飞行试验颤振数据实时监控系统

摘要：颤振试飞是“I类风险”试飞科目，试飞风险巨大。而原型机和涉及到结构及外型重大更改的改型机都必须进行颤振科目试飞。因此要制定严格的保障措施，高效、准确的监控保证。由于颤振数据的高采样率，为保障整个监控系统的性能，采用单独的服务器与独立的局域网，并在颤振服务器上加装A／D转换器，结果该颤振数据实时监控系统可按512点／s的采样率无丢点采样存盘，条图仪均匀输出。通过前期原理论证及后期使用证明该系统能满足高采样率下颤振数据的实时监控要求，而且它解决了在UDP传输协议的网络中高采样数据条图仪输出的时间均匀性问题。
关键词：飞行试验；颤振数据；遥测信号；监控系统

0 引言
    颤振是飞机结构最危险的振动形式，它是由空气动力、弹性恢复力和惯性力三者耦合作用下产生的一种振动形式，是飞行器飞行中发生事故较多并且常常造成灾难性后果的一种气动弹性现象。颤振研究包括颤振理论计算、缩比模型的高低速风洞实验、全机地面共振实验以及飞机颤振飞行试验等。飞机颤振飞行试验处于防颤振研究的最终环节。
    飞行颤振试验是检验飞机在整个飞行包线范围内不发生颤振的重要手段。它是通过飞行试验来验证飞机在使用包线内不发生气动弹性不稳定现象，并且具有足够的颤振余量。该试验一般采用亚临界试验技术，即在低于颤振速度条件下飞行，通过人为激励飞机结构，从其结构响应来判断颤振临界条件。试飞过程中飞机一旦在空中发生颤振，会在几秒钟内解体。颤振试飞风险巨大，所以必须实施实时监控保障飞行安全。在地面监控大厅接收遥测信号，对飞机的状态进行实时跟踪。
    目前飞行试验中常用的实时监控系统配有双通道位同步器，支持接收两路遥测PCM数据流，可同时保障两架飞机的实时监控。
    由于颤振飞行试验对实时监控系统的实时性、准确性以及可靠性要求较高，而且颤振参数具有很高的采样率。为保障监控系统的性能，设计实现了独立于其他飞行参数的颤振数据实时监控系统。其中怎样保证条图仪均匀输出是主要解决的问题。以下将介绍颤振数据专用监控系统的设计思路和工作原理，详细阐述系统的硬件组成与相关软件。

1 颤振数据实时监控系统
   颤振数据实时监控系统结构如图1所示。在常用的实时系统中增加为颤振数据专用的服务器，使用独立的局域网。这样在颤振数据的高采样率大数据量的情况下，可不占用其他系统带宽。使双方不因网络拥塞丢包导致数据丢失，以此保证整个实时系统的性能。如果系统中只有一台颤振服务器，监控的两架飞机中只能一架试飞颤振科目。

    该系统结构简单但功能完备，具有多数据源：遥测数据、磁带数据、磁盘文件；多种工作模式：实时、磁带回放、磁盘文件数据回放；可每次采集处理多达50个颤振传感器参数，颤振采样率小于等于512点／s等特点。
1．1 颤振数据实时监控系统硬件组成
    机载测试系统将数据类型为ARINC 422，ARINC 429，FCS，GPS，部分1553B及加装传感器参数等数据采集，以PCM(脉冲编码调制)格式记录及遥测发射。其中选择采集的部分1553B总线数据是指按总线号、远程终端RT号、子地址SA、逻辑块等总线字的定义，从总线上挑选需要的命令字、状态字、数据字。对挑选的总线字，格式化为2个连续的PCM字。这些PCM字与其他测试数据合并形成一条主PCM数据流，供遥测发射到地面进行实时监控及机载记录。
    而颤振实时监控系统是完成遥测数据采集、存储并显示，由位同步器、PC机、PCM反变换板、D／A变换板、交换机和条图仪等硬件组成，如图2所示。

    发射下来的PCM数据流通过遥测接收机接收后，经综合传输网进入位同步器再到PCM反变换板。完成PCM数据流的反变换后二次同步(即帧同步)，前端服务器程序采集、存贮颤振数据，并对存贮的颤振参数数据进行取位、高低字合并、物理量转换等校准计算。根据需要将监控画面中使用的参数通过百兆网络发送到客户端显示，并将选定的颤振参数经D／A转换发送到条图仪输出。
1．2 颤振数据实时监控系统软件及数据传输过程
    颤振数据实时监控系统软件及数据传输过程如图3所示。其中颤振数据实时监控系统软件由前端服务器程序和客户端实时监控程序组成，形成服务器和客户端模式。前端服务器软件需加载带头文件，客户端多幅监控画面用到的总参数名文件以及条图仪通道参数名的信息文件。服务器软件根据加载的带头中同步字信息、帧结构信息将接收到的数据进行二次同步，经过同步处理后的数据才能进行校准计算。帧同步后服务器软件对颤振数据进行采集，在勾选“原始数据存盘”项的情况下存贮数据。

    实现服务器与客户端的信息通信及数据传输是基于TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)，并采用WinSock的网络编程接口实现其网络通信。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信，为了提供可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制；UDP协议只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能达到另一端。
    因此总参数名文件按TCP协议通信，前端服务器程序将流式套接字置入监听模式，当有客户端程序的连接请求时，接受请求并向请求方发送监控参数表，最后断开与客户端程序的TCP连接。为了避免因服务器程序晚于客户端监控程序启动造成无法与服务器连接的情况，监控程序采用定时器定时向服务器发送连接请求，当连接成功后关闭定时器。
    然后将完成取位、高低字合并、物理量转换后的数据，根据以UDP形式向客户端程序广播发送。TCP是一个面向连接的协议，它意味着分别运行于两主机(由IP地址确定)内的两进程(由端口号确定)间存在一条连接。建立一个连接需要3次握手，而终止一个连接要经过4次握手。而一端使用UDP向另一端发送数据报时，无需任何预先的握手。UDP是不可靠无连接的，它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。虽然
UDP协议不提供反馈信息来控制机器之间传输的信息流量，可能出现丢包、重复。但在数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，UDP也是一个好的选择。本监控系统服务器与客户端在同一个监控大厅内，传输距离很短。因此向客户端发送数据采用UDP协议而不是TCP协议，以保证高效率发送数据。飞行实践证明在1．0 Gb／s网速的由25台PC机组成的局域网内，颤振数据按采样率512点／s，传输200个参数是完全可靠的。
    另外，基于UDP协议的通信模式只需将Socket与指定的端口号和本地的IP地址绑定就可进行数据传输，控制算法简单。而且采用UDP协议有利于系统的扩展，可以根据需要在不影响系统性能的前提下减少或增加客户端微机的数量。
    UDP协议不使用确认信息对报文的到达进行确认，也不对收到的报文进行排序。导致报文可能出现延迟以及乱序的现象。但是颤振数据要求严格按时间均匀输出，否则条图仪绘出的图形产生变形，有台阶出现，不易辩识试验动作段。假设颤振数据的采样率为512点／s，要求计算机系统每隔不到2 ms就要响应1次。因此在现有的操作系统中开发软件，不能保证服务器均匀地向条图仪发送数据。为保证颤振数据时间上的均匀性，在用作服务器的PC机上除PCM反变换板外加装D／A变换板。利用D／A板的缓冲、定时功能，每次向条图仪发送多个点的数据，设置条图仪绘图的时间间隔，实现均匀输出。
    同时由于该系统具有实时、磁带回放、磁盘文件数据回放多种工作模式，前端服务器程序也可对机载磁带数据、本系统存贮数据等不同格式的数据进行回放。帮助工程师在试飞的不同阶段利用现有格式的数据进行监控画面的调试，或实现飞行后对感兴趣的数据重现。

2 实时监控画面及条图仪数据输出
    系统服务器程序提供灵活的软件接口，支持多种软件制作监控画面。于是在系统中的客户端即用作显示监控画面的PC机上，安装多种编程软件以提供采用了各种接口监控画面的运行环境。画面采用数字量、信号灯、时间历程曲线等监控图形相结合，画面美观、数据显示清晰直观。
    采用C++ Builder实现的实时监控画面如图4，图5所示。

    颤振激励系统监控画面，要求在另一台微机或本微机上建一个存放结果的目录，将其完全共享(如在另一台微机上)，将其映射为本机的N盘。开始接收服务器发送过来的数据，并实时显示、采样。如自动采样，则根据标志动作的开关量自动采样存盘，每次开始采样时，会发出“嘟”声，同时在列表框中显示保存的文件名。每次保存3组：1组常规参数，2组颤振参数，这些都可根据不同飞机的实际情况修改。如为手动采样，每点击“采样”一次，则采样一次。点击“停止”，则停止采集，点击“退出”则退出画面。图4即为手动采样画面。
    颤振试飞结构响应监控画面如图5所示。画面只要启动起来，当服务器发送数据过来，监控画面就会不停地实时显示。选择图中四个列表框中的参数名，下面的四个图表会实时画出该参数的时间历程曲线，如激励信号触发，图形会自动重画，因此激励波形总是显示在最左边。
    为了在屏幕上实时画出高采样率的颤振参数的时间历程曲线，采取了较特殊的画图方法，向屏幕上输出若干点后再刷新屏幕，这样屏幕绘图均匀流畅，不出现迟滞现象。
    监控画面可根据不同类型科目按课题人员需要灵活设计。比如，如果是脉冲激励，根据动作开关量自动或手动采样数据，动作开关量、保存的块大小灵活可设；如果是扫频激励，可通过鼠标选取要保存的动作段数据。
    以上即为数据的实时显示，数据实时输出选择用条图仪实现。常见的条图仪有16路通道，可同时输出16个颤振参数。服务器软件根据上文提到的条图仪参数名信息文件选择小于等于16个颤振参数，经D／A变换板转换输出模拟信号到条图仪打印输出，以控制数据的均匀性。在飞机做试验动作时刻对已选定的颤振参数用条图仪直接输出，通过观看条图仪绘出的试验动作段数据图形了解飞行试验情况。

3 结语
    该颤振监控系统具有优良的实时性、可靠性以及精确性。硬件配置简洁合理，软件操作简便、支持多种接口，而且监控画面数据显示清晰直观。目前已用于多种型号的飞行颤振试验中，对飞行的安全性及试验任务的圆满完成发挥了重要作用。