直升机机载测试系统的体系架构与应用前景

直升机机载测试系统的体系架构与应用前景

关宏亮 1 石嵩 2 陈玉丽 1

1 哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江省 哈尔滨市 150066 2 陆军航空兵研究所，北京， 101121

摘要：机载测试系统是获取试飞数据的重要手段，一个高效可靠的测试系统不仅可节约系统构建成本，而且还能为推进型号试飞进度及其效率提供强有力的测试保障。纵观当前主流技术则是大家耳熟能详的经典且技术成熟度很高的IRIG-106PCM系统架构，而近年来以太网技术的发展又为机载测试系统提供了一个新的发展方向和系统解决方案。在此将对这两种截然不同的系统做个比较详细的介绍，讨论其存在的优缺点及适用范围。

关键词：机载测试系统；PCM架构；以太网技术；应用前景；

前言

试飞测试是一种采集、监控和记录飞机在试飞时的各种信息和测试数据的途径和手段，主要由机载测试系统、地面数据处理系统、遥测监控系统等组成。机载测试系统是整个试飞测试系统的主系统，在试飞测试中，机载测试系统的方案设计显得尤为重要。

一、系统原理框图及优缺点

1.PCM系统架构

（1）系统原理介绍

以3台采集器进行数据传输链路为例进行说明。其中辅采1将采集卡的参数经过编码卡输出一条PCMI12数据流，然后和辅采2输出的PCM11数据流一并进入主采的解码卡，编码输出之后以主PCMI流输出。依据测试任务的实际需求，系统可以按此模式进行相应扩展。

（2）系统特点

良好的系统兼容性∶基于IRIG-106PCM标准协议研发的采集器子系统、记录器及遥测等设备，在搭建整套机载测试系统及地面配套设备时具备很好的系统兼容性、可靠性以及稳定性。

精确的时间相关性∶这是由于系统的时分多路传输属性和PCM控制器向系统中所有单元发布其时钟而决定的。在使用过程中，可在主帧中某个位置打上时间标记。由于每秒中PCM位速率固定且有时标，可以严格推算出每一个参数准确的采样时间，这对于准确分析具有时间相关性参数尤为重要和关键。

数据的单向传输性：由PCM控制器执行数据采集格式循环图命令来决定的。系统及相互间的连接是严格固定的，数据只能传输到指定单元而不会改向传输到采集系统内部其他装置。当一个公共数据需要抽引到其他的专用机载装置的时候，就需要增加数据连线来传输载有相同信息的数据信号和时钟信号。

2.以太网技术

（1）系统简介

采集器单元分别挂接在网络交换机的各个输入端口，GPS时间源连接至网络交换机"。而挂接在端口输出端的网络记录器必须实现对全部采集参数的记录;其次交换机另外一端口输出的监控网络数据包发送至采集器解析板卡，将其网络数据包转换为PCM格式进行遥测监控;为便于实时检查系统工作状态及参数，交换机输出端口还应连接笔记本。

（2）网络传输协议及数据结构

当前投入使用的网络化测试系统中，基于UDP协议（即用户数据包协议）的数据传输模式是最为常见且具有广泛代表性。它由四个部分组成∶源端端口SorePr、目的地端口DestnaionPot、用户数据包长度Lengh以及检查和Checksum。相比较常用的TCP协议，它是一种无连接的协议方式，在传输数据之前源端和终端不建立连接，在传送时尽可能快地将数据传输到网络上，而终端最终是否能正确无误地接收到数据，也不会对源端做出任何回馈信息。从传输原理的基础上分析，该协议方式会在网络包发送的源端采集器至终端的网络记录器之间，有丢失数据的风险性且数据无法复原。

（3）以太网数据系统的特点

数据的包块化：以太网中是以消息数据包的形式传递数据，因此需要将离散的数据流转换成离散的数据块。对于以太网参数测量数据包，需要定义数据包类型，数据包发送目的、数据定义、发送次数等。数据的包块化，是PCM采集系统和网络数据采集系统最根本的区别。

数据包的双向传输性：在包块化的信息网络中没有固定的方向，一个处理节点（如采集器）既可以接收由交换机发来的信号，也可以将所需数据传输给交换机。

3.测试方案及原理

测­试系统主要由传感器、机身主数据采集、数据记录、机载备用电源、主桨采集器、尾桨采集器及遥测监控、数据处理系统等组成。根据测试系统物理逻辑，主要分为以下六个层次∶L1-测试信号变换层、L2-测试信号传输层、L3-测试信号采集层、L4-记录遥测层、L5-机载遥测发射层、L6-地面遥测接收层。主要系统原理如下∶主桨采集器采集到载荷信号后应变参数经采集、编码生成PCM数据码流，采用遥测传输的方式传输PCM数据信号，利用内置无线发射卡发射S波段信号经无线传输到机身设备舱内遥测接收机，遥测接收机输出标准PCM数据信号由机身主数据采集系统进行采集、编码和记录。

尾桨载荷信号测量采用感应供电方式，利用电磁感应的非接触式供电。直升机尾旋翼系统的参数被采集、编码后以光信号的形式从转子部分传输到定子部分，然后编码生成PCM数据码流，由机身主数据采集系统进行采集、编码和记录。由于测量距离较近，发射机的功率和体积可以做得很小，因此遥测系统可以很方便地集成在测试系统内部。

机身主数据采集系统（机载采集器），用于合并主桨采集器PCM数据流、尾桨采集器PCM数据流，同时采集机上抽引ARINC429总线数据，以及直升机性能、机身载荷、振动、温度参数等，并编码输出两路PCM码数据流，一路记录到机载数据记录器，一路经机载PCM遥测编码后发送给机载遥测发射系统（包含遥测发射机、功分器、功率放大器、发射天线等）发射。车载遥测站系统∶用于完成直升机试飞测试时对机载遥测设备发出的遥测数据信号的实时跟踪、接收、解调、存储、传输、处理，以及实时显示和关键参数安全监控。

4.测试系统供电方案设计

直升机的机上电源系统包含直流电源和交流电源两大系统。飞行试验时通过引接机上直流电源为机载测试系统供电。直流电源有蓄电池和直流电机。我国的直升机机上直流电源规范确定电压28VDC，专门用于机载的飞行试验测试设备的电源也是按28VDC的技术要求（环境使用条件）来设计的。

机上直流供电特点是单线正电位供电，28VDC只用一根电源正线，28VDC的负端与机体搭接。整个机体就是电源的负端，电源负端从机上的接地点引出。其中，稳压电压保证直升机空中停车或者直升机在试飞过程中出现电源系统故障发生掉电情况时，可以在一段时间内提供应急电源保证测试系统持续记录测试数据。

二、机载测试技术发展

基于PCM架构下的采集系统因其技术成熟度高且丰富的使用经验，在型号试飞中仍占主流模式。而分布式网络测试系统因其良好的可拓展性、高自由度及大带宽，且数据传输能力远优于PCM，多集中于大型机载测试任务。当前在机载数据采集器上使用以太网技术也符号试飞测试领域的发展潮流，它要求数据采集器具有更多的互动能力。在网络化实际使用过程中，由于采用良好的网络包设计原则及系统构建，整体提升了系统的测试能力及试飞效率。

结束语

在搭建系统之前，首先应对测试任务进行合理的划类分解，详细梳理出不同类型及数量的测试参数，准确估算出最终的数据流带宽及兼顾试飞需求等。这多个分析环节则是整个系统构建的基础工作，同时也决定了系统的设计架构是采用以往的PCM系统还是趋于以太网等新技术。这些都需要根据任务进行科学的全盘考虑，避免盲目追求测试系统的新技术、高起点等不合理设计目标。其次在满足任务的前提下，应将系统定位在技术成熟度较高的基础之上。然后尽可能地将整个系统设计的简洁紧凑，以提高在飞行试验过程中的高度稳定性及可靠性。

参考文献：

[1]朱光明，段刚. 直升机试飞机载测试系统网络架构[J].第二十七届全国直升机年会论文，2011， 281～282.

[2]袁炳南，于艳.PCM与网络数据采集系统技术分析[J]. 2007年航空试验测试技术学术交流会论文集，2007，229～232.

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