智能化机载测试系统关键技术综述

刘 明， 马亚平， 李 宏

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

0 引 言

随着网络、计算机技术的发展，信息化、智能化时代来临。物联网的智能化以大数据为基础，形成了分布于农业、家居、城市监控、物流等应用领域的智能网络[1]；制造业中已采用大型智能化设备用于复杂机械加工，智能化的代表——机器人已经得到初步应用，技术越来越成熟，应用也将越来越广泛。

近年来随着飞行试验对测试的需求牵引，以及信息化技术、计算机技术、通信网络技术的高速发展和应用，试飞测试技术有了很大发展，试飞测试系统设计从分布式系统发展到采用网络化架构的机载测试系统[2]。

当前试飞测试具有以下7个特点：1)测试飞机数量多；2)测试参数数量多；3)测量参数种类多[3]；4）测试记录的数据量大；5)机载环境重复使用，要求测试系统体积小、可靠性高、通用性强；6)机载测试数据和图像需要遥测传输到地面，地面需要实时遥测监控；7)数据处理的工作量巨大，需要实时处理、预处理和事后处理。可以看到，试飞测试系统的网络化、大数据、多传感器融合等特性将为其智能化应用提供平台及技术基础。

在测试技术发展的同时，也面临着一些问题和挑战，主要有3个方面：1） 测试系统越来越复杂，系统设计、集成越来越困难，对人员的技术能力要求越来越高[4]；2）庞大系统往往包含十几个子系统，几百台甚至是上千台设备，面对几千个测试参数，其维护成本（人力、时间）也越来越高；3）遥测数据传输量越来越大，遥测资源越来越紧张。

如何解决这些问题，是我们面临的巨大挑战，同时也为试飞测试的智能化应用创造了机遇。本文在技术上进行了一些探索，并取得一些应用。

1 无线传感器网络技术在试飞中的应用

传感器是智能化系统的基础[5]，但针对飞行试验的无线传感器研究仍然处于起步阶段。传感器是智能化系统的大数据来源，一个大型机载测试系统往往包含成百上千件传感器，有效管理和控制这些传感器可以大大提高系统的保障水平，提高维护效率，并使得数据采集系统的复杂度大幅降低[6]。

1.1 美国研究现状

美国军方为了改进现有飞机试飞测试系统，以满足当前试飞测试的小型化、快速、灵活和智能化的发展需求，从2007年开始，美国空军在佛罗里达埃格林空军基地开启了“先进微型遥测系统”（advanced subminiature telemetry，ASMT）项目的研究[7]，旨在研制一种用于飞机地面和飞行试验的无线传感网络系统，如图1所示。2008年4月初该项目在F16战斗机上进行了第一次地面测试和试验；4月24日成功完成了第一次颤振飞行试验。目前该项目正在研究具有热电偶桥路测试功能的无线传感节点、测试用无线主控制节点和IEEE802.15标准的应用开发。

图1 ASMT项目示意图

1.2 国内研究现状

目前，我国无线传感器网络的应用主要集中在工业领域和学术研究范畴。在飞行试验测试领域，2002年南京航空航天大学自主研制了无线传感器网络，主要由无线应变传感器网络节点、高速无线压电节点和无线传感器网络控制系统组成，可以用于航空器的结构健康监测。该项目于2007年完成了某型战斗机的前起落架试验件静力试验，成功在线监测43个应变测试点的状态。试验结果表明，该网络监测数据准确、配置灵活、可靠性高。此外，北京理工大学等高校也进行了类似的试验项目。但是，从国内研究情况看，大部分研究项目集中在高校，且以地面试验为主，尚未开展有关无线传感器网络技术在试飞中的应用和研究。

1.3 无线传感器网络优势

1）改变机载测试系统的设计格局

现有的数据采集系统通常每个传感器对应一个独立的采集通道，传感器信号处理原理如图2所示。一个大型系统如果包含1 000个传感器就会有1 000个模拟量采集通道，同时包括电压、温度、应变、电位计、ICP等模拟量类型，这样就造成了测试参数量越多，数据采集系统越复杂、技术难度越大、设计/集成的周期越长。以某型机的网络化采集系统为例，其包含30台采集器，近200个模拟量采集模块，3 000多个各种模拟量采集通道[8]。

而采用无线传感器网络，传感器完成信号滤波、A/D转换后以无线方式进行数据传输，并由主控模块处理后进行总线或网络输出，这样就可大大节省采集通道的数量，图3所示为基于预研项目处于研究阶段的无线传感器网络信号处理原理。无线收发接收多个、多类型传感器输出的信号，通过主控模块以总线形式编码输出，不同类型的总线其负荷能力也不同，仅以通用的ARINC429总线为例，理想状态下（不考虑状态、时间等信息），每个采集通道就可完成原来256个通道才能完成的采集任务[9]。

图2 当前传感器信号处理原理

图3 无线传感器网络信号处理原理

无线传感器网络的应用将使采集器的设计变得简单，采集器的数量大幅缩减，可以预见，未来的采集器只需有限几种总线采集板卡就能够满足大型任务测试需求，同时采集器的数量也将缩减为原来的十分之一甚至更少[10]。

2）实现对传感器的动态配置，灵活度更高

无线传感器网络的主控模块提供了双向链路，在传输数据的同时，可以针对不同试飞科目实现对传感器的实时、动态配置，包括传感器的输出范围、数据更新率，信号滤波的截止频率、数据更新率等，相对于原来需要拆除/更换传感器才能解决的问题，在无线传感器网络的设计架构下实现起来更加快捷、容易。

3）校准效率更高

由于当前的传感器输出的是模拟量信号，其校准往往要与调节器、采集器、记录器连接，并经过计算将编码值转换成物理量才能完成，系统复杂，耗时、耗力；而无线传感器直接输出数字信号，其校准省去了中间过程，直接可以给出物理量与编码的关系，从而简化了校准流程[11]。

4）降低电缆的数量、质量且利于敷设

电缆数量的减少将有效降低系统的维护成本，也有力于故障的迅速定位和排除，同时电缆质量的减轻将有利于全状态的飞行试验科目（如武器/火控系统试飞）。

1.4 无线传感器网络与当前测试系统对比

表1给出了无线传感器网络与当前测试系统在多项指标的对比，可以看到，除传感器成本一项无线传感器网络比当前测试系统高外，所有指标无线传感器网络均占优势，在系统/设备总成本方面两种方案相当[12]。

1.5 面临的主要技术问题及解决措施

1）机载电磁环境带来的问题

机上电磁环境复杂，有可能导致无线链路通信中断，数据丢失，对试飞测试是致命的。其解决方案包括：①采用合适的频段；②设计上使用冗余的链路；③采取有策略的数据重传机制[5]。

2）无线传感器的供电方式

表1 无线传感器网络与当前测试系统对比

如果仍然选用有线方式供电是可行的，但无线传感器的优势将大打折扣；而选用其他供电方式，如电池，可以满足短期任务，但是会导致维护困难。

3）传感器滤波特性

除了传感器的精度、测量范围以外，无线传感器滤波器的截止频率是其设计中的一项关键指标，必须能够灵活配置，否则无法满足不同试飞科目的需求。

4）安装环境限制

由于采用无线方式，必须考虑传感器的安装位置的影响，如果安装在电磁屏蔽空间，将导致无法建立正常通信，目前这一问题成了影响无线传感器广泛应用的最大障碍。

2 网络遥测

2.1 网络遥测的应用

网络遥测本身具有灵活的拓扑结构、通用的数据传输协议以及可实现数据共享等特性，它使得智能化应用更容易实现。在某型十架飞机的遥测数据传输中，采用了网络遥测方案，一套地面站可以同时接收4～5架飞机的遥测数据。系统由网络电台、功放、天线等组成，地面天线为全向天线+对空天线，图4（a）所示为单站同时监控三架飞机时的系统组成，图4（b）为系统各节点（5个）的拓扑结构。

在上述应用中，网络遥测系统已具备了自组网、自配置、自愈合等智能化的特点[13]。

2.2 网络遥测的优势

表2给出了网络遥测系统和现有遥测系统在传输距离、数据传输带宽、调制方式等方面的比较，可以看到网络遥测系统主要有以下4个方面的优势：

1）可通过一个频点、一套地面接收设备，同时实现多架飞机飞行数据的遥测，节省了频带资源、人力资源；2）可实现空地双向通信，为机载设备的健康诊断、通信链路维护、机载测试设备的地面实时控制提供通信链路，可提高测试可靠性，明显降低了使用维护成本；3）可实时和准实时100%遥测飞行数据，不用事后卸载处理数据，显著提高了飞行效率[14]；4）可实现飞机与飞机、地面与飞机等相互通信，为未来试飞方案的优化设计提供技术保障。

2.3 网络遥测面临的问题

面临的问题主要包含2个方面：1）当前采用的是UHF频段，传输数据的总带宽只有6.9 Mb/s，未来采用更高频段可以增大数据带宽；2）由于单站要同时接收多架飞机的遥测信号，系统采用了全向天线，目前的全向天线接收增益较低，所以本方案中的遥测接收距离只有100 km。

图4 某型机遥测网络方案

表2 网络遥测和现有遥测系统的比较

综合以上因素，目前的智能化网络遥测非常适合于空域在100 km半径，同时监控飞机数量不超过5架的试飞应用[15]。

3 机载测试系统的中央控制与管理

3.1 中央控制与管理系统的实现及组成

由于网络化的数据采集和记录系统具有2个优势：1）可以通过交换机进行数据交换，2）可以通过简单网络管理协议（simple network management protocol，SNMP）对系统参数进行读取，所以使得对网络系统的中央控制和状态管理成为可能。而实现对网络系统的中央控制和状态管理并不是最终目的，它与遥测网络（或其他无线网络）结合可实现对所有飞机的中央监控[16]。

中央控制与管理系统通过控制总线实现对机载数据采集系统、智能配电系统、遥测发射系统、记录器的控制；通过PCM解调接口和网络接口接收数据并进行处理;远程控制单元及上位机实现对中央控制与管理系统的人工控制和管理；中央控制与管理系统将数据发送给网络遥测系统,同时也可接收遥测发射系统的控制和管理指令，中央控制与管理系统实现示意图见图5(a)。

智能化中央监控系统通过网络遥测系统可同时接收多架飞机的机载测试数据，并将控制和管理指令上传给机载中央控制盒管理系统，从而实现对多架飞机的中央监控，智能化中央监控系统实现示意图见图5(b)。

3.2 中央控制与管理的功能

中央控制与管理系统主要实现4大功能：

1)能够通过网络遥测系统对机载测试系统在线/远程控制；2)实现机载测试数据解析和提取（网络/PCM）；3)根据试飞科目的需求，实现对遥测下行数据的动态配置和加载，从而达到有效利用频带资源的目的[17]；4)实现机载测试系统（设备）状态监视，其中包括机载测试系统的网络状态[18]、各重要节点的通信状态、存储日志文件，从而提高测试系统的保障和维护效率，节约人力成本。

综上，试飞测试系统的中央控制与管理系统可通过系统的控制和管理实现测试资源的高效利用和动态调配，通过中央监控和大数据管理实现测试系统的高效率维护和保障，从而达到通过技术手段降低人力、物力成本的目的。

图5 中央控制和状态管理系统工作原理

4 结束语

尽管当前试飞测试智能化的应用与研究成果是有限的，但已经看到了其较大潜力和优势：1）无线传感器网络将使得测试系统结构由复杂变为简单；2)遥测网络使得遥测资源能够有效利用，实现频带利用率由低到高；3)中央控制和状态管理系统将使试飞效率提高，系统配置由单一变得灵活。

随着PHM、人工智能、智能传感技术的成熟，未来将以智能传感器为基础，以网络为平台，以大数据处理为手段，实现高效率、低成本、资源可动态调配的全网络化、多数据融合、中央控制和管理的试飞测试系统，实现在大测试范畴内的智能化机载测试系统。