航电系统集成测试技术应用研究

徐永强

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

随着电子科学技术的快速发展，航空电子系统已经成为直升机最为关键的组成部分，对于提升整机的作战效能、技术性能和安全性、可靠性起到了关键作用[1]。

由于直升机承载的任务、功能越来越多，航电已成为军用直升机研发预算中最大的部分。粗略估计，新一代直XX型机有70%的预算花在航电系统上[1]。系统集成技术更是整个直升机的重中之重。新型直升机的电子系统复杂度越来越高，改进调试周期越来越长，从初期设计到定型需要多轮变化，对集成测试平台的要求越来越高。

随着航空电子系统规模的扩大，各系统间的交联和协作关系日益复杂。为了提高系统的集成效率，减少人力和时间的成本，必须采用科学的方法，以降低试验测试的复杂度，加快交付进度。

1 集成测试的基本方法和过程管理

系统集成测试主要包括航空电子系统、飞控系统和机电系统的综合集成测试。集成测试技术主要包括系统总体、总线技术、软件控制技术与研制技术、硬件配置集成技术及应用等。

科学高效的系统集成方法是：从全系统的数字仿真开始，将数字仿真模型转变成为具有真实物理接口的实时仿真模型，通过真实件与仿真件的逐一替换，逐步完成整个航电系统的集成工作。这一方法有利于在集成的工程中及时发现并定位问题。

航空电子系统的测试一般采用“激励-响应”测试和动态测试两种方法，借助自动化的测试技术，通过测试用例的形式将测试过程固化下来，并与测试结果协同管理，实现对测试问题的跟踪回归。测试用例的跟踪回归见图1。 对于复杂的航空电子综合系统，整个测试过程需进行有序的管理，包括测试流程管理、试验构型管理、测试用例管理、测试问题的管理和测试数据的收集管理等。集成测试过程是以测试管理系统为中心，建立航电实物系统、飞控系统、机电系统、座舱、飞行仪表等系统之间的交联关系，形成一体化航电系统的集成、测试和交付。测试管理流程图见图2。

图1 测试用例的跟踪回归示意图

图2 测试管理流程示意图

2 航电系统集成测试

2.1 航电产品的全实物集成测试方法

航电系统集成测试平台环境支持航电实物产品的硬件闭环试验，验证实物产品的逻辑功能、时域特性、频域特性、接口特性等是否满足设计要求，以及和机载其他系统的通信连接。将实物产品通过综合适配/调理/断联设备与其他机载(仿真)系统相连。当然，也可以支持航电系统半实物测试方式，即根据试验需要通过实物仿真切换设备先将航电产品的仿真子系统接入，逐步地进行实物产品的替换，最终达到航电产品全实物状态的集成测试验证。全实物测试过程中产生的数据以及处理结果，通过试验管理系统进行存储，并与虚拟原型阶段生成的设计数据进行对比，得出结论，评测航电实物产品的特性是否满足设计要求。如不满足，再进行新的迭代设计过程。

2.2 航电系统演示验证

航电系统仿真测试验证环境应该采用开放式的设计架构，基于层次化的设计模式，将上层模型与接口进行解耦分离，使顶层业务不再受底层资源的限制，可灵活实现不同算法和应用部署。以1553B仿真子系统为例，1553B接口部分采用适配技术进行API的二次封装，形成标准调用，隔离不同厂家的差异，不再受硬件型号的限制；1553B协议部分采用通用的解析和编码模块，针对不同的ICD接口协议完成自动编码解析，适应不同的应用要求。采用这种方法设计的仿真子系统不再受硬件和接口协议的限制，不同的应用只需维护配置项即可，因此可支持不同的上层数学模型，扩展型号，可伸缩可裁剪。通俗来说，在某型号仿真子系统上运行什么模型，该仿真子系统就是什么模型仿真子系统，而不再像传统仿真系统那样要提前定义好，改变了还需要新研。

这种模式还可以用于新技术的开发和验证。新的业务模型通过建模设计，借助已经部署好的底层硬件资源和中间层适配资源，构建新的模型仿真系统，接入整个仿真测试验证环境进行集成试验验证。

2.3 系统组成

所搭建的集成测试平台通过以太网和反射内存网络连接各个仿真子系统。以太网主要用于非实时任务，如试验过程管理、脚本下载以及后期的数据处理等；反射内存网用于试验过程中各个仿真子系统之间的数据实时交互。

航电系统通过仿真验证环境主要由试验管理系统、综合适配/调理/断连设备、航电仿真系统、航电实物系统、飞控实物/仿真系统、机电实物/仿真系统、飞行仿真系统、座舱系统、飞行仪表等组成：

1)试验管理系统：主要由一组软件组成，进行试验任务的规划下载、试验过程的控制、试验数据采集存储以及后期处理等；

2)综合适配/调理/断连设备：完成422/429/硬线等低速信号的断开/连接、适配、调理等功能，完成航电实物信号/仿真信号之间的切换逻辑，完成物理层和电气层的故障注入，其他高速总线信号通过交换机或中继器进行互联；

3)航电仿真系统：由若干个不同接口类型的仿真子系统组成，可实现CAN、1553B、429、422、AFDX、FC、硬线等接口的航电系统仿真和协议处理，实现上，考虑使用工控机+接口板卡+仿真软件，开发仿真软件处理各种物理接口和ICD协议；

4)航电实物系统：航电系统内的各种实物产品；

5)飞行仿真系统，通过反射内存与航电仿真系统、其他仿真系统相连，交互闭环实时数据。

2.4 运行控制

集成测试运行管理过程图见图3。

图3 集成测试运行管理过程图

首先以航电仿真系统为对象，建立飞控系统、机电系统、飞行仿真系统、综合适配/调理/断连设备之间的试验条件，以试验管理系统为控制核心，对仿真的各个航电子系统的接口、协议、逻辑等进行验证。当有航电实物产品需要接入时，断开相应的仿真子系统，实物信号进入系统，逐步替换掉仿真子系统，达到整个航电系统测试验证的目的。在有些航电实物产品不满足条件时，用仿真也可以实现整个系统的闭环，不影响试验和交付进度。

1)当航电子系统接口为1553B时，可以通过拔掉1553B网络上的仿真子系统的插头实现，也可以通过试验管理系统关闭仿真子系统中的软件；

2)当航电子系统接口为AFDX时，可以通过拔掉交换机上仿真子系统的插头实现，也可以通过试验管理系统关闭仿真子系统中的软件；

3)当航电子系统接口为FC时，可以通过拔掉FC交换机上的仿真子系统的插头实现，也可以通过试验管理系统关闭仿真子系统中的软件实现；

4)当航电子系统接口为422/429硬线时，可通过实物仿真切换设备进行继电器开关切换。

当有不同厂家不同型号的航电系统需要介入系统时，只需根据产品接线表更改与中和适配/调理/断连设备之间的连接插头即可，其他部分不用做改动。

整个试验测试过程有试验管理系统进行统一的调度、运行和控制，包括实物仿真的切换、数据的采集存储、试验测试的监控运行、故障的注入等。另一个重要的功能就是将试验大纲转化为试验测试任务，生成测试序列或测试样本，并下载至仿真系统中运行，完成自动测试。

2.5 集成与测试的主要功能

综合航空电子系统集成与测试的主要功能包括：

1)试验构型管理功能，支持真件与仿真件增量式、迭代式集成，利于问题复现和故障定位；

2)程控的供配电管理功能，对参试设备的电源、电流进行同步采集；

3)综合化模块化仿真功能，支持全数字仿真模式与实物仿真模式的一键切换，可直接复用系统分析和系统设计的结果；

4)激励-响应式测试方法，为参试设备提供激励信号，并对其相应进行实时采集；

5)动态综合测试方法，建立实时的飞行环境和战场环境仿真，并对交联设备进行实时并行仿真模拟，为各参试设备提供动态数据激励和半物理仿真测试环境，从而完成被测试产品基于任务剖面的评估和验证；

6)能够提供自动化测试方法，支持测试库、测试脚步的扩展；

7)能够提供物理层、电气层和协议层的故障注入功能，支持故障模式和故障序列的配置，实现故障注入的自动化测试；

8)能够支持航电、飞控、导航和机电等系统跨区域的集成联试；

9)测试流程和测试数据管理平台，支持不同格式试验数据的集成，支持数据分析算法的扩展和自定义。

3 集成测试的主要特点

1)完整性：开放式系统结构，设计-研发-集成-测试-飞机级集成-交付；支持航电、飞控、机电等全机多系统的仿真、集成和验证；覆盖全数字-全实物各阶段。

2)通用性：应具有柔性设计，具有模块化、自动化、可配置和可扩展等特点；集成多种类I/O；支持不同规模的试验构型和测试用例。

3)扩展性：分布式网络架构，保证系统架构的稳定性和开放性，易于扩展和维护；软硬件均采用模块化和综合化设计，模型、I/O、节点均可增加和扩充。

4 结论

集成测试需要多专业参与航电综合集成测试，需要提供飞行姿态的数学模型，需要提供仿真模块以及测试用例、故障模拟等，还需要注入飞控的数学模型。各个硬件提供方共同搭建仿真测试平台，并完成系统集成测试交付等工作。

集成测试平台的投入是一次性的，可与型号的技改结合建设，能产生的产值是相当可观的。还可以满足航电系统演示、参观接待、对外宣传、技术营销等新技术的开发和展示要求。

本文阐述了基于模块化设计的新型航空电子集成测试平台的优点，包括典型的架构、关键技术和主要特点等，为搭建灵活且功能强大的航空电子集成测试平台提供了基本的理论基础。另外，基于该理论，不但可以提高平台的开发效率，而且能够提供集成测试平台的灵活性、重要性，降低研制和人工成本。