劉 明， 馬亞平， 李 宏

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)的發(fā)展，信息化、智能化時代來臨。物聯(lián)網(wǎng)的智能化以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成了分布于農(nóng)業(yè)、家居、城市監(jiān)控、物流等應(yīng)用領(lǐng)域的智能網(wǎng)絡(luò)[1]；制造業(yè)中已采用大型智能化設(shè)備用于復(fù)雜機械加工，智能化的代表——機器人已經(jīng)得到初步應(yīng)用，技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用也將越來越廣泛。

近年來隨著飛行試驗對測試的需求牽引，以及信息化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，試飛測試技術(shù)有了很大發(fā)展，試飛測試系統(tǒng)設(shè)計從分布式系統(tǒng)發(fā)展到采用網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)的機載測試系統(tǒng)[2]。

當(dāng)前試飛測試具有以下7個特點：1)測試飛機數(shù)量多；2)測試參數(shù)數(shù)量多；3)測量參數(shù)種類多[3]；4）測試記錄的數(shù)據(jù)量大；5)機載環(huán)境重復(fù)使用，要求測試系統(tǒng)體積小、可靠性高、通用性強；6)機載測試數(shù)據(jù)和圖像需要遙測傳輸?shù)降孛妫孛嫘枰獙崟r遙測監(jiān)控；7)數(shù)據(jù)處理的工作量巨大，需要實時處理、預(yù)處理和事后處理。可以看到，試飛測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)、多傳感器融合等特性將為其智能化應(yīng)用提供平臺及技術(shù)基礎(chǔ)。

在測試技術(shù)發(fā)展的同時，也面臨著一些問題和挑戰(zhàn)，主要有3個方面：1） 測試系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計、集成越來越困難，對人員的技術(shù)能力要求越來越高[4]；2）龐大系統(tǒng)往往包含十幾個子系統(tǒng)，幾百臺甚至是上千臺設(shè)備，面對幾千個測試參數(shù)，其維護成本（人力、時間）也越來越高；3）遙測數(shù)據(jù)傳輸量越來越大，遙測資源越來越緊張。

如何解決這些問題，是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)，同時也為試飛測試的智能化應(yīng)用創(chuàng)造了機遇。本文在技術(shù)上進行了一些探索，并取得一些應(yīng)用。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在試飛中的應(yīng)用

傳感器是智能化系統(tǒng)的基礎(chǔ)[5]，但針對飛行試驗的無線傳感器研究仍然處于起步階段。傳感器是智能化系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)來源，一個大型機載測試系統(tǒng)往往包含成百上千件傳感器，有效管理和控制這些傳感器可以大大提高系統(tǒng)的保障水平，提高維護效率，并使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的復(fù)雜度大幅降低[6]。

1.1 美國研究現(xiàn)狀

美國軍方為了改進現(xiàn)有飛機試飛測試系統(tǒng)，以滿足當(dāng)前試飛測試的小型化、快速、靈活和智能化的發(fā)展需求，從2007年開始，美國空軍在佛羅里達埃格林空軍基地開啟了“先進微型遙測系統(tǒng)”（advanced subminiature telemetry，ASMT）項目的研究[7]，旨在研制一種用于飛機地面和飛行試驗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示。2008年4月初該項目在F16戰(zhàn)斗機上進行了第一次地面測試和試驗；4月24日成功完成了第一次顫振飛行試驗。目前該項目正在研究具有熱電偶橋路測試功能的無線傳感節(jié)點、測試用無線主控制節(jié)點和IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開發(fā)。

圖1 ASMT項目示意圖

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)研究范疇。在飛行試驗測試領(lǐng)域，2002年南京航空航天大學(xué)自主研制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由無線應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、高速無線壓電節(jié)點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成，可以用于航空器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。該項目于2007年完成了某型戰(zhàn)斗機的前起落架試驗件靜力試驗，成功在線監(jiān)測43個應(yīng)變測試點的狀態(tài)。試驗結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、配置靈活、可靠性高。此外，北京理工大學(xué)等高校也進行了類似的試驗項目。但是，從國內(nèi)研究情況看，大部分研究項目集中在高校，且以地面試驗為主，尚未開展有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在試飛中的應(yīng)用和研究。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢

1）改變機載測試系統(tǒng)的設(shè)計格局

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常每個傳感器對應(yīng)一個獨立的采集通道，傳感器信號處理原理如圖2所示。一個大型系統(tǒng)如果包含1 000個傳感器就會有1 000個模擬量采集通道，同時包括電壓、溫度、應(yīng)變、電位計、ICP等模擬量類型，這樣就造成了測試參數(shù)量越多，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越復(fù)雜、技術(shù)難度越大、設(shè)計/集成的周期越長。以某型機的網(wǎng)絡(luò)化采集系統(tǒng)為例，其包含30臺采集器，近200個模擬量采集模塊，3 000多個各種模擬量采集通道[8]。

而采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器完成信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換后以無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，并由主控模塊處理后進行總線或網(wǎng)絡(luò)輸出，這樣就可大大節(jié)省采集通道的數(shù)量，圖3所示為基于預(yù)研項目處于研究階段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號處理原理。無線收發(fā)接收多個、多類型傳感器輸出的信號，通過主控模塊以總線形式編碼輸出，不同類型的總線其負荷能力也不同，僅以通用的ARINC429總線為例，理想狀態(tài)下（不考慮狀態(tài)、時間等信息），每個采集通道就可完成原來256個通道才能完成的采集任務(wù)[9]。

圖2 當(dāng)前傳感器信號處理原理

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號處理原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將使采集器的設(shè)計變得簡單，采集器的數(shù)量大幅縮減，可以預(yù)見，未來的采集器只需有限幾種總線采集板卡就能夠滿足大型任務(wù)測試需求，同時采集器的數(shù)量也將縮減為原來的十分之一甚至更少[10]。

2）實現(xiàn)對傳感器的動態(tài)配置，靈活度更高

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主控模塊提供了雙向鏈路，在傳輸數(shù)據(jù)的同時，可以針對不同試飛科目實現(xiàn)對傳感器的實時、動態(tài)配置，包括傳感器的輸出范圍、數(shù)據(jù)更新率，信號濾波的截止頻率、數(shù)據(jù)更新率等，相對于原來需要拆除/更換傳感器才能解決的問題，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計架構(gòu)下實現(xiàn)起來更加快捷、容易。

3）校準(zhǔn)效率更高

由于當(dāng)前的傳感器輸出的是模擬量信號，其校準(zhǔn)往往要與調(diào)節(jié)器、采集器、記錄器連接，并經(jīng)過計算將編碼值轉(zhuǎn)換成物理量才能完成，系統(tǒng)復(fù)雜，耗時、耗力；而無線傳感器直接輸出數(shù)字信號，其校準(zhǔn)省去了中間過程，直接可以給出物理量與編碼的關(guān)系，從而簡化了校準(zhǔn)流程[11]。

4）降低電纜的數(shù)量、質(zhì)量且利于敷設(shè)

電纜數(shù)量的減少將有效降低系統(tǒng)的維護成本，也有力于故障的迅速定位和排除，同時電纜質(zhì)量的減輕將有利于全狀態(tài)的飛行試驗科目（如武器/火控系統(tǒng)試飛）。

1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前測試系統(tǒng)對比

表1給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前測試系統(tǒng)在多項指標(biāo)的對比，可以看到，除傳感器成本一項無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比當(dāng)前測試系統(tǒng)高外，所有指標(biāo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均占優(yōu)勢，在系統(tǒng)/設(shè)備總成本方面兩種方案相當(dāng)[12]。

1.5 面臨的主要技術(shù)問題及解決措施

1）機載電磁環(huán)境帶來的問題

機上電磁環(huán)境復(fù)雜，有可能導(dǎo)致無線鏈路通信中斷，數(shù)據(jù)丟失，對試飛測試是致命的。其解決方案包括：①采用合適的頻段；②設(shè)計上使用冗余的鏈路；③采取有策略的數(shù)據(jù)重傳機制[5]。

2）無線傳感器的供電方式

表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前測試系統(tǒng)對比

如果仍然選用有線方式供電是可行的，但無線傳感器的優(yōu)勢將大打折扣；而選用其他供電方式，如電池，可以滿足短期任務(wù)，但是會導(dǎo)致維護困難。

3）傳感器濾波特性

除了傳感器的精度、測量范圍以外，無線傳感器濾波器的截止頻率是其設(shè)計中的一項關(guān)鍵指標(biāo)，必須能夠靈活配置，否則無法滿足不同試飛科目的需求。

4）安裝環(huán)境限制

由于采用無線方式，必須考慮傳感器的安裝位置的影響，如果安裝在電磁屏蔽空間，將導(dǎo)致無法建立正常通信，目前這一問題成了影響無線傳感器廣泛應(yīng)用的最大障礙。

2 網(wǎng)絡(luò)遙測

2.1 網(wǎng)絡(luò)遙測的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)遙測本身具有靈活的拓撲結(jié)構(gòu)、通用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等特性，它使得智能化應(yīng)用更容易實現(xiàn)。在某型十架飛機的遙測數(shù)據(jù)傳輸中，采用了網(wǎng)絡(luò)遙測方案，一套地面站可以同時接收4～5架飛機的遙測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)電臺、功放、天線等組成，地面天線為全向天線+對空天線，圖4（a）所示為單站同時監(jiān)控三架飛機時的系統(tǒng)組成，圖4（b）為系統(tǒng)各節(jié)點（5個）的拓撲結(jié)構(gòu)。

在上述應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)遙測系統(tǒng)已具備了自組網(wǎng)、自配置、自愈合等智能化的特點[13]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)遙測的優(yōu)勢

表2給出了網(wǎng)絡(luò)遙測系統(tǒng)和現(xiàn)有遙測系統(tǒng)在傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸帶寬、調(diào)制方式等方面的比較，可以看到網(wǎng)絡(luò)遙測系統(tǒng)主要有以下4個方面的優(yōu)勢：

1）可通過一個頻點、一套地面接收設(shè)備，同時實現(xiàn)多架飛機飛行數(shù)據(jù)的遙測，節(jié)省了頻帶資源、人力資源；2）可實現(xiàn)空地雙向通信，為機載設(shè)備的健康診斷、通信鏈路維護、機載測試設(shè)備的地面實時控制提供通信鏈路，可提高測試可靠性，明顯降低了使用維護成本；3）可實時和準(zhǔn)實時100%遙測飛行數(shù)據(jù)，不用事后卸載處理數(shù)據(jù)，顯著提高了飛行效率[14]；4）可實現(xiàn)飛機與飛機、地面與飛機等相互通信，為未來試飛方案的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)保障。

2.3 網(wǎng)絡(luò)遙測面臨的問題

面臨的問題主要包含2個方面：1）當(dāng)前采用的是UHF頻段，傳輸數(shù)據(jù)的總帶寬只有6.9 Mb/s，未來采用更高頻段可以增大數(shù)據(jù)帶寬；2）由于單站要同時接收多架飛機的遙測信號，系統(tǒng)采用了全向天線，目前的全向天線接收增益較低，所以本方案中的遙測接收距離只有100 km。

圖4 某型機遙測網(wǎng)絡(luò)方案

表2 網(wǎng)絡(luò)遙測和現(xiàn)有遙測系統(tǒng)的比較

綜合以上因素，目前的智能化網(wǎng)絡(luò)遙測非常適合于空域在100 km半徑，同時監(jiān)控飛機數(shù)量不超過5架的試飛應(yīng)用[15]。

3 機載測試系統(tǒng)的中央控制與管理

3.1 中央控制與管理系統(tǒng)的實現(xiàn)及組成

由于網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)具有2個優(yōu)勢：1）可以通過交換機進行數(shù)據(jù)交換，2）可以通過簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（simple network management protocol，SNMP）對系統(tǒng)參數(shù)進行讀取，所以使得對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中央控制和狀態(tài)管理成為可能。而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中央控制和狀態(tài)管理并不是最終目的，它與遙測網(wǎng)絡(luò)（或其他無線網(wǎng)絡(luò)）結(jié)合可實現(xiàn)對所有飛機的中央監(jiān)控[16]。

中央控制與管理系統(tǒng)通過控制總線實現(xiàn)對機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)、遙測發(fā)射系統(tǒng)、記錄器的控制；通過PCM解調(diào)接口和網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)并進行處理;遠程控制單元及上位機實現(xiàn)對中央控制與管理系統(tǒng)的人工控制和管理；中央控制與管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)遙測系統(tǒng),同時也可接收遙測發(fā)射系統(tǒng)的控制和管理指令，中央控制與管理系統(tǒng)實現(xiàn)示意圖見圖5(a)。

智能化中央監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)遙測系統(tǒng)可同時接收多架飛機的機載測試數(shù)據(jù)，并將控制和管理指令上傳給機載中央控制盒管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對多架飛機的中央監(jiān)控，智能化中央監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)示意圖見圖5(b)。

3.2 中央控制與管理的功能

中央控制與管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)4大功能：

1)能夠通過網(wǎng)絡(luò)遙測系統(tǒng)對機載測試系統(tǒng)在線/遠程控制；2)實現(xiàn)機載測試數(shù)據(jù)解析和提?。ňW(wǎng)絡(luò)/PCM）；3)根據(jù)試飛科目的需求，實現(xiàn)對遙測下行數(shù)據(jù)的動態(tài)配置和加載，從而達到有效利用頻帶資源的目的[17]；4)實現(xiàn)機載測試系統(tǒng)（設(shè)備）狀態(tài)監(jiān)視，其中包括機載測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[18]、各重要節(jié)點的通信狀態(tài)、存儲日志文件，從而提高測試系統(tǒng)的保障和維護效率，節(jié)約人力成本。

綜上，試飛測試系統(tǒng)的中央控制與管理系統(tǒng)可通過系統(tǒng)的控制和管理實現(xiàn)測試資源的高效利用和動態(tài)調(diào)配，通過中央監(jiān)控和大數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)測試系統(tǒng)的高效率維護和保障，從而達到通過技術(shù)手段降低人力、物力成本的目的。

圖5 中央控制和狀態(tài)管理系統(tǒng)工作原理

4 結(jié)束語

盡管當(dāng)前試飛測試智能化的應(yīng)用與研究成果是有限的，但已經(jīng)看到了其較大潛力和優(yōu)勢：1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將使得測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由復(fù)雜變?yōu)楹唵危?)遙測網(wǎng)絡(luò)使得遙測資源能夠有效利用，實現(xiàn)頻帶利用率由低到高；3)中央控制和狀態(tài)管理系統(tǒng)將使試飛效率提高，系統(tǒng)配置由單一變得靈活。

隨著PHM、人工智能、智能傳感技術(shù)的成熟，未來將以智能傳感器為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為平臺，以大數(shù)據(jù)處理為手段，實現(xiàn)高效率、低成本、資源可動態(tài)調(diào)配的全網(wǎng)絡(luò)化、多數(shù)據(jù)融合、中央控制和管理的試飛測試系統(tǒng)，實現(xiàn)在大測試范疇內(nèi)的智能化機載測試系統(tǒng)。