李 宏，吳 衡，胡丙華，范秉宇

(1.中國飛行試驗研究院，西安 710089;2.海軍駐閻良地區(qū)航空軍事代表室，西安 710089)

0 引言

在新機研制過程中，高素質(zhì)的試飛員培訓與飛行試驗都是新型飛機研制過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。為使新型飛機通過嚴格的鑒定與定型試飛，以及對培訓試飛員的飛行效果進行事后講評分析，需要在飛機飛行過程中，通過測試獲取大量的試驗數(shù)據(jù)。同時，為保障飛行安全，需要把大量的機載測試數(shù)據(jù)與視頻畫面實時遙測傳輸?shù)降孛妫c地面各測試系統(tǒng)測試得到的數(shù)據(jù)進行綜合處理與顯示，為地面指揮員與試飛工程師提供良好的監(jiān)控畫面，對試飛全過程進行實時安全監(jiān)控。由于新型飛機采用的新技術(shù)越來越多，以及為加快試飛進度，提高試飛效率，要求在一個架次中進行多個科目綜合試飛的要求提高，需要的測試內(nèi)容以及測試參數(shù)量也急劇增加，這些都對測試系統(tǒng)的設計提出了更多、更高的要求。

測試系統(tǒng)組成多、接口關系復雜、分布范圍廣等已成為新型飛機試飛的特點。同時，為了實現(xiàn)多系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)、可靠的工作，采用實時通信、統(tǒng)一授時、融合處理已經(jīng)成為現(xiàn)代靶場基地建設的基本要求。特別是系統(tǒng)之間的視頻數(shù)據(jù)的增多，造成通信負載大，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c可靠性;多系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)有序的運行需要進行大量的數(shù)據(jù)、視頻、控制指令、時間等信息的實時傳輸。由于組成的測試系統(tǒng)多，組成和技術(shù)復雜，數(shù)據(jù)量大，特別是有大量的實時數(shù)字視頻信息，以HDLC(串口通信協(xié)議)為通信架構(gòu)的測試體系已無法滿足當代新機試飛的測試需求，因此必須根據(jù)新的測試需求研究新的測試系統(tǒng)通信架構(gòu)。目前，數(shù)字網(wǎng)絡因組網(wǎng)靈活、傳輸帶寬寬，特別是以光纖網(wǎng)絡為傳輸介質(zhì)的通信網(wǎng)絡，市場應用廣、技術(shù)支持方便等優(yōu)點，在測控技術(shù)領域得到越來越廣泛的應用，逐步取代了以串口為通信體系的測試架構(gòu)。

1 分布式測試系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由光電經(jīng)緯儀、遙測接收系統(tǒng)、數(shù)字式高速攝像機、測控中心、監(jiān)控大廳、通信機房、塔臺輔助指揮系統(tǒng)、GPS實時差分站等系統(tǒng)或設備組成(見圖1)，主要系統(tǒng)功能如下所述。

1)光電經(jīng)緯儀采用單站或交會測量的方式，用于完成飛機起降段的軌跡、速度測量。光電經(jīng)緯儀的測量數(shù)據(jù)、可見光圖像與紅外圖像實時輸出到測控中心、監(jiān)控大廳與塔臺。

2)遙測接收系統(tǒng)接收飛機下發(fā)的PCM數(shù)據(jù)與機載視頻，直接送到監(jiān)控大廳進行處理與顯示，處理后的機載數(shù)據(jù)與數(shù)字化后機載視頻，送到塔臺、測控中心等。

3)數(shù)字式高速攝像機分布在跑道兩端，測量飛機從不同方向著陸時刻的畫面，用于圖像分析和精確的定位測量。

4)測控中心完成光電經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)的實時接收與處理，發(fā)送飛機航跡數(shù)據(jù)到其他系統(tǒng);接收飛機上的GPS數(shù)據(jù)引導光電經(jīng)緯儀捕獲目標;根據(jù)飛機的航跡位置自動觸發(fā)高速攝像機自動拍攝;事后下載光電經(jīng)緯儀與高速攝像機測量圖像，進行精確處理，為試驗分析及鑒定和定型試飛提供技術(shù)依據(jù)。

5)監(jiān)控大廳接收遙測數(shù)據(jù)、測控中心數(shù)據(jù)、機載視頻、光電經(jīng)緯儀視頻及其他數(shù)據(jù)與圖像，進行綜合處理與顯示，為試飛工程師與試飛指揮員提供監(jiān)控畫面。

6)塔臺系統(tǒng)接收測控中心與監(jiān)控大廳數(shù)據(jù)，以及機載、光電經(jīng)緯儀的視頻，為塔臺飛行指揮員指揮提供參考依據(jù)。

圖1 各系統(tǒng)信號傳輸結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Signal transmission structure of the system

各系統(tǒng)之間實時傳輸?shù)男畔⒂袦y量數(shù)據(jù)、控制指令、引導數(shù)據(jù)、融合后的結(jié)果數(shù)據(jù)、PCM信號、數(shù)字視頻、模擬視頻、IRIG-B時間碼(以下簡稱B碼)，以及事后下載高速攝像機圖像數(shù)據(jù)、光電經(jīng)緯儀跟蹤圖像畫面等突發(fā)高帶寬數(shù)據(jù)(各系統(tǒng)之間的信號傳輸關系見圖1)。系統(tǒng)之間交互信息種類多、實時性強、耦合關系緊密，為保障各系統(tǒng)之間的信息能夠?qū)崟r、可靠、有效傳輸，需要對各系統(tǒng)之間的通信結(jié)構(gòu)與關系進行認真規(guī)劃與設計。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計

由于該測試系統(tǒng)是由分布范圍較廣的多個分系統(tǒng)構(gòu)成，必須采用先進、可靠的通信系統(tǒng)才能實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)有序傳輸、交換、處理、控制與實時顯示。鑒于光纖傳輸具有傳輸距離遠、信號衰變小、頻帶較寬、傳輸延遲小、不易受電磁干擾等特點，本測試系統(tǒng)采用基于光纖技術(shù)信息傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于傳輸?shù)臄?shù)字視頻路數(shù)多，為防止視頻數(shù)據(jù)堵塞網(wǎng)絡，造成數(shù)據(jù)與控制指令延遲丟包，系統(tǒng)設計實行雙網(wǎng)并行工作模式，通過通信機房內(nèi)的兩臺核心交換機分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)字視頻交換和接入。各測量站點均通過千兆以太網(wǎng)端口連接到核心交換機。通信機房核心交換層提供一個寬帶、高可靠、具有質(zhì)量保證、協(xié)議統(tǒng)一的分組業(yè)務承載平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻等信息的綜合傳輸與交換。對虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network，VLAN)按照分系統(tǒng)進行劃分。

通信底層網(wǎng)絡協(xié)議使用以太網(wǎng)，信號的傳輸速率為1000 Mb/s，支持光、電兩種接口方式。鏈路層采用CSMA/CD的媒體訪問技術(shù)，其幀格式應符合 IETF RFC 894規(guī)定，鏈路層的其他部分符合GB/T 15629.3中關于MAC層的規(guī)定。網(wǎng)絡層采用互連網(wǎng)協(xié)議(IP)以及配套的ARP協(xié)議(地址解析協(xié)議)和 ICMP協(xié)議(網(wǎng)際消息協(xié)議)以完成將IP地址解析成為物理地址的可達性等功能。運輸層選用TCP/IP協(xié)議中的 UDP協(xié)議(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，符合 IETF RFC 768的要求。為保障數(shù)據(jù)通信的實時性，數(shù)據(jù)傳輸全部采用UDP鏈接;而對命令通訊，全部采用TCP短鏈接方式，避免使用長連接導致的占用資源過多及系統(tǒng)不穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)通訊的可靠。

高速攝像數(shù)據(jù)、B碼、PCM信號與模擬視頻傳輸采用純物理層光端機實現(xiàn)，其運作獨立于數(shù)據(jù)及視頻交換機。B碼以點對多點的傳輸方式，用專用的具有模擬及數(shù)字接口(分別傳輸AC碼與DC碼)的光端機作為傳輸設備;而模擬視頻則采用點對點傳輸方式，有專用的具有模擬視頻接口的光端機作為傳輸設備;高速攝像數(shù)據(jù)的下載采用點對點的傳輸方式，使用千兆數(shù)字接口的光端機作為傳輸設備。事后文件傳輸采用FTP傳輸方案。需要訪問FTP服務器的端站可以通過客戶端程序登錄FTP服務器下載相關數(shù)據(jù)。管理員可以對FTP服務器的開放時間、同時下載線程以及用戶訪問權(quán)限做管理。在飛機飛行期間，為了不影響測試實時數(shù)據(jù)、視頻的正常傳輸，可以通過管理員關閉FTP服務。

3 視頻傳輸

視頻信息具有信息直觀、內(nèi)容豐富等特點，是該測試系統(tǒng)提供的重要測試參數(shù)。對視頻的傳輸，目前主要采用有兩種方法:1)數(shù)字化壓縮編碼后放到網(wǎng)上，各客戶端根據(jù)需要網(wǎng)絡連接后顯示，在同一網(wǎng)絡系統(tǒng)中，可多用戶同時顯示，不受物理連接限制;缺點是有一定延遲，網(wǎng)絡丟包會影響重新解碼后的圖像質(zhì)量;2)源端輸出的模擬視頻信號直接通過視頻光端機點對點傳輸，優(yōu)點是無延遲、圖像質(zhì)量好，缺點是只能點對點傳輸，記錄時需要數(shù)字化?？紤]監(jiān)控大廳指揮員對實時性要求高，每臺光電經(jīng)緯儀輸出的兩路模擬視頻、遙測車接收的機載視頻都通過光端機直接傳輸?shù)奖O(jiān)控大廳，直接由視頻矩陣切換到大屏上顯示。同時，在視頻源端，通過數(shù)字視頻編碼器將模擬信號采用最新的H.264視頻壓縮算法，進行實時壓縮編碼后，以組播的方式傳輸。這樣，測控中心、塔臺系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)，通過客戶端接收軟件，可任意選擇顯示畫面。通過實際測試，數(shù)字視頻延遲在0.4 s左右，滿足一般監(jiān)控要求。

高速攝像機工作時，采樣率選用200 f/s，分辨率2300×1600像素，數(shù)據(jù)率700 MB/s，不可能進行實時傳輸，只能實時記錄在高速攝像機內(nèi)部的記錄介質(zhì)，拍攝完成后，下載到計算機，清空記錄介質(zhì)后，重新拍攝?？蓪崟r輸出6 f/s，用于控制與圖像預覽。為防止高速攝像機下載時堵塞網(wǎng)絡，以及保障下載速度，高速攝像機通過光纖收發(fā)器，直接傳輸?shù)綔y控中心專用下載計算機，中間不通過通信機房核心交換機。

4 統(tǒng)一授時

分布式多測試系統(tǒng)各測試參數(shù)的時間統(tǒng)一問題是該測試系統(tǒng)設計時重點考慮的問題。因為各測試參數(shù)的時間統(tǒng)一是保證各分布式測試系統(tǒng)有序工作、確保多參數(shù)融合處理和實時同步顯示并實現(xiàn)安全監(jiān)控指揮的前提。該系統(tǒng)采用了GPS時統(tǒng)，它具有使用靈活，成本低和精度高等特點。GPS時統(tǒng)的秒脈沖同步精度可達0.2 μs，滿足各測試系統(tǒng)或設備對時間精度的要求。在該系統(tǒng)的測控中心建設有GPS與北斗二合一的授時中心，向各分系統(tǒng)或設備進行統(tǒng)一授時，提供絕對時間。在GPS時間不可用時，提供全系統(tǒng)統(tǒng)一的相對時間。對光電經(jīng)緯儀等大型測試設備，不僅采用獨立GPS時統(tǒng)終端時間，同時接受測控中心的GPS時統(tǒng)終端時間，用于檢查光電經(jīng)緯儀時統(tǒng)是否同步;16臺高速攝像機、監(jiān)控大廳等沒有獨立時統(tǒng)終端，接收測控中心時統(tǒng)終端統(tǒng)一授時。

對時間精度要求高的測試系統(tǒng)授時目前主要采用B碼方式。B碼又可分為AC碼與DC碼，AC碼精度可達10 μs，DC碼精度可達1 μs以上。高速攝像機是國外采購的COTS產(chǎn)品，只接收AC碼。光電經(jīng)緯儀的GPS時統(tǒng)終端是國內(nèi)自研，設計有DC碼輸入。因B碼傳輸距離最大只能到百米距離，而高速攝像機與光電經(jīng)緯儀距時統(tǒng)中心都在1 km以上，因此對B碼電信號不能直接傳輸，需要通過B碼光端機進行傳輸。B碼時間信息的傳輸要求低延時，高可靠。為此采用專門的光傳輸線路實現(xiàn)B碼信息的傳輸。B碼信息僅實現(xiàn)物理層的電光轉(zhuǎn)換，不涉及任何其他協(xié)議層，因此可以達到最小的傳輸延時。系統(tǒng)延遲可通過時間校驗儀進行測量，是一個系統(tǒng)誤差。經(jīng)過檢測，B碼光端機點對點系統(tǒng)延遲1.3 ms，在數(shù)據(jù)處理時需進行修正。

對時間精度要求不高的測控中心、監(jiān)控大廳、塔臺等系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、顯示計算機，以及光電經(jīng)緯儀、遙測接收車等系統(tǒng)內(nèi)的視頻編碼器，通過NTP(Network Time Protocol)進行網(wǎng)絡授時，局域網(wǎng)內(nèi)，其同步精度一般可以達到10 ms量級，在廣域網(wǎng)上同步精度一般為幾十毫秒，滿足一般設備對處理、顯示、回放等時間精度要求。在測控中心設有時間服務器，時間服務器上插有B碼卡，接收時統(tǒng)中心的B碼時間后，進行解調(diào)，獲得標準時間。時間服務器在收到客戶機發(fā)送的NTP報文請求后，把時間服務器上時間填寫在NTP報文中并返回給客戶機，客戶機完成對本機時鐘的修正。

5 結(jié)束語

隨著我國航空武器試驗技術(shù)的發(fā)展，對試驗靶場、基地測試系統(tǒng)的要求也會越來越高，如何構(gòu)建可靠、有效、自動化程度高、能滿足未來武器試驗發(fā)展的新型靶場測試體系架構(gòu)，是測試技術(shù)工程師重點研究的問題。在本測試系統(tǒng)設計之初就綜合考慮了各種因素，并進行了大量的調(diào)研與實驗，系統(tǒng)研制中，精心設計、精心制造，嚴格遵照質(zhì)量和標準化流程進行管理。因此，系統(tǒng)在建設結(jié)束后，經(jīng)過高強度的飛行試驗，系統(tǒng)完全滿足設計之初提出的各種技術(shù)指標。特別是采用的雙網(wǎng)絡體系架構(gòu)、數(shù)字視頻組播與模擬傳輸結(jié)合、B碼傳輸與NTP網(wǎng)絡授時等多種關鍵技術(shù)，滿足了不同技術(shù)需求，取得了良好的應用效果，具有很好的通用性和開放性，可為后續(xù)系統(tǒng)的擴展，留下了發(fā)展空間。它對未來網(wǎng)絡化靶場和基地的建設具有良好的借鑒和推廣作用。

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