實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)地面站的發(fā)展與趨勢

余奎

摘 要：伴隨著現(xiàn)代飛機(jī)和航空武器新技術(shù)的發(fā)展，飛行試驗(yàn)的難度和風(fēng)險(xiǎn)越來越高。實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是保障飛行試驗(yàn)安全的重要組成部分，該文根據(jù)飛行試驗(yàn)的特點(diǎn)，分析了研制實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)地面站需要關(guān)注的幾個(gè)方面，并給出了技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路。

關(guān)鍵詞：飛行試驗(yàn) 遙測地面站 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò) 飛行可視化

中圖分類號(hào)：V217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（b）-0015-03

現(xiàn)代飛機(jī)和航空武器新技術(shù)應(yīng)用多，功能齊全，綜合程度高，飛行試驗(yàn)的難度越來越大，風(fēng)險(xiǎn)越來越高。為保障試飛質(zhì)量和試飛安全，降低試飛成本，確保數(shù)據(jù)的可信度，縮短試飛周期，實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)必不可少。

通過實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠加強(qiáng)試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，可以實(shí)時(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取80%試飛報(bào)告所需數(shù)據(jù)和100%下個(gè)起落可否飛行的決策數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件是實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的靈魂，體現(xiàn)試飛實(shí)時(shí)處理技術(shù)水平高低和功能強(qiáng)弱，而實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)則是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，合理的設(shè)計(jì)不僅使實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研制起點(diǎn)高，風(fēng)險(xiǎn)小，投資少，收效快，而且還能使系統(tǒng)更加具有生命力。

實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從功能分，主要由遙測接收、前端處理、監(jiān)控3個(gè)部分組成，整個(gè)系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)成了一個(gè)開放式的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

（1）遙測接收：由自動(dòng)跟蹤天線、天線控制器、遙測接收機(jī)等設(shè)備組成，完成天線自動(dòng)跟蹤控制、遙測PCM數(shù)據(jù)和視頻圖像以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收。

（2）前端處理：由嵌入式遙測前端處理器、控制臺(tái)終端等設(shè)備組成，完成多路PCM數(shù)據(jù)的分路、采集、工程單位轉(zhuǎn)換與其他數(shù)據(jù)流參數(shù)（外部測量參數(shù)、GPS數(shù)據(jù)）的融合處理（時(shí)間協(xié)調(diào)、合并）以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控：由多臺(tái)PC機(jī)、條圖儀、大屏幕投影儀、監(jiān)控臺(tái)、視頻、音頻等設(shè)備組成，形成一個(gè)現(xiàn)代化的監(jiān)控大廳，是實(shí)時(shí)監(jiān)控和事后數(shù)據(jù)處理，試飛工程師和試飛指揮人員的重要工作場所。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

美、法等西方先進(jìn)國家的航空遙測系統(tǒng)已發(fā)展成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的綜合系統(tǒng)，單站多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤，采用嵌入式母線結(jié)構(gòu)，寬頻帶，高速率，壓縮編碼，集圖象視頻、PCM數(shù)據(jù)、聲音、控制等多媒體于一體的多流綜合技術(shù)，遙測數(shù)據(jù)流達(dá)50 Mb/s，實(shí)時(shí)處理將達(dá)6萬個(gè)參數(shù)，系統(tǒng)可24 h連續(xù)無故障運(yùn)行，小于1 h的故障修復(fù)時(shí)間，單元系統(tǒng)壽命可達(dá)15年之久，高度模塊化、集成化。

我國20世紀(jì)90年代初通過引進(jìn)國外實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)地面站，受一些因素限制，還需要在引進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用上做一些完善和改造。根據(jù)型號(hào)任務(wù)的需要，自行研制了一套具有90年代初國際先進(jìn)水平的GDAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)是功能較為完善，能力較強(qiáng)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)預(yù)處理系統(tǒng)，能滿足當(dāng)時(shí)的遙測數(shù)據(jù)處理需要，但因受當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)限制，升級(jí)、維護(hù)成本較高。

國內(nèi)近年實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)有了突破，但部分關(guān)鍵部件和技術(shù)與國外還存在一定距離。主要表現(xiàn)在可靠性、實(shí)時(shí)接收處理能力和系統(tǒng)的集成度等幾個(gè)方面。

2 實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)地面站發(fā)展及趨勢

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)越來越復(fù)雜，綜合化程度越來越高，除傳統(tǒng)的1553B、ARINC等航空電子總線外，新型、高速航空電子總線（如AFDX，F(xiàn)C.AE等）和一些高速工業(yè)總線（如CAN、1394等）在飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用，高速總線數(shù)據(jù)成為試飛機(jī)載測試的主要數(shù)據(jù)源，加之視頻圖像測量在現(xiàn)代飛機(jī)和航空武器試飛中的廣泛應(yīng)用，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)量急劇增加。同時(shí)在現(xiàn)在飛機(jī)和航空武器的飛行試驗(yàn)中，單通過PCM遙測數(shù)據(jù)已不能滿足試飛任務(wù)的要求，需要引入大量的外測（雷達(dá)測量、光學(xué)測量、GPS測量等）和多媒體（音頻、視頻）數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多，數(shù)據(jù)的采樣速率不同，如果采用以往的單以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)阻塞，影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)為使高低不同速率的數(shù)據(jù)有序傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理變得很復(fù)雜。

實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)地面站要滿足以上要求，需要對(duì)地面站的體系結(jié)構(gòu)以及各個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行重新分配，同時(shí)對(duì)前端服務(wù)器和終端工作站提出了更高的要求。

2.1 實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)地面站體系結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代飛機(jī)飛行試驗(yàn)向綜合試飛、多機(jī)協(xié)同試飛的模式發(fā)展變化，使得確保試飛安全和提高試飛效率成為實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要任務(wù)。隨著試飛任務(wù)監(jiān)控從當(dāng)前試飛動(dòng)作效果監(jiān)視向試飛動(dòng)作的過程監(jiān)控和動(dòng)作效果準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估的方向發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有很高的要求，而普通網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)根據(jù)其工作原理，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的數(shù)據(jù)會(huì)有一定的不確定性，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性有一定的影響，因此針對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)，我們必須拋開以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，采用一種高速的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)架系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)是一種高速的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，可以用于連接各種計(jì)算機(jī)組成一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。它主要由反射內(nèi)存卡通過光纖等傳輸介質(zhì)連接而成。每個(gè)反射內(nèi)存卡都有一段內(nèi)存地址。網(wǎng)上的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)向本地反射內(nèi)存卡寫數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)和相應(yīng)的內(nèi)存地址將在極短的時(shí)間內(nèi)廣播到網(wǎng)上所有的反射內(nèi)存卡并存儲(chǔ)在相同的偏移位置上，于是網(wǎng)絡(luò)上的所有計(jì)算機(jī)都可以訪問這個(gè)新數(shù)據(jù)。反射內(nèi)存使用簡單的讀寫方式，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的反射內(nèi)存卡上的數(shù)據(jù)傳輸是純硬件操作，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)延遲僅僅是節(jié)點(diǎn)數(shù)n和所用寬帶比例B%的函數(shù)，有：t=f（n，B%），因此它與以太網(wǎng)等其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比具有更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲，更快的傳輸速度，更簡單靈活的使用操作，可以滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)快速反應(yīng)周期的要求，而采用其他網(wǎng)絡(luò)就很難滿足這種要求。

實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)后，由于網(wǎng)上的所有數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)共享，因此網(wǎng)上的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)既可承擔(dān)處理計(jì)算，亦可承擔(dān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，弱化了網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的服務(wù)器和客戶機(jī)的分工，使得實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的管理變得簡單，系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)，同時(shí)飛行試驗(yàn)的專業(yè)化處理實(shí)現(xiàn)容易。

2.2 遙測數(shù)據(jù)前端數(shù)據(jù)處理

遙測前端為實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)平臺(tái)選擇，是研制遙測前端的關(guān)鍵問題之一，合理的選擇不僅使其研制起點(diǎn)高，風(fēng)險(xiǎn)小，投資少，收效快，而且使產(chǎn)品具有生命力?？梢哉f，遙測前端處理服務(wù)器的技術(shù)水平代表了實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的技術(shù)水平。

毋庸置疑，對(duì)任何一個(gè)系統(tǒng)來說，可靠性都是很重要的一個(gè)指標(biāo)，一個(gè)不可靠的或可靠性很差的系統(tǒng)很難發(fā)揮應(yīng)有的作用。為了保證系統(tǒng)的可靠性，我們主要在系統(tǒng)的配置、軟件平臺(tái)的選用以及應(yīng)用軟件的測試等方面針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性方面的考慮。

遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的核心設(shè)備——遙測前端處理服務(wù)器，經(jīng)歷了從分立式、智能式到嵌入式的快速發(fā)展歷程。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使CPU速度和總線速率已不再是新一代遙測前端處理器的瓶頸。遙測前端處理服務(wù)器的實(shí)時(shí)處理專用軟件系統(tǒng)是實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的靈魂，體現(xiàn)出試飛實(shí)時(shí)處理技術(shù)的水平高低和功能強(qiáng)弱。該軟件系統(tǒng)的研制具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，是實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。而操作系統(tǒng)的正確選取是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)本身的高可靠性，再加上前端任務(wù)的多優(yōu)先級(jí)分配機(jī)制以及意外出錯(cuò)保護(hù)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)了前端硬件的可靠、軟件的簡捷以及用戶干預(yù)較少等特點(diǎn)，保證了遙測前端處理器的可靠性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和天線技術(shù)的發(fā)展，遙測前端處理器將從接收模擬信號(hào)向接收數(shù)字信號(hào)過渡，其PCM分路任務(wù)由天線接收子系統(tǒng)來完成；同時(shí)從接收純PCM信號(hào)向接收多種信號(hào)類型（pcm、視頻、音頻、外測、總線數(shù)據(jù)、GPS）過渡；從功能大而全朝功能單一方向發(fā)展；從支持單一類型數(shù)據(jù)流向支持多類型的數(shù)據(jù)流發(fā)展，包括外部參數(shù)測試系統(tǒng)（GPS、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀等），衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)以及內(nèi)部測量參數(shù)的遙測數(shù)據(jù)流合并處理；系統(tǒng)的操作向傻瓜式操作方向發(fā)展。

2.3 飛行數(shù)據(jù)可視化

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的多媒體技術(shù)已在很多領(lǐng)域開始應(yīng)用，數(shù)字可視化是國際發(fā)展趨勢，在飛行試驗(yàn)中更應(yīng)大力發(fā)展，僅僅將遙測接收的數(shù)據(jù)以數(shù)字、圖表、曲線等形式表現(xiàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。大量復(fù)合應(yīng)用三維視景、三維航跡、二維曲線表、虛擬儀表、電子地圖、平顯、下顯圖畫、實(shí)時(shí)視頻、參數(shù)群列表等多種可視化表現(xiàn)手段，對(duì)有關(guān)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行越限語音報(bào)警，將真實(shí)地再現(xiàn)試飛現(xiàn)場，對(duì)提高試飛質(zhì)量，確保風(fēng)險(xiǎn)科目試飛安全有著重要的意義，如圖2所示。

飛行數(shù)據(jù)可視化能夠以可視化的方式直觀、形象地表現(xiàn)出飛機(jī)飛行的路線、高度以及每一時(shí)刻的姿態(tài)，可以明顯改善試飛指揮員及試飛工程師的工作效率及工作質(zhì)量，對(duì)于保證飛機(jī)的正常飛行及實(shí)現(xiàn)高效合理的指揮決策有重大的意義。飛行數(shù)據(jù)可視化使用多種網(wǎng)絡(luò)通信方式接收各種形式的飛行參數(shù)，采用三維軟件技術(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行三維、曲線軌跡、虛擬儀表設(shè)備等多種直觀形象顯示，并能通過地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)顯示出與真實(shí)地理環(huán)境相一致的電子地圖供用戶參考。

利用多媒體技術(shù)，建立一套飛機(jī)應(yīng)急操作程序，在飛機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，可以給試飛指揮員提供最大的幫助。

3 實(shí)施途徑

遙測數(shù)據(jù)地面站的設(shè)計(jì)既要考慮了新一代飛機(jī)的需要，同時(shí)也要考慮航空工業(yè)發(fā)展的需要，并按照國內(nèi)外通用的遙測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其應(yīng)是一個(gè)多功能、多數(shù)據(jù)流、多用戶的系統(tǒng)，可為綜合試飛提供有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理手段，可大大減少試飛架次，縮短試飛周期，確保飛行安全，除用于新一代飛機(jī)和其他飛機(jī)的飛行試驗(yàn)外，還可推廣到其他領(lǐng)域使用。

在信息化試驗(yàn)環(huán)境條件下，現(xiàn)代飛機(jī)多目標(biāo)（空、地）、多協(xié)同試飛需求的牽引、飛行試驗(yàn)?zāi)Ｊ降淖兏镆约霸娇煸蕉嗟臒o人機(jī)試飛需求表明，遙測將向網(wǎng)絡(luò)化、空地一體化的方向發(fā)展已是大勢所趨。

技術(shù)的迅速變化和裝備采辦程序的變革，導(dǎo)致試驗(yàn)用戶更加重視依靠商用成熟技術(shù)（COTS）、商用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、成本較低的硬件和軟件，基于商用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的遙測標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展方向。采用OEM、COTS（商用技術(shù)）進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開發(fā)和集成的技術(shù)途徑，有利于提高系統(tǒng)的研制水平，有利于形成我們的高新技術(shù)拳頭產(chǎn)品，有利于保持我們?cè)趪鴥?nèi)同類產(chǎn)品研制中的領(lǐng)先地位，有利于人才的培養(yǎng)、技術(shù)水平的提高和隊(duì)伍的穩(wěn)定。

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