基于行为逻辑的平流层飞艇试验自动测试方法

张永栋，翟嘉琪，孟小君，王紫薇，张宇，王建勋

西北核技术研究所，西安 710024

平流层飞艇[1-3]能够长期定点悬停工作，并可跨区域大范围机动,具有重要的军事价值。近年来，在区域高分辨率实时侦察与监视、预警、通信中继[4]、国土安全监视与防御、反恐等需求的驱动下，美国、欧洲、日本、韩国等都在投入大量经费研制平流层飞艇，关键技术已取得较大突破[5]。国内相关科研机构与研究单位也开展了平流层飞艇的研制工作。

从结构上讲，平流层飞艇系统可分为结构囊体、吊舱、以及布设于囊体之上的传感器单元、风机、电机、气阀等执行机构单元。按系统功能构成划分，平流层飞艇系统主要包括结构分系统、能源分系统、测控分系统、安控分系统、飞控分系统等。能源、测控、安控、飞控的关键设备集成于飞艇吊舱[6-9]。

平流层飞艇研制结束后需开展飞行试验以验证飞艇关键技术、评估飞艇能源、测控、飞控等关键分系统设备工作状态。因平流层飞艇系统较为复杂，试验风险因素较多，为保证飞行试验安全，确保飞艇飞行可控，试验前需在地面开展飞艇关键分系统功能考核测试和全系统拷机测试以保证飞艇系统的工作可靠性。

平流层飞艇试验前进行地面测试[10-13]不同于研制单位在研制过程中开展的测试，其特点有二：① 地面测试在飞艇关键设备集成完毕之后进行，预留的测试接口较少，通常为非接触式接口(遥测接口或微波/射频接口等)，直接施加测试激励或直接采集测试数据较为困难；② 地面测试需适应多种类型飞艇的测试要求，因不同研制单位所采用的飞艇技术路线不同，其系统所实现的功能有一定的差异。当前的测试主要采用人工值守与判读模式，通过飞艇系统地面测控站发送控制指令控制执行机构(主要为气阀等氦气释放装置、爆破索等囊体切割装置、电机和螺旋浆等动力推进装置)动作，由人工判读飞艇系统状态和执行机构作动情况来给出测试结果。该测试模式存在自动程度低、测试效率不高、且易出现人为差错的缺点。另外，地面测试需从时间上模拟飞艇飞行试验全过程。较之于其他飞行器，平流层飞艇飞行试验时间较长[14-16](当前为数十小时，未来数百小时)。因此，适应平流层飞艇地面测试特点，实现无人值守的地面测试自动执行，提高测试执行效率，降低地面测试人为因素的影响，成为地面测试的迫切需求。本文在研究飞艇系统控制逻辑的基础上，总结给出了测试行为逻辑，并基于测试行为逻辑建立了平流层飞艇试验场测试模式和测试流程[17]，研究了试验测试系统建设方法，并利用该方法建设了一套试验测试系统，在实际地面测试中得到了应用。

1 平流层飞艇控制逻辑分析

当前平流层飞艇的控制采用地面主控计算机人工控制与飞艇艇载计算机自主控制相结合的模式，特别是氦气释放装置、囊体切割装置、动力推进装置等执行机构的控制主要通过地面主控计算机来完成。通过对平流层飞艇系统构成与功能分析，平流层飞艇控制行为逻辑如图1所示。温度传感器、压力传感器、惯导单元等数据采集单元将采集的飞艇状态数据传输给飞控计算机/安控计算机；飞控计算机将飞艇状态数据通过艇载测控设备以遥测数据的形式下传给地面测控站；飞艇系统地面主控计算机解析地面测控站接收的遥测数据，由遥测数据判断飞艇系统状态，并根据飞艇系统状态发送控制指令；飞艇系统地面测控站以遥控指令形式将控制指令上传给艇载测控设备；飞控计算机/安控计算机解析遥控指令，控制飞艇相关执行机构和设备作动；执行机构和设备作动后，飞艇状态改变。

由平流层飞艇系统控制行为逻辑可得其主体行为逻辑，如图2所示，飞艇系统地面主控计算机解析测控分系统的遥测数据，判断飞艇系统状态，并根据飞艇系统状态发送遥控指令给飞控计算机/安控计算机以控制执行机构和设备作动。

2 平流层飞艇测试行为逻辑

由平流层飞艇系统主体行为逻辑设计平流层飞艇系统测试行为逻辑。由平流层飞艇系统主体行为逻辑可知地面主控计算机为其控制主体。因此，平流层飞艇系统测试行为逻辑为：通过发送测试指令,控制地面主控计算机和接收地面主控计算机转发的状态数据,实现对飞艇系统的功能测试。平流层飞艇系统测试行为逻辑如图3所示。测试指令根据飞艇系统测试行为形成。

根据飞艇控制行为形成平流层飞艇测试行为。平流层飞艇测试行为主要包括以下几类：飞艇试验阶段选择，人为设定不同试验阶段以执行不同的控制策略；飞艇测控链路选择，选择一条或多条链路工作，其他链路中断；飞艇艇载控制计算机选择，根据不同的控制策略选择不同的艇载控制计算机，飞控计算机多用于控制电机、风机、阀门等执行飞艇飞行策略的机构；安控计算机多用于控制阀门、囊体切割装置等执行试验安全策略的机构。某些研制单位的飞艇系统仅有飞控计算机，将安控计算机的功能与飞控计算机融合一起；飞艇执行机构选择包括电机、风机、阀门、囊体切割装置等；飞艇状态监测包括链路状态、执行机构状态等。由测试行为组成测试流程，总体测试流程如图4所示。

由平流层飞艇系统测试行为逻辑建立平流层飞艇试验测试模式，如图5所示。采用测试程序发送测试指令，由中间指令转换软件转换成控制指令来控制飞艇系统地面主控计算机的模式。测试执行状态的判断主要依赖于测试程序解析指令转换软件转发的飞艇状态数据与辅助测试设备获取的数据。采用指令转换软件的测试模式有以下优点：① 通用性较高。因多家研制单位研发的多种型号平流层飞艇系统控制指令格式与遥测数据帧格式均不一致，通过指令转换软件可适应多种型号平流层飞艇系统；② 可保证测试行为的安全性，避免试验测试系统程序直接控制飞艇系统地面主控计算机可能造成的误操作。另外，指令转换软件涉及到飞艇系统具体的控制指令，需根据研制单位提供的飞艇系统控制协议来完成编辑。

3 平流层飞艇试验场测试系统

根据平流层飞艇试验测试模式设计试验测试系统。试验测试系统主要由测试程序、指令转换软件以及辅助测试设备等构成。测试程序主要实现以下功能：测试流程生成，测试流程由测试行为构成；将测试流程中每一条测试行为转换为测试指令数据帧；发送测试指令数据帧，并读取指令转换软件发送的测试指令接收状态数据帧；控制辅助测试设备，读取飞艇状态数据与辅助测试设备获取的数据，判断测试执行状态，给出测试结论。指令转换软件主要功能为：测试指令接收状态确认；测试指令与控制指令的转换；完成飞艇遥测数据帧格式转换并将转换后形成的飞艇状态数据转发给测试程序。

由平流层飞艇主体行为逻辑可知，飞艇测控系统为连接飞艇艇载设备与飞艇地面主控计算机的关键节点，其包含UHF、L、S、C等多个视距通信链路与卫星通信链路[18-19]，可采用天线、微波电缆与频谱分析仪、功率计等辅助测试设备监测飞艇测控链路切换状态与通断状态。对于飞艇艇载控制计算机和执行机构的状态数据,则因平流层飞艇系统集成完毕后,通常不会预留给试验测试系统接触式测试接口，因此试验测试系统无法直接获取两种状态数据，只能通过解析转发的遥测数据帧的形式来实现。

平流层飞艇试验测试系统测试程序功能实现方式如下：

1) 测试流程由测试行为组成，按照图4所示的总体测试流程将测试行为编辑在文本文档中，形成测试流程文本文档。

2) 测试流程中测试行为定义设计。测试行为定义采用16进制字符的形式，定义如表1所示，其中，飞行试验阶段选择以01～09来代表，飞艇测控链路选择以A0～BF来代表，飞艇艇载控制计算机选择以C0～CF来代表，飞艇执行机构选择以D0～EF来代表。测试行为的定义不局限于此，也可根据实际情况从00～FF顺序定义。测试行为定义编辑于文本文档中，形成测试行为定义文本文档。

3) 测试指令数据帧生成方式设计。测试指令数据帧生成采用读取测试流程文本文档与测试行为定义文本文档的方式。首先读取测试流程文本文档中的测试行为，然后从测试行为定义文本文档中找出代表该条测试行为的十六进制字符，最后以该十六进制字符为数据段并在其前添加帧头、帧尾组成测试指令数据帧。测试指令数据帧格式如表2所示，由帧头、数据段内容长度、数据段、帧尾(校验和)等组成。

表1 测试行为定义Table 1 Definition of test behavior logic

注：测试行为也可顺序定义，不局限于此表定义方式。

4) 测试指令接收状态数据帧与飞艇状态数据帧格式设计。测试指令接收状态数据帧由中间指令转换软件在接收到测试指令后生成并发送给测试程序，帧格式如表3所示，以字节4代表测试指令接收状态，利用十六进制字符[20]代表4种状态，01代表接收并执行成功，02代表校验错误，03代表条件不具备无法执行，04代表执行超时。

飞艇状态数据由飞艇遥测数据生成，提取遥测数据中飞艇状态数据，由中间指令转换软件完成帧格式转换后发送给测试程序。飞艇状态数据帧格式如表4所示，由固定的帧头、数据段(飞艇状态)、帧尾(校验和)构成。

5) 测试指令数据帧、测试指令接收状态数据帧、飞艇状态数据帧等传输采用UDP或TCP/IP协议。

6) 辅助测试设备控制，主要为频谱分析仪、功率计等台式仪器的控制。通过交换机与LAN口实现远程控制。此种控制方式便于根据测试需求扩展控制的仪器。

表2 测试指令数据帧Table 2 Data frame of test instruction

表3 测试指令接收状态数据帧Table 3 Data frame of receiving state of test instruction

表4 平流层飞艇状态数据帧Table 4 Data frame of stratospheric airship state

4 方法验证

基于以上方法建设平流层飞艇试验测试系统，该测试系统程序主体基于开发的虚拟仪器测试环境编制，程序集成了UDP通信模块、频谱分析仪与功率计控制模块，采用测试流程节点和面向仪器操作相结合的编写方式，具备流程开发、测试结果判断、数据管理等功能。

基于建设的试验测试系统开展了针对某型平流层飞艇的全系统拷机测试，辅助测试设备为频谱分析仪。该飞艇系统飞行试验阶段包括地面调试、升空、自主巡航、降落模式等，飞行时间为24小时。艇载控制机算机仅包含飞控计算机[21]，测试中不做艇载控制计算机选择。测控链路包含UHF、L等波段通信链路，执行机构为阀门(包含多个，分布于囊体前部、中部等不同位置)、电机、焰索等。焰索为囊体切割装置，为易损件，因此针对焰索的测试通过监测其供电电压来实现。

全系统拷机测试旨在验证飞艇系统长时工作可靠性，主要从时间上模拟各飞行试验阶段，于不同的试验阶段执行不同的控制操作。测试系统与飞艇地面主控计算机之间的信息交互通过试验网络实现。根据第3节所述的方法分别编写了测试流程文档与测试行为定义文档，并利用测试程序读取相关文档形成测试流程节点，全系统拷机测试程序测试流程节点界面如图6所示。

基于该测试程序开展了24个小时的全系统拷机测试，正常运行情况下无需人工值守，在自动执行过程中出现报警后人工干预即可。部分测试结果如图7所示，图7为飞艇自主巡航模式下利用UHF链路控制中部主阀门结果，1代表执行成功。通过全系统拷机测试验证了测试方法的有效性。

5 结 论

地面测试是保证平流层飞艇飞行试验安全的关键措施之一。本文提出了基于行为逻辑的平流层飞艇测试方法，用于指导平流层飞艇关键分系统功能考核测试和全系统拷机测试。该方法具有以下优点：

1) 通用性较高，适用于多种类型平流层飞艇的测试。

2) 采用定义测试行为的测试程序编写方式，测试程序编写较为简单。通过具体测试实施表明，本文提出的方法具有很强的操作性，并显著提高了测试效率，降低了人为差错的影响。