飞行试验IENA数据实时处理技术研究

贾 雨 ，吴海东 ，齐禅颖 ，王 爽

（1.中国飞行试验研究院陕西西安710089；2.西安远方航空技术发展总公司陕西西安710089）

随着新型、大型飞机不断发展及机上设备的升级，在对其进行试飞测试时需要测试参数数量和参数种类越来越多，且传输量呈爆炸式增长[1]。在这种新形势下，采用网络化机载测试架构越来越成为试飞测试方案设计的主流，机载测试各子系统间通过以太网实现互联、机载测试数据的海量传输以及多源数据融合处理，成为一个新的发展趋势。IENA网络数据实时解析[2]。作为机载实时数据处理[3-4]的中心环节，既要实时准确从测试网络获取所需测试参数IENA数据包，又要求其能够从所获取网络包中快速提取解算所需参数[5]。用于实时监控画面显示或者提交给座舱显示仪、水配重等系统。参试的机上试飞工程师从而可以及时根据系统解析处理好的监控参数，判定被测飞机状态及试飞科目完成质量，并及时与试飞员沟通，进而提高科目试飞过程安全性及效率。

文中结合某型飞机试飞实时监控试验需求，系统介绍了机载IENA网络数据实时处理系统架构、数据解析方法及关键技术分析。并有效解决了网络包时间对齐及无丢包100%参数处理问题。

1 系统总体结构

机载实时数据处理系统由前端网络化数据采集、IENA包接收解算、客户端数据分发组成，各子系统由航空机载交换机实现互连。当前试飞测试网络化架构采集器[6-7]主要包括KAM500及UMA2000，该两种采集器均以IENA网络数据包的形式进行测试数据的传输记录[8-9]。IENA数据实时处理系统与前端采集系统进行网络连接，并通过解析其参数配置文件获取相关参数结构信息，然后通过SOCKET套接字方式对IENA包进行监听，根据参数结构提取需要的参数并利用校准信息进行工程量转化、存储与客户端的实时数据分发。监控客户端作为测试参数的显示终端，实时接收IENA数据处理软件分发的解算好的工程量并进行显示与监控。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 IENA数据检测分析

飞行测试设备（FTI）采用IENA数据格式实现测试数据从采集单元到处理单元的传输，该格式是从空客A380项目开始第一次被使用。这种格式允许一种信号格式来输出多种不同的数据格式（比如ARINC，AFDX，CAN，模拟量等等）。

IENA是在传输层之上由FTI使用的特殊格式，FTI网络基于典型以太网并且使用UDP/IP协议传输IENA数据，共定义了5种不同类型的参数，如图2所示，包括D型-标准含时延域参数、N型-标准无时延域参数、M型-含时延域消息参数、M型-无时延域消息参数、P型-位置参数。对于采用何种参数类型依赖于采集的数据特征以及处理数据的方式。对于每个给定的IENA键值，其中只会包含一种参数类型。

通过FTI网络进行构建和传送IENA包的主要规则如下：

1）一个系统可以传送多个键值的IENA包。

2）给定IENA键值的所有的包仅包含一个类型的参数。参数的数量以及其出现的顺序可以在不同包之间有所不同。

3）每个参数只能分配一个IENA键值（即

使机载处理系统可以复制用于远程传送的5个特殊键值中的一个）。

4）IENA包被转化成UDP数据包以通过FTI以太网发送。IENA包不能被分成多个不同的UDP数据包。

每个IENA包应签署一个UDP目标端口和一个IP目标地址（不同的键值或许会有相同的UDP、IP目标地址）。

图2 IENA参数结构

5）同UDP数据包最大大小一样（或是发送数据包的阈值），每个IENA包最大大小可被定义好并且可以从过配置文件来配置。

6）潜伏期，数据从采集到IENA包发送，通过整个采集系统的时间（包含创建IENA包和UDP数据包的时间），不能超过FTI系统规定值。典型值是50 ms，通常情况下潜伏时间会取代IENA包或UDP大小限制。

由各个数据采集系统采集到得数据，首先被转换成IENA格式，然后通过FTI网络发送至记录装置以及数据处理系统。从而分发类型为1发射机/N接收机。此外，有些机载设备接收到的数据可能会被一起计算处理[10]，然后重新通过网络发送（计算的参数），例如本文所述的机载测试数据实时处理。

3 系统实现

3.1 基于套接字的IENA网络包监听捕获

IENA网络包监听捕获完成与机载测试网络的连接，接收测试网络中的IENA数据包。机载测试网络中，由数台KAM500或UMA2000采集器进行各种类型测试参数的采集，并封装为IENA格式数据包在FTI网络中以UDP组播形式进行传输，网络中的各种测试设备根据实际需求获取各自所需测试参数，网络数据实时处理软件作为机载测试网络上的一部分，首先需要与该FTI网络建立连接，实现测试数据的接收及挑选，并保证数据的实时性和稳定性。

根据以太网五层模型结构[11]，网络数据实时处理软件可以从数据链路层到应用层4个不同的分层分别获取不同封装类型的数据包，对于数据处理软件来说从越上层的协议获取的数据包进行处理时越简单。IENA属于应用层协议，因此如果能够从应用层进行数据捕获将会直接获得IENA网络包进行处理，然而当前机载采集器中并没有在应用层中定义实现相应的数据传输协议，而是采用传输层的UDP/IP协议将多个IENA数据包封装在UDP组播[12]。数据包中进行网络传输，因此，IENA实时处理软件在此利用套接字的方式进行测试参数数据包的监听捕获，这虽然会导致接收到的数据首先需要进行IENA数据包的提取，但同时可以避免抓取下层协议数据包时由于MTU限制造成的数据分包问题，从而节约大量的组包时间。

套接字作为网络应用编程常用接口，应用程序在使用它进行网络通信时能够在传输层对数据进行传输控制，而不需要过多关注底层细节。IENA网络数据实时处理软件根据采集器XML配置文件的组播地址及端口，利用创建组播套接字，加入机载测试网络，以实时获取网络中的测试参数网络包。数据的获取流程如图3所示。

图3 数据获取流程

3.2 数据解析处理

数据解析处理根据数据包的结构以及配置文件中参数的位置定义，将所需参数原码从实时数据流中提取出来，然后利用事先定义好的参数校准信息实现码值到工程量的转化，数据解析过程如图4所示。

图4 数据解析流程图

通过套接字捕获的UDP数据包中通常包含多个不同类型的IENA包，因此，网络数据实时处理软件在进行测试参数的解析处理时，首先需要根据IENA包的构建和传送规则将其从UDP包中准确定位并提取出来。然后，根据根据五种不同类型IENA包的结构及配置文件中各测试参数的位置定义分别从不同的IENA包中进行提取校准[13]。

目前，在试飞测试参数工程量转化中，常用参数校准方式有点对校准、直线校准、多项式校准等类型，IENA实时处理系统针对各种不同校准类型设计对应的算法实现码值到工程量的转化。最后，通过与客户端事先约定好的通信协议，将提取解算好的工程量分发到监控终端或其他测试设备进行实时监控或者二次处理再显示。

4 关键技术

4.1 测试参数时间同步策略

针对飞行试验网络IENA数据包，每个单独的IENA数据包甚至每一个参数都带有自己独立的时标。同一监控科目所需要参数往往存在于多个不同IENA数据包中，且这些IENA包由于参数类型及采样率的不同往往不是在同一时刻采集得到的，即不同IENA包中的测试参数的通常不是在同一时刻采集的，但是试飞数据分析却又要求在同一的时标下进行数据的分析。针对该采集特性，对于飞行试验事后数据处理而言，针对不同需求通常可以采用数据拟合[14]或临近点逼近的方法实现不同参数间的时间对齐[15]。而实时监控对数据的快速实时处理具有很高的要求[16]，为快速进行网络数据包的时统分析，在此采用几乎零耗时的临近点逼近策略，并采用提高参数采样率及客户端显示刷新速率来减少不同参数的对时误差，将其控制在完全符合实时监控需求的10 ms级误差范围以内。

4.2 IENA包100%实时接收处理技术

IENA为网络化测试架构，所有测试参数以网络包的方式在测试网络上进行传输，测试网络数据流量达到30 Mbps以上并且网络数据包的大小不均匀，理论上机载网络数据实时处理软件如果对接收到的UDP数据包不能及时进行处理就会导致丢包现象的出现，从而导致实时监控参数的缺失，所以对接收解析的IENA数据包进行丢包检测就非常有必要。软件为了实现IENA数据包的100%处理，采用共享内存及多线程处理技术，对不同类型的数据包分配各自的处理线程，实现了软件在数据带宽达到55 Mbps的情况下的IENA包无丢包处理，并对内存管理进行优化，采用双缓存区进行数据存储。

5 结束语

该机载网络数据实时处理软件，已成功应用于某型飞机地面联试试验及滑行试验过程中的机载网络化测试数据处理解析当中。试验结果表明该软件运行稳定，实时处理及显示参数不少于2 000个，方便试飞工程师对试飞数据有效性快速做出判断，同时，对IENA数据包中的时间戳的合理处理方式，有效地解决了监控参数时钟同步分析问题，满足了该机测试需求。同时该软件对关键技术的突破为以后的机载实时数据处理技术及网络化遥测数据处理积累了宝贵的经验。

参考文献：

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[5]王延路，袁炳南，刘语乔.民机试飞空地一体化综合监控网络系统技术研究[J].现代电子技术，2012，35（15）:110-112.

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