大型民机试飞测试发展与挑战

黄 涛，王 伟

(中国商飞民用飞机试飞中心，上海 200232)



大型民机试飞测试发展与挑战

黄 涛，王 伟

(中国商飞民用飞机试飞中心，上海 200232)

飞行试验是对飞机的性能进行验证和确认的关键阶段，试飞测试是保障该阶段工作的重要内容；国内目前对于军机已拥有了成熟的测试技术、测试方法和可靠的测试设备，而对于民用飞机特别是大型民机的试飞测试目前还处在起步阶段；随着国家大飞机研制专项的不断推近，大型客机试飞测试需求逐步明确；从大型民机试飞测试需求和测试工作特点出发，对机载测试技术变革、遥测和数据处理技术等键技术在国外的最新发展和国内大型飞机的现状进行对比分析，可以看出我国民机试飞测试在网络化机载测试系统应用、遥测传输链路带宽、大数据快速处理等方面存在较大的挑战；在此基础上对应对挑战的发展策略和后续攻关的方向进行研究，可以为我国大型飞机特别是民机试飞测试技术的发展提供参考。

大型民机；机载测试；试飞遥测

0 引言

飞行试验是在真实飞行环境下进行的各种试验。国内目前对于军机已拥有了成熟的测试技术、测试方法和可靠的测试设备，并已实现了与国际先进水平接轨。而对于民用飞机特别是大型民机的试飞测试方案和设备，目前还处在起步阶段。随着国家大飞机研制专项的不断推近，大型客机试飞测试需求逐步明确，

文章从大型民机测试需求出发，介绍了国外民机试飞测试技术发展趋势，分析了国内民机试飞测试能力现状和差距，提出了大型民机试飞测试面临的挑战和后续攻关的方向。

1 大型民机试飞测试需求

1.1 民机飞行试验目的

1)通过研发试飞，确定飞机设计参数，发现并解决设计、制造方面的问题和缺陷，确定飞机最终构型，确认飞机产品达到预期的设计要求;

2)通过表明符合性试飞，确认和表明飞机及其系统或部件功能正常，工作可靠，且在设计的包线范围内具备预期的安全性和适航性;

3)通过合格审定试飞，证实飞机设计满足型号合格审定基础所规定的适航标准、专用条件和等效要求;

4)通过运行及维护的评估试飞，证实飞机设计和制造符合运行适航规章要求及首批客户运行需求。

1.2 试飞测试作用

飞行试验不仅是用试飞飞机在实际飞行环境中完成特定的试飞科目，更重要的是通过这个过程，获取相应的数据和信息，从而客观的去描述飞机及各机载系统在飞行环境下的真实性能，要获得这些数据和信息，必须依赖试飞测试。试飞测试作用就体现在以下几方面。

1)获取各类原始试飞数据并进行分析处理，为设计改进、表明符合性和合格审定提供真实试飞数据；

2)对飞机状态进行实时监控，是保障试飞安全的重要手段；

3)提高试飞质量、加快试飞进度的有效措施。

1.3 大型民机试飞测试特点

大型民机飞机系统复杂、性能先进，严格按照CAAC/FAA/EASA的适航审定要求进行试飞，试验科目多，与军机和小型民机的飞机试验测试有很大区别。大型民机试飞测试特点包括：

1)测量参数种类多，测量参数大，单架飞机的测量参数将达到上万个；

2)飞机上测量设备的布置、安装、接线的空间分布广，布置环境复杂；

3)每架次飞行时间长，测试数据量大，数据处理工作量大，试飞工程师需要在飞机上进行实时监控、实时进行飞机参数分析和性能评估；

4)试飞周期短，成本控制严格，系统可靠性要求高；

5)多架机异地同时试飞。

2 国外大型民机试飞测试技术发展

2.1 机载测试系统变革

2.1.1 基于以太网的机载测试系统

现代民机试飞测试参数量越来越多，传统的IRIG106第四章PCM方式已经无法很好满足现代民机试飞测试的要求。欧洲和美国在A380和B787飞机的试飞过程中相继采用了基于以太网的机载测试系统，引发了机载测试系统的变革。

1)系统架构：

目前国内绝大多数的飞机试飞测试系统都是采用IRIG106 PCM(脉冲编码调制)架构，该架构在军机(中小型飞机)的飞行试验中一直得到了成功的应用。而欧洲和美国早在A380和B787飞机的试飞过程中相继采用了基于以太网的机载测试系统架构。

表1 PCM和以太网架构对比分析

2)网络数据传输协议：

网络化试飞测试系统网络数据传输协议主要基于成熟的TCP/IP协议，对其进行了一系列的约束和优化。目前并没有统一的标准，经过实际使用验证过的主要有：欧洲空客公司在A380飞机试飞中开发并使用的IENA网络数据协议；波音公司B787飞机试飞中得到应用的美国TTC公司的NPD网络数据协议。

3)时钟同步：

传统PCM测试设备采用级联的方式，由主控采集机箱利用IRIG-B码或1PPS信号来进行时钟同步。网络化测试系统采用IEEE-1588-PTP为测试网络的时间同步协议，由主控交换机进行全网时间同步，保证组网设备间时钟频率同步；同时主控交换机由GPS授时，PTP协议将此GPS时间授予其他组网设备，保证各设备时间的精度。

4)设备管理：

鉴于传统PCM设备架构的局限性，原有的测试系统并没有实时系统管理的功能。网络化试飞测试系统可通过对网络管理协议的支持使用，方便快捷的进行设备状态监控及设备实时在线管理。该功能主要通过SNMP协议实现。

2.1.2 通用化分布式机载采集系统

目前国外大型民机新机型试飞测试都采用了网络化机载测试系统，在此基础上不断改进，通用化分布式机载采集系统成为新的发展方向。通用化分布式机载采集系统旨在减少测试系统研发和安装的时间与成本，建立一个使用量小，安装速度快，可以在其他飞机上重复采用的通用机载采集系统。A320-NEO是第一个采用通用化分布式机载采集系统试飞的机型，大大减少了采集器数量和系统安装时间。

表2 IENA和NPD对比分析

1)数据采集单元向通用型发展：

大量使用通用的机载采集单元，大大增强测试系统的通用性，同时可以远灵活的进行远程更改配置、升级。a.通用模拟量采集：应变计、RTD、电压、热电偶(除了电荷加速度传感器外)采集使用相同的板卡；b.数字总线采集：所有总线监测采用相同的硬件ARINC429、AFDX采用单一连接器和单一管脚定义1553、串行总线、CAN总线采用相同的硬件。

2)采用分布式架构：

机载采集系统采用分布式架构，分为3个区域：机舱内核心采集区域、具有宽带处理能力的远端模拟量采集区域、航电系统远端采集区域。

(1)将采集器尽量靠近传感器，可以减少噪声，改善抗干扰性能；

(2)充分利用采集器的网络优势，减少开孔和布线，满足吊挂和发动机等特殊区域的采集需求；

(3)采集器内置网络交换功能，减少交换机数量；

(4)采用标准网络协议，保证与其他常规的网络系统兼容，采用PTP协议和SNMP协议，将时间同步和系统监视功能与数据传输合并到同一物理链路上。

2.2 遥测技术发展

2.2.1 遥测体制

国外遥测调制方式已经不局限于传统的FM调制方式，向多元化发展：空客使用COFDM调制方式已有约15年-20年；以前美国采用FM调制方式，目前使用的调制方式有FM、SOQPSK等。各遥测调制方式特点如表3所示。

2.2.2 遥测组网

2011年，空客公司的遥测地面站数量达到9个，空客公司在A400M项目试飞过程中，采用了5个遥测监控点，其中2个位空客公司试飞中心的遥测监控点，其他3个为遥远的异地遥测监控点。在空客试飞中心自有的9个地面站中，所有的人工操作均在位于Toulouse地区遥测监控中心完成，所有遥测地面站均为无人值守模式(真正意义的没有人操作)。由在Toulouse遥测监控中心的工程师发出控制信息，控制各个遥测地面站的运转与操作。无人值守遥测站将接收到的遥测信号解调、解码，以网络数据包的格式将数据传出。无人值守遥测站与中心站间的数据和控制信息通过地面网络传输，采用UDP/IP数据传输协议。

表3 遥测调制方式对比

2.2.3 网络化遥测技术

遥测系统的网络化、集成化、空地一体化成为发展新趋势。2004年10 月美国试验中心和项目评估投资机构(CTE IP)启动了iNET(增强遥测综合网)。2009年底iNET标准(航空试用版)的发布, 遥测网络系统TmNS的技术框架基本确定。TmNS在传统串行PCM遥测链路的基础上，另外增加了一条远程、宽带RF双向数据链路，实现全部试验数据的实时、准实时处理，使系统具有真正意义上的“遥测监控”功能和远程、宽带组网能力。

iNET项目计划吸收了广大用户和设备供应商的参与，得到了广泛的支持，然目前iNET标准尚未正式发布，但各试飞测试设备主流厂家目前都推出了相关产品(如iNET-X，iNET-READY等)。

2.3 数据处理技术

2.3.1 机载实时处理监控

机上实时监控系统实时性、可配置型性不断增强。系统实时处理过程更快，实时性强，显示、分析方面系统具备很高的可配置性。监控画面可视性强，一般1个为飞行参数显示画面，还有几个显示与飞行任务相关的数据。显示的数据量较地面少，但是灵活性高，可根据测试点不同灵活变换监控的数据。

2.3.2 地面实时处理监控

地面实时监控系统计算机处理能力不断增强，能够监控更多的参数，也更加精确。5～6名数据处理专家进行地面监控，即可完成更深入、精确的数据处理和分析。实时监控软件可自定义显示画面和处理方法，且监控数据可与飞行模拟数据进行对比分析。

2.3.3 试飞数据预处理/事后处理

空客波音均建立了试飞数据处理协同化平台，将试飞数据处理及分析模块集成在平台上，实现了数据处理、分析、管理、分发的一体化。空客公司在A380飞机试飞过程中，实现了全部试飞数据预处理实时化，即将整套数据预处理系统迁移至A380飞机机舱中，实现全部测试参数的实时解析，大大提高了试飞数据处理效率。

3 我国大型民机试飞测试技术现状

我国民机按照适航条例要求进行试飞测试虽然有一定的经验，但基本上沿用军机和小型飞机的测试方法和测试设备，对于大型民机的试飞测试仍然处于研究摸索阶段。

1)网络化机载测试系统方案日益成熟，通过原理性验证。

在ARJ21支线飞机试飞机载测试系统中首次尝试性的使用了网络数据传输，但其主体结构仍是PCM架构。在此基础上充分借鉴国外的成熟经验，已经形成了完整的网络化机载测试系统架构方案，并开展了大量的地面验证和联试试验；

2)遥测体制以FM调制为主，已经尝试使用SOQPSK方式。

在ARJ21项目中一直沿用传统的模拟FM调制方式。试飞院在各类型号的试飞遥测中，主要采用传统的模拟FM调制方式，同时也针SOQPSK调制方式进行过相应的接收试验；已经开始使用FM兼容SOQPSK的相关设备。

3)试飞遥测地面站单站工作为主，开始着手遥测站组网。

目前，国内航空的遥测地面站仍为单站工作模式，覆盖空域范围为300公里以内。ARJ21飞机试飞中首次尝试使用3个站点组网工作。相当于空客遥测地面站发展历程4个阶段的第一阶段。空客遥测地面站已发展到全部站点联网，所有外围站点无人值守，在遥测控制中心对所有站点进行集中控制。

移动遥测站目前仍未现场操作模式，遥测监控人员随车到现场完成遥测监控工作。固定遥测地面站已于去年完成改造，现为在控制室集中控制，无人在远端遥测站处操作。尚未将所有遥测地面站(固定+移动)统一控制。

4)尝试部分关键参数机上快速处理。

研制机载关键参数快速处理设备，满足无人值守的情况下将事后数据分析所需的参数进行实时数据处理的需求。采用高性能嵌入式设备实时数据处理技术，实现了1500个参数实时工程量转换与存储。

5)着手建设分布式的试飞数据处理系统。

建设试飞数据处理系统，实现试飞数据解析、分析、使用的平台化管理。系统基于X86硬件系统架构和Hadoop分布式计算平台及数据库的软件系统架构。利用多服务器并行计算技术对试飞原始数据进行预处理，满足40G原始数据在一小时内完成预处理并发布至平台的处理时间要求。基于网络的数据分发机制，对试飞数据进行统一的管理，分类、归档、备份与分发。

4 大型民机试飞测试面临的挑战和对策

我国大型民机试飞测试技术应用才刚刚起步，虽然开展了大量的研究工作，但仍然面临着很多问题。

1)网络化机载测试系统应用经验缺乏，数据协议和测试设备完全受制于国外。

国内试飞测试领域的设备主要依靠国外几家设备供应商，包括TTC、L-3、AMPEX、ZDS、ACRA等。出了网络化测试设备，但现有设备均为在原有老设备基础上，通过增加网络模块、网络协议处理模块以及其他接口的方式实现，核心原理仍然延续了传统设备的工作方式。除此之外，各个厂家的设备大都使用自定义协议，自成一体，不同厂家的设备兼容性较差。

开展试飞测试网络协议的研究、研制开发基于数字化网络架构试飞测试系统原理样机，验证基于数字化网络架构试飞测试技术在大型客机试飞测试领域的应用潜力；提高网络化测试系统的集成设计与验证的能力，减少对国外供应商的技术依赖；加深对测试网络协议和标准的理解，形成网络化试飞测试系统标准制订的能力。

2)遥测传输链路带宽受限，网络化遥测技术研究滞后。

目前机载测试系统网络带宽已经达到1 000 Mbps，而基于PCM的现有遥测传输链路最大带宽为20 Mbps，SOQPSK理论带宽最大也只有40 Mbps，严重制约了遥测数据传输。网络化遥测技术与机载网络化测试技术直接接轨，在遥测传输方面实现网络数据包的直接传输，可以从根本上解决技术瓶颈。国外相关厂商已经研制出网络化遥测产品，并通过了实验室验证，正在进行飞行试验验证。

目前国内对于网络化遥测技术的研究仅局限于TmNS的增强的下行遥测传输功能，对于更为关键的新增的上行遥控功能和多试验对象之间的通信和组网功能尚未实现。后续要重点突破基于网络数据传输协议的遥测传输、空地-地空双向遥测遥控应用技术、多机测试网络系统等关键技术，并开展实验室试验和试飞验证试验。

3)大数据快速处理需求迫切，尚未形成成熟有效的解决方案。

大型民机飞行试验机载测试系统采用高速网络架构，高速网络产生快数据，快数据对应着大数据，现阶段估算每小时飞行试验产生的数字信号数据量峰值为40 GB，音视频数据量峰值为500 GB，参数量峰值为20 000个，目前以参数所属专业及数据类型分别进行数据处理，数据处理时间长，数据流转效率低、数据使用不灵活。

对于高带宽并发式FPGA技术进行研究，努力实现飞行试验测试数据100%实时解析；进一步深入研究Hadoop通用并行计算框架以及Spark内存计算框架的稳定性和在试飞测试领域的应用，努力构建飞行试验数据中心和数据共享云平台，在飞行试验结束1小时完成数据预处理工作，发布试飞测试工程量数据。

5 结束语

我国的民用飞机网络化试飞测试系统研究应用刚刚起步，在大型客机试飞测试工作中需要不断吸收、借鉴国外的先进技术和成功经验，从自身工程应用中的实际需求出发，结合国内各界的成熟技术力量，自主创新，共同推进我国民机试飞测试技术发展，努力缩短和国外先进水平的差距。

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Development and Challenge of FTI for Large Civil Aircraft

Huang Tao, Wang Wei

(Flight Test Center of COMAC, Shanghai 200232, China)

Flight test is the key stage to verify and confirm the performance of the aircraft. The Flight Test Instrumentation is an important part of this stage. At present, there were mature test methods and test equipment for military aircraft, but the flight test instrumentation for civil aircraft especially for large civil aircraft is still in its initial stage. With the development of national large aircraft, the flight test demand was clear. Based on the analysis of characteristics of the flight test instrumentation, also the analysis of the development of foreign test technology and the present situation of domestic technology, this paper presents an overview of the current challenges in the development of technology and the source of the problem. It also puts forward the development strategy to deal with the challenge.And follow-up the research direction.

large civil aircraft; airborne instrumentation; flight test telemetry

2016-06-30；

2016-07-07。

黄 涛(1980-)，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事飞行试验测试技术的研究方向。

王 伟(1961-)，男，硕士研究生，研究员，中国商飞试飞中心总工程师，主要从事商用飞机飞行试验技术的研究方向。

1671-4598(2016)09-0005-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.002

TP393

A