刘静茹
哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150066
摘要：为验证网络化机载测试系统的基本性能，设计并集成网络化机载数据测试系统，研究测试系统的配置和调试方法，提出网络化机载测试系统的时间精度、同步时间、丢包率、遥测传输等测试原理及方法。通过这些方法可以检查所建立的机载测试系统基本性能，掌握整个测试系统的工作状态，便于后期对测试系统进行更改、扩容等，并为大型客机机载测试系统的建立提供依据和参考。
关键词：机载测试系统；时间精度；同步时间；丢包率
引言:随着科技的进步，现代化飞机在试飞过程中需要测试的参数越来越多，且数据类型更加复杂，欧洲空客飞机试飞测试的参数达到40000个左右[1]，传统的基于PCM架构机载测试系统已不能满足试飞测试需求，需要采用基于iNET技術框架的网络化机载数据测试系统[2]。分析国际上最先进的民用飞机，无论是空客还是波音均研究并采用了网络化测试架构，建立的机载测试系统满足飞行试验过程中数据的采集、记录、遥测等需求，因此机载测试系统向网络化发展是大势所趋[3]。参考新支线ARJ21飞机建立的PCM和以太网相相结合的技术模式[4]，本文建立一套数据采集、数据交换、数据记录完全网络化的测试系统，研究机载测试系统集成、调试的方法，对建立的网络化机载测试系统的时间精度、同步时间、丢包率、数据遥测等进行测试，并进行了网络数据记录、网络数据分析、PCM数据分析等测试，为飞机机载测试系统的设计和建立提供依据和参考。
1 测试系统结构和测试原理
大型客机机载测试系统采用了基于FPGA设计的采集器、基于CPU设计的交换机、网络化记录器、遥测设备、GPS设备等。其中基于FPGA设计的采集器上电后很快就投入工作，非常适合机载环境，但测试系统的配置和采集器编程对测试工程师的能力要求高；基于CPU设计的交换机具有操作系统，测试设备的功能强大，软件编译灵活，但设备掉电后重新启动的时间长。
本次试验建立的网络化机载测试系统核心是网络数据采集器和交换机[5]，系统集成了2台机载网络交换机和5台数据采集器，其中2台交换机分为1台千兆主控交换机和1台百兆子交换机；5台采集器中的4台连接在子交换机上。采集器内部包含有一个PCM侦听模块，可以侦听整个测试系统内部的数据，并编码生成PCM数据流，所以该采集器不仅具有数据采集的功能，也具有PCM网关的功能。采集器可以通过交换机挑出其余4台采集器中的数据，并将这5台采集器中的数据融合成一条PCM输出。
1.2 系统测试原理
为了得到具有说服力的数据，测试系统的输入选择同一个标准信号，分别由采集器采集，最后由示波器、记录器等设备进行数据的捕获、记录，事后也可以对记录的数据进行处理、分析。路径A在整个机载测试系统中数据传输距离最远，路径B距离最近，因此具有一定的代表性，通过对比路径A和路径B传输的同一个信号，最终确定整个机载测试系统的时间精度、同步时间、丢包率等性能指标。
2 测试系统的集成
本次试验建立的机载测试系统，主要包含KAM4000网络采集器、NSW网络交换机和miniR700数据记录器，均是当前国际先进的机载测试设备，各设备具有专用的编程环境。采集器配置了模拟量、数字量等测试模块，交换机配置了路由关系，记录器配置了网络数据采集模块。
2.1 测试参数编程
按照测量原理的不同，每个采集器都配置了对应的测试模块，每个测试模块可以测量大量的参数。对每个采集器中的测试参数进行采集编程，并按照采样率对所有参数进行分类，编辑多个网络数据包，主要编包规则包括：发往不同目的地的数据一般封装在不同网络包内；高速采样和关键的有效参数应封装在能定时传送的网络包内；缓变和非关键的有效参数可以封装在一个数据包内，按采样周期正常发送[6]。
2.2 采集器和交换机配置
机载数据测试系统是一个测试网络，需要对每个网络节点进行配置。采集器的配置内容主要包括网络输出模块的IP、网络数据包IP、数据包Key等。交换机的配置主要是路由关系，对交换机每个端口进行相关设置。
2.3 测试系统调试
机载测试系统中的采集器和交换机设备完成各自的程序编辑，并配置好整个测试网络的路由逻辑后，对整个测试系统进行测试程序的加载，确保整个测试系统数据传输畅通。利用软件测量测试系统中各节点数据流量，并对数据量大的节点进行调整，确保整个测试系统的数据传输均衡，整个测试网络工作稳定。使用软件对每台采集器、PCM gateway和记录器端口的位速率进行测试。
3 测试系统的测试
网络化机载测试系统性能指标要求较多，最重要的测试内容主要包括时间精度测试、同步时间测试、丢包测试、数据遥测、数据记录、数据处理等。测试仪器包括高精度示波器、网络数据记录器、GPS天线、功率计、秒表等，还包括丢包分析软件、PCM分析软件、数据处理软件等专用软件。
3.1 时间精度测试
时间精度是指测试系统中任意设备与基准时间的差值。依据IEEE1588协议，测试系统由主控交换机授时和修正，一般认为主控交换机的时间为基准时间。试验时采用高精度示波器测量系统内任意两台设备的秒脉冲（1PPS），即可得到这两台设备的时间差值。采集器的数据传输路径最长，在不考虑时间信号幅值的情况下，对比采集器的秒脉冲，监控两台设备的时间差值在一定的范围内变化。通过测试，本次试验建立的测试系统时间精度在80～200 ns之间。
3.2 同步时间测试
同步时间是指整个测试系统从上电开始，直到测试系统工作稳定所用的时间。机载测试系统上电后，系统内部会根据主控交换机的时间指令，对每个采集器的时间进行授时并修正，实现整个系统的时间同步，在此过程中，以主交换机的时间为基准，其他测试设备的时间是一个相对收敛并稳定的过程。使用示波器捕捉任意两台采集器或一台采集器和交换机输出的1PPS的波形，使用秒表，测试两个波形相对稳定所用的时间。由于本次试验建立的测试系统中主控交换机具有CPU和操作系统，因此系统的同步时间较长，约为180 s±20 s。
3.3 丢包测试
采集器生成的网络数据包，其内部包含该包的各种信息，例如数据包IP、数据包Key字等，其中有一项为该包发送次数相关信息，每发送一次数据包计数器累加一次，通过专用丢包分析软件对每条网络数据包进行分析，提取该数据包内部的计数信息，检查其是否连续，即可知道是否丢失数据包。运用网络记录器多次记录数据，通过丢包分析软件检查所记录的数据是否有丢包现象，未发现丢包现象显示为PASS，丢包是显示为FAIL。
结束语
本文设计并建立了满足需求的测试系统，集成多台数据采集器和交换机，提出网络化机载测试系统的测试方法，对测试系统的性能指标进行了测试。采用本文的方法可以测量到整个系统的时间精度、同步时间、丢包率、数据遥测、数据记录、数据处理等，掌握整個测试系统的基本能力，便于后期对测试系统进行更改、扩容等。同时，通过研究网络化机载测试系统的集成和测试，也可为大型客机机载测试系统的设计提供技术参考和经验借鉴。
参考文献
[1] 田方正，杜明. 国外大型飞机机载测试系统架构设计技术综述[J]. 测控技术，2008，27（13）：131-134.
[2] A380飞行试验架构：网络化的IENA——从脉冲编码调制（PCM）到以太网[C]∥2003年欧洲遥测会议论文集，2003.
[3] 白效贤. 基于网络化的试飞机载测试系统及其应用 [J]. 测控技术，2004，23（2）：4-5.
[4] 戴卫兵，王文丽. 网络技术在ARJ21试飞测试中的应用[J].测控技术，2012，31（12）：42-43.
[5] 田方正，王锦. 机载网络化测试系统框架设计技术研究[J].测控技术，2013，32（4）：9-11.
[6] 杨廷梧，田宝泉. 飞行试验新型遥测机载网络采集与记录系统架构[J]. 测控技术，2013，32（5）：59-63.