摘要：随着航空技术的发展，现代飞机结构和航电设备也越来越复杂，对飞行试验测试任务提出了较高的要求，本文针对当前飞行试验测试参数数量增长需求，研究基于网络的机载测试系统架构技术。
关键词:飞行试验;网络架构;机载测试;IENA
1 引言
以往的基于PCM架构的数据采集系统可实现高精度的统一授时，具有技术成熟、可靠性高等特点，但随着航空技术的发展飞行试验需要测试的参数也越来越多，当数据量达到几千个时，传统的PCM架构采集系统的带宽已无法满足测试要求，配置和维护也相当繁琐，测试成本提高，数据融合、遥测、实时监控实现起来相当困难。
为解决上诉情况，现在比较成熟的技术就是利用以太网技术部分或完全替代PCM技术，采用网络架构实现数据采集、传输、记录、遥测和实现显示。同时现代飞机航空电子系统的网络化是必然趋势，机载网络数据采集将成为机载测试数据的重要来源，因此，当前飞行试验数据采集与处理，将以PCM数据为主的模式逐步向网络数据采集与处理模式转变，基于网络架构的数据采集技术有着广阔的应用前景，本文将针对基于IENA网络化测试系统架构进行研究。
2 IENA网络化测试系统架构
大型飞行试验对数据采集、存储和处理方面的要求大幅度提高，为满足测试要求决定跳出以前的PCM框架，采用最新技术搭建一个开放、稳定、高效且具备很好可扩展性的测试系统。在进行飞行试验时，采用以太网连接分布在飞机各个位置上的小型化数据采集器，构成网络化的机载数据采集系统,系统采用全新的IENA架构，IENA 架构（Flight Test Installation for New Aircraft 新飞机测试改装）建立在四个层面上：L1（第一层）、L2（第二层）、L3（第三层）以及L4（第四层）。机载网络化 IENA 架构框图如图 1 所示。
1） L1（第一层）：传感器层
L1层将物理量（压力、温度、力…）转换为可测量的电学信号(电压或电流)。某些L1设备还含有部分L2功能：滤波、模数转换等功能。
2） L2 （第二层）：采集层
L2层的系统主要与模拟量、数字量和开关量打交道。它们负责完成模拟量、数字量采集，时间标记，数据整合（形成IENA数据包）,数据挑选及发送数据包。
3） L3 （第三层）：数据提炼层
L3 是 IENA所特有的层，它接收所有L2发来的数据流，提炼后再发送给L4。L3不更改数据，它所做的仅仅是与其他设备通讯，复制并发送接收到的数据帧，该功能由标准机载以太网交换机完成。
4）L4 （第四层）：记录和分析层
L4 的系统是飞行测试数据的最终使用者，它包括：大容量数据记录系统（用于地面事后分析）、机载分析计算机（完成实时数据的预处理和显示）、遥测系统。
图 1 机载网络化 IENA 架构框图
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3 IENA网络化测试系统工作原理
IENA网络采用标准机载网络交换机实现100M以太网全双工架构。该网络支持两种不同的工作模式，以适应不同的数据流动需求，具体如下：
1） 采集模式
采集模式为系统的缺省模式，每个系统上电后能自动处理采集到的数据。该模式下数据的主要流程是：L2采集各种试验数据，形成IENA数据包，通过L3最终传输给L4。数据传输通过多点传送方式完成（L2和L4采用UDP-IP协议，而L3采用MAC协议）。多点传送使得L2上的一个设备能将数据发送给L4上的多个设备。点对点的数据交换方式也通过多点传送来完成。
IP 多播地址图（IP MULTICAST addressing map）定义了“多播目标地址组”，它们与L4上的接收端一一对应。这些多播IP地址来自一个私有的D级子网，最后一个字节是多播目标地址的组号。多播目标地址是唯一且不可改变的，所有飞机均采用相同的地址。接收设备与网络交换机的输出接口物理连接完毕后，即可得到L3的通讯列表。表中包含多播 MAC地址； IP 到 MAC 地址映射符合多址传输标准。
2）下载模式
飞机在地面检查或调试过程中，需要将某个系统（L2/L3/L4）切换至下载模式。因所有系统独立工作，采集和下载模式可以在机载系统中同时并存。该模式的主要数据流程是将配置文件从便携式编程/检查装置中下载到L2/L3/L4设备。可自由选择以太网通讯协议，测试系统支持FTP、 TCP-IP协议。若功能足够强大，便携式编程装置也可同时向多个设备加载配置文件。此时数据交换不采用多播方式，而是IP层上的点对点模式（UNICAST）。这些IP地址来自一个B级子网，最后两个字节表示飞行类型、机号、系统类型和位置。
Unicast 地址图对于一个给定的飞机而言是固定不变的，下载模式中，L2/L3/L4 系统需支持ARP，以便解决IP到MAC层面过程中的设备识别问题。L3 交换机具有自学习功能，能分析流经它的数据包，建立自己的Unicast MAC 表。
4数据包结构定义
测试数据被L2（采集层）打包成IENA结构进行传输，因此，INEA数据结构对正确解析数据至关重要。从图2可以看出IENA数据包包括键值2个字节，大小2个字节，时间6个字节，状态键值和N2状态各1个字节。时间是以微秒为准的当前年份日期时间。
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图 2 IENA 数据结构
IENA数据包首先由数据采集单元采集到物理参数；确定IENA参数类型，分配Param_ID，把物理参数转化为IENA 参数；IENA 参数生成中，一个 IENA 键值只能包含一种类型的参数，每个IENA键值可含同一类型的多个参数，但每个IENA参数只能插入一个键值。IENA参数插入IENA键值，包装成 UDP 数据包，发送到测试处理系统。
5 IENA网络化测试系统的特点及优势
从PCM转变为网络架构后，首当其冲的变化是系统的物理通讯能力有了很大提高（带宽从原来的PCM码流10 Mbit/s 提升到100 Mbit/s），除此之外还带来了很多好处：
1）静态多址传送，静态多址传送技术有利于减少IGMP的传输错误，减少对网络带宽的占用，减少网络延迟；
2）网络冗余，L2和L4设备上以太网口均为双备份，L3层的设备更是安装了两套，作为备份用的L3设备与第一台设备的设置完全一样，支持相同的通讯列表，两个网络中的数据流完全一致；
3）架构更加灵活：L2 和 L4 的设备可以随意添加或是拆除，无需更改L3交换机的设置，也无需调整连接线缆；
4）数据共享，数据能在L2、L3、L4层设备上相互共享。传统架构中，各采集、记录系统之间相互独立，无法共享数据；
5）通过一个端口对L2/L3/L4的各个设备进行编程加载，极大缩短了飞行试验准备时间；
6）选用标准商业货架产品，减小飞行试验的成本，采用网络及通讯领域的成熟技术，降低了维护成本。
6结束语
随着试飞测试数据种类和数量急剧增大，以及机载网络化架构的普及，传统的PCM架构已不满足试飞测试的需求，因此需要研究适合自己的网络化测试系统架构，满足试飞测试要求。目前网络化测试系统已经广泛应用，关键是我们根据具体应用，建立好自己的网络化测试架构，形成自主集成知识产权技术，这是我们开发新一代试飞测试系统的必经之路。
参考文献:
［1］蓝娟.基于网络化的飞行试验机载测试系统研究[J].机械设计与制造工程,2017(12).
［2］李筱雅,魏建新,叶冰.飞行试验机载测试信息管理软件设计与实现[J].计算机测量与控制(9):362-364.
［3］霍朝晖,魏建新,覃燕,etal.飞行试验机载网络数据采集与分析技术[J].现代电子技术,2011,34(11):144-147.