賈 雨 ，吳海東 ，齊禪穎 ，王 爽

（1.中國飛行試驗研究院陜西西安710089；2.西安遠方航空技術(shù)發(fā)展總公司陜西西安710089）

隨著新型、大型飛機不斷發(fā)展及機上設備的升級，在對其進行試飛測試時需要測試參數(shù)數(shù)量和參數(shù)種類越來越多，且傳輸量呈爆炸式增長[1]。在這種新形勢下，采用網(wǎng)絡化機載測試架構(gòu)越來越成為試飛測試方案設計的主流，機載測試各子系統(tǒng)間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)、機載測試數(shù)據(jù)的海量傳輸以及多源數(shù)據(jù)融合處理，成為一個新的發(fā)展趨勢。IENA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時解析[2]。作為機載實時數(shù)據(jù)處理[3-4]的中心環(huán)節(jié)，既要實時準確從測試網(wǎng)絡獲取所需測試參數(shù)IENA數(shù)據(jù)包，又要求其能夠從所獲取網(wǎng)絡包中快速提取解算所需參數(shù)[5]。用于實時監(jiān)控畫面顯示或者提交給座艙顯示儀、水配重等系統(tǒng)。參試的機上試飛工程師從而可以及時根據(jù)系統(tǒng)解析處理好的監(jiān)控參數(shù)，判定被測飛機狀態(tài)及試飛科目完成質(zhì)量，并及時與試飛員溝通，進而提高科目試飛過程安全性及效率。

文中結(jié)合某型飛機試飛實時監(jiān)控試驗需求，系統(tǒng)介紹了機載IENA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)解析方法及關(guān)鍵技術(shù)分析。并有效解決了網(wǎng)絡包時間對齊及無丟包100%參數(shù)處理問題。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由前端網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集、IENA包接收解算、客戶端數(shù)據(jù)分發(fā)組成，各子系統(tǒng)由航空機載交換機實現(xiàn)互連。當前試飛測試網(wǎng)絡化架構(gòu)采集器[6-7]主要包括KAM500及UMA2000，該兩種采集器均以IENA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的形式進行測試數(shù)據(jù)的傳輸記錄[8-9]。IENA數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)與前端采集系統(tǒng)進行網(wǎng)絡連接，并通過解析其參數(shù)配置文件獲取相關(guān)參數(shù)結(jié)構(gòu)信息，然后通過SOCKET套接字方式對IENA包進行監(jiān)聽，根據(jù)參數(shù)結(jié)構(gòu)提取需要的參數(shù)并利用校準信息進行工程量轉(zhuǎn)化、存儲與客戶端的實時數(shù)據(jù)分發(fā)。監(jiān)控客戶端作為測試參數(shù)的顯示終端，實時接收IENA數(shù)據(jù)處理軟件分發(fā)的解算好的工程量并進行顯示與監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 IENA數(shù)據(jù)檢測分析

飛行測試設備（FTI）采用IENA數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)從采集單元到處理單元的傳輸，該格式是從空客A380項目開始第一次被使用。這種格式允許一種信號格式來輸出多種不同的數(shù)據(jù)格式（比如ARINC，AFDX，CAN，模擬量等等）。

IENA是在傳輸層之上由FTI使用的特殊格式，F(xiàn)TI網(wǎng)絡基于典型以太網(wǎng)并且使用UDP/IP協(xié)議傳輸IENA數(shù)據(jù)，共定義了5種不同類型的參數(shù)，如圖2所示，包括D型-標準含時延域參數(shù)、N型-標準無時延域參數(shù)、M型-含時延域消息參數(shù)、M型-無時延域消息參數(shù)、P型-位置參數(shù)。對于采用何種參數(shù)類型依賴于采集的數(shù)據(jù)特征以及處理數(shù)據(jù)的方式。對于每個給定的IENA鍵值，其中只會包含一種參數(shù)類型。

通過FTI網(wǎng)絡進行構(gòu)建和傳送IENA包的主要規(guī)則如下：

1）一個系統(tǒng)可以傳送多個鍵值的IENA包。

2）給定IENA鍵值的所有的包僅包含一個類型的參數(shù)。參數(shù)的數(shù)量以及其出現(xiàn)的順序可以在不同包之間有所不同。

3）每個參數(shù)只能分配一個IENA鍵值（即

使機載處理系統(tǒng)可以復制用于遠程傳送的5個特殊鍵值中的一個）。

4）IENA包被轉(zhuǎn)化成UDP數(shù)據(jù)包以通過FTI以太網(wǎng)發(fā)送。IENA包不能被分成多個不同的UDP數(shù)據(jù)包。

每個IENA包應簽署一個UDP目標端口和一個IP目標地址（不同的鍵值或許會有相同的UDP、IP目標地址）。

圖2 IENA參數(shù)結(jié)構(gòu)

5）同UDP數(shù)據(jù)包最大大小一樣（或是發(fā)送數(shù)據(jù)包的閾值），每個IENA包最大大小可被定義好并且可以從過配置文件來配置。

6）潛伏期，數(shù)據(jù)從采集到IENA包發(fā)送，通過整個采集系統(tǒng)的時間（包含創(chuàng)建IENA包和UDP數(shù)據(jù)包的時間），不能超過FTI系統(tǒng)規(guī)定值。典型值是50 ms，通常情況下潛伏時間會取代IENA包或UDP大小限制。

由各個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到得數(shù)據(jù)，首先被轉(zhuǎn)換成IENA格式，然后通過FTI網(wǎng)絡發(fā)送至記錄裝置以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。從而分發(fā)類型為1發(fā)射機/N接收機。此外，有些機載設備接收到的數(shù)據(jù)可能會被一起計算處理[10]，然后重新通過網(wǎng)絡發(fā)送（計算的參數(shù)），例如本文所述的機載測試數(shù)據(jù)實時處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于套接字的IENA網(wǎng)絡包監(jiān)聽捕獲

IENA網(wǎng)絡包監(jiān)聽捕獲完成與機載測試網(wǎng)絡的連接，接收測試網(wǎng)絡中的IENA數(shù)據(jù)包。機載測試網(wǎng)絡中，由數(shù)臺KAM500或UMA2000采集器進行各種類型測試參數(shù)的采集，并封裝為IENA格式數(shù)據(jù)包在FTI網(wǎng)絡中以UDP組播形式進行傳輸，網(wǎng)絡中的各種測試設備根據(jù)實際需求獲取各自所需測試參數(shù)，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理軟件作為機載測試網(wǎng)絡上的一部分，首先需要與該FTI網(wǎng)絡建立連接，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的接收及挑選，并保證數(shù)據(jù)的實時性和穩(wěn)定性。

根據(jù)以太網(wǎng)五層模型結(jié)構(gòu)[11]，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理軟件可以從數(shù)據(jù)鏈路層到應用層4個不同的分層分別獲取不同封裝類型的數(shù)據(jù)包，對于數(shù)據(jù)處理軟件來說從越上層的協(xié)議獲取的數(shù)據(jù)包進行處理時越簡單。IENA屬于應用層協(xié)議，因此如果能夠從應用層進行數(shù)據(jù)捕獲將會直接獲得IENA網(wǎng)絡包進行處理，然而當前機載采集器中并沒有在應用層中定義實現(xiàn)相應的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，而是采用傳輸層的UDP/IP協(xié)議將多個IENA數(shù)據(jù)包封裝在UDP組播[12]。數(shù)據(jù)包中進行網(wǎng)絡傳輸，因此，IENA實時處理軟件在此利用套接字的方式進行測試參數(shù)數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽捕獲，這雖然會導致接收到的數(shù)據(jù)首先需要進行IENA數(shù)據(jù)包的提取，但同時可以避免抓取下層協(xié)議數(shù)據(jù)包時由于MTU限制造成的數(shù)據(jù)分包問題，從而節(jié)約大量的組包時間。

套接字作為網(wǎng)絡應用編程常用接口，應用程序在使用它進行網(wǎng)絡通信時能夠在傳輸層對數(shù)據(jù)進行傳輸控制，而不需要過多關(guān)注底層細節(jié)。IENA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理軟件根據(jù)采集器XML配置文件的組播地址及端口，利用創(chuàng)建組播套接字，加入機載測試網(wǎng)絡，以實時獲取網(wǎng)絡中的測試參數(shù)網(wǎng)絡包。數(shù)據(jù)的獲取流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)獲取流程

3.2 數(shù)據(jù)解析處理

數(shù)據(jù)解析處理根據(jù)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)以及配置文件中參數(shù)的位置定義，將所需參數(shù)原碼從實時數(shù)據(jù)流中提取出來，然后利用事先定義好的參數(shù)校準信息實現(xiàn)碼值到工程量的轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)解析過程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析流程圖

通過套接字捕獲的UDP數(shù)據(jù)包中通常包含多個不同類型的IENA包，因此，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理軟件在進行測試參數(shù)的解析處理時，首先需要根據(jù)IENA包的構(gòu)建和傳送規(guī)則將其從UDP包中準確定位并提取出來。然后，根據(jù)根據(jù)五種不同類型IENA包的結(jié)構(gòu)及配置文件中各測試參數(shù)的位置定義分別從不同的IENA包中進行提取校準[13]。

目前，在試飛測試參數(shù)工程量轉(zhuǎn)化中，常用參數(shù)校準方式有點對校準、直線校準、多項式校準等類型，IENA實時處理系統(tǒng)針對各種不同校準類型設計對應的算法實現(xiàn)碼值到工程量的轉(zhuǎn)化。最后，通過與客戶端事先約定好的通信協(xié)議，將提取解算好的工程量分發(fā)到監(jiān)控終端或其他測試設備進行實時監(jiān)控或者二次處理再顯示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測試參數(shù)時間同步策略

針對飛行試驗網(wǎng)絡IENA數(shù)據(jù)包，每個單獨的IENA數(shù)據(jù)包甚至每一個參數(shù)都帶有自己獨立的時標。同一監(jiān)控科目所需要參數(shù)往往存在于多個不同IENA數(shù)據(jù)包中，且這些IENA包由于參數(shù)類型及采樣率的不同往往不是在同一時刻采集得到的，即不同IENA包中的測試參數(shù)的通常不是在同一時刻采集的，但是試飛數(shù)據(jù)分析卻又要求在同一的時標下進行數(shù)據(jù)的分析。針對該采集特性，對于飛行試驗事后數(shù)據(jù)處理而言，針對不同需求通?？梢圆捎脭?shù)據(jù)擬合[14]或臨近點逼近的方法實現(xiàn)不同參數(shù)間的時間對齊[15]。而實時監(jiān)控對數(shù)據(jù)的快速實時處理具有很高的要求[16]，為快速進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的時統(tǒng)分析，在此采用幾乎零耗時的臨近點逼近策略，并采用提高參數(shù)采樣率及客戶端顯示刷新速率來減少不同參數(shù)的對時誤差，將其控制在完全符合實時監(jiān)控需求的10 ms級誤差范圍以內(nèi)。

4.2 IENA包100%實時接收處理技術(shù)

IENA為網(wǎng)絡化測試架構(gòu)，所有測試參數(shù)以網(wǎng)絡包的方式在測試網(wǎng)絡上進行傳輸，測試網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量達到30 Mbps以上并且網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的大小不均勻，理論上機載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理軟件如果對接收到的UDP數(shù)據(jù)包不能及時進行處理就會導致丟包現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而導致實時監(jiān)控參數(shù)的缺失，所以對接收解析的IENA數(shù)據(jù)包進行丟包檢測就非常有必要。軟件為了實現(xiàn)IENA數(shù)據(jù)包的100%處理，采用共享內(nèi)存及多線程處理技術(shù)，對不同類型的數(shù)據(jù)包分配各自的處理線程，實現(xiàn)了軟件在數(shù)據(jù)帶寬達到55 Mbps的情況下的IENA包無丟包處理，并對內(nèi)存管理進行優(yōu)化，采用雙緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)存儲。

5 結(jié)束語

該機載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時處理軟件，已成功應用于某型飛機地面聯(lián)試試驗及滑行試驗過程中的機載網(wǎng)絡化測試數(shù)據(jù)處理解析當中。試驗結(jié)果表明該軟件運行穩(wěn)定，實時處理及顯示參數(shù)不少于2 000個，方便試飛工程師對試飛數(shù)據(jù)有效性快速做出判斷，同時，對IENA數(shù)據(jù)包中的時間戳的合理處理方式，有效地解決了監(jiān)控參數(shù)時鐘同步分析問題，滿足了該機測試需求。同時該軟件對關(guān)鍵技術(shù)的突破為以后的機載實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)及網(wǎng)絡化遙測數(shù)據(jù)處理積累了寶貴的經(jīng)驗。

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