计算机技术和天线技术的发展，遥测前端处理器将从接收模拟信号向接收数字信号过渡，其PCM分路任务由天线接收子系统来完成；同时从接收纯PCM信号向接收多种信号类型（pcm、视频、音频、外测、总线数据、GPS）过渡；从功能大而全朝功能单一方向发展；从支持单一类型数据流向支持多类型的数据流发展，包括外部参数测试系统（GPS、雷达、光电经纬仪等），卫星传输数据以及内部测量参数的遥测数据流合并处理；系统的操作向傻瓜式操作方向发展。

2.3 飞行数据可视化

现在计算机的多媒体技术已在很多领域开始应用，数字可视化是国际发展趋势，在飞行试验中更应大力发展，仅仅将遥测接收的数据以数字、图表、曲线等形式表现是远远不够的。大量复合应用三维视景、三维航迹、二维曲线表、虚拟仪表、电子地图、平显、下显图画、实时视频、参数群列表等多种可视化表现手段，对有关关键参数进行越限语音报警，将真实地再现试飞现场，对提高试飞质量，确保风险科目试飞安全有着重要的意义，如图2所示。

飞行数据可视化能够以可视化的方式直观、形象地表现出飞机飞行的路线、高度以及每一时刻的姿态，可以明显改善试飞指挥员及试飞工程师的工作效率及工作质量，对于保证飞机的正常飞行及实现高效合理的指挥决策有重大的意义。飞行数据可视化使用多种网络通信方式接收各种形式的飞行参数，采用三维软件技术对参数进行三维、曲线轨迹、虚拟仪表设备等多种直观形象显示，并能通过地理信息系统（GIS）数据显示出与真实地理环境相一致的电子地图供用户参考。

利用多媒体技术，建立一套飞机应急操作程序，在飞机出现异常时，可以给试飞指挥员提供最大的帮助。

3 实施途径

遥测数据地面站的设计既要考慮了新一代飞机的需要，同时也要考虑航空工业发展的需要，并按照国内外通用的遥测标准进行设计，其应是一个多功能、多数据流、多用户的系统，可为综合试飞提供有效的实时监控和数据处理手段，可大大减少试飞架次，缩短试飞周期，确保飞行安全，除用于新一代飞机和其他飞机的飞行试验外，还可推广到其他领域使用。

在信息化试验环境条件下，现代飞机多目标（空、地）、多协同试飞需求的牵引、飞行试验模式的变革以及越快越多的无人机试飞需求表明，遥测将向网络化、空地一体化的方向发展已是大势所趋。

技术的迅速变化和装备采办程序的变革，导致试验用户更加重视依靠商用成熟技术（COTS）、商用技术标准、成本较低的硬件和软件，基于商用技术标准的遥测标准是发展方向。采用OEM、COTS（商用技术）进行遥测数据处理系统开发和集成的技术途径，有利于提高系统的研制水平，有利于形成我们的高新技术拳头产品，有利于保持我们在国内同类产品研制中的领先地位，有利于人才的培养、技术水平的提高和队伍的稳定。

参考文献

[1] 周自全.飞行试验工程[M].北京：航空工业出版社，2010.

[2] 白效贤，乔东峰，于艳，等.采用C/S结构的遥测数据处理系统及其实现技术[J].计算机应用和软件，2006（7）：68-70.

[3] 白效贤，杨廷梧，袁炳南.航空飞行试验遥测技术发展趋势与对策[J].测控技术，2010，29（11）：6-9.