基于網絡通信架構的分布式測試系統

李 宏，吳 衡，胡丙華，范秉宇

(1.中國飛行試驗研究院，西安 710089;2.海軍駐閻良地區航空軍事代表室，西安 710089)

0 引言

在新機研制過程中，高素質的試飛員培訓與飛行試驗都是新型飛機研制過程中不可缺少的重要環節。為使新型飛機通過嚴格的鑒定與定型試飛，以及對培訓試飛員的飛行效果進行事后講評分析，需要在飛機飛行過程中，通過測試獲取大量的試驗數據。同時，為保障飛行安全，需要把大量的機載測試數據與視頻畫面實時遙測傳輸到地面，與地面各測試系統測試得到的數據進行綜合處理與顯示，為地面指揮員與試飛工程師提供良好的監控畫面，對試飛全過程進行實時安全監控。由于新型飛機采用的新技術越來越多，以及為加快試飛進度，提高試飛效率，要求在一個架次中進行多個科目綜合試飛的要求提高，需要的測試內容以及測試參數量也急劇增加，這些都對測試系統的設計提出了更多、更高的要求。

測試系統組成多、接口關系復雜、分布范圍廣等已成為新型飛機試飛的特點。同時，為了實現多系統之間協調、可靠的工作，采用實時通信、統一授時、融合處理已經成為現代靶場基地建設的基本要求。特別是系統之間的視頻數據的增多，造成通信負載大，影響數據傳輸的效率與可靠性;多系統之間協調有序的運行需要進行大量的數據、視頻、控制指令、時間等信息的實時傳輸。由于組成的測試系統多，組成和技術復雜，數據量大，特別是有大量的實時數字視頻信息，以HDLC(串口通信協議)為通信架構的測試體系已無法滿足當代新機試飛的測試需求，因此必須根據新的測試需求研究新的測試系統通信架構。目前，數字網絡因組網靈活、傳輸帶寬寬，特別是以光纖網絡為傳輸介質的通信網絡，市場應用廣、技術支持方便等優點，在測控技術領域得到越來越廣泛的應用，逐步取代了以串口為通信體系的測試架構。

1 分布式測試系統組成及功能

系統主要由光電經緯儀、遙測接收系統、數字式高速攝像機、測控中心、監控大廳、通信機房、塔臺輔助指揮系統、GPS實時差分站等系統或設備組成(見圖1)，主要系統功能如下所述。

1)光電經緯儀采用單站或交會測量的方式，用于完成飛機起降段的軌跡、速度測量。光電經緯儀的測量數據、可見光圖像與紅外圖像實時輸出到測控中心、監控大廳與塔臺。

2)遙測接收系統接收飛機下發的PCM數據與機載視頻，直接送到監控大廳進行處理與顯示，處理后的機載數據與數字化后機載視頻，送到塔臺、測控中心等。

3)數字式高速攝像機分布在跑道兩端，測量飛機從不同方向著陸時刻的畫面，用于圖像分析和精確的定位測量。

4)測控中心完成光電經緯儀數據的實時接收與處理，發送飛機航跡數據到其他系統;接收飛機上的GPS數據引導光電經緯儀捕獲目標;根據飛機的航跡位置自動觸發高速攝像機自動拍攝;事后下載光電經緯儀與高速攝像機測量圖像，進行精確處理，為試驗分析及鑒定和定型試飛提供技術依據。

5)監控大廳接收遙測數據、測控中心數據、機載視頻、光電經緯儀視頻及其他數據與圖像，進行綜合處理與顯示，為試飛工程師與試飛指揮員提供監控畫面。

6)塔臺系統接收測控中心與監控大廳數據，以及機載、光電經緯儀的視頻，為塔臺飛行指揮員指揮提供參考依據。

圖1 各系統信號傳輸結構圖Fig.1 Signal transmission structure of the system

各系統之間實時傳輸的信息有測量數據、控制指令、引導數據、融合后的結果數據、PCM信號、數字視頻、模擬視頻、IRIG-B時間碼(以下簡稱B碼)，以及事后下載高速攝像機圖像數據、光電經緯儀跟蹤圖像畫面等突發高帶寬數據(各系統之間的信號傳輸關系見圖1)。系統之間交互信息種類多、實時性強、耦合關系緊密，為保障各系統之間的信息能夠實時、可靠、有效傳輸，需要對各系統之間的通信結構與關系進行認真規劃與設計。

2 系統的網絡結構設計

由于該測試系統是由分布范圍較廣的多個分系統構成，必須采用先進、可靠的通信系統才能實現各種數據有序傳輸、交換、處理、控制與實時顯示。鑒于光纖傳輸具有傳輸距離遠、信號衰變小、頻帶較寬、傳輸延遲小、不易受電磁干擾等特點，本測試系統采用基于光纖技術信息傳輸網絡系統。由于傳輸的數字視頻路數多，為防止視頻數據堵塞網絡，造成數據與控制指令延遲丟包，系統設計實行雙網并行工作模式，通過通信機房內的兩臺核心交換機分別實現數據和數字視頻交換和接入。各測量站點均通過千兆以太網端口連接到核心交換機。通信機房核心交換層提供一個寬帶、高可靠、具有質量保證、協議統一的分組業務承載平臺，實現數據、視頻等信息的綜合傳輸與交換。對虛擬局域網(Virtual Local Area Network，VLAN)按照分系統進行劃分。

通信底層網絡協議使用以太網，信號的傳輸速率為1000 Mb/s，支持光、電兩種接口方式。鏈路層采用CSMA/CD的媒體訪問技術，其幀格式應符合 IETF RFC 894規定，鏈路層的其他部分符合GB/T 15629.3中關于MAC層的規定。網絡層采用互連網協議(IP)以及配套的ARP協議(地址解析協議)和 ICMP協議(網際消息協議)以完成將IP地址解析成為物理地址的可達性等功能。運輸層選用TCP/IP協議中的 UDP協議(用戶數據報協議)，符合 IETF RFC 768的要求。為保障數據通信的實時性，數據傳輸全部采用UDP鏈接;而對命令通訊，全部采用TCP短鏈接方式，避免使用長連接導致的占用資源過多及系統不穩定性，以保證系統通訊的可靠。

高速攝像數據、B碼、PCM信號與模擬視頻傳輸采用純物理層光端機實現，其運作獨立于數據及視頻交換機。B碼以點對多點的傳輸方式，用專用的具有模擬及數字接口(分別傳輸AC碼與DC碼)的光端機作為傳輸設備;而模擬視頻則采用點對點傳輸方式，有專用的具有模擬視頻接口的光端機作為傳輸設備;高速攝像數據的下載采用點對點的傳輸方式，使用千兆數字接口的光端機作為傳輸設備。事后文件傳輸采用FTP傳輸方案。需要訪問FTP服務器的端站可以通過客戶端程序登錄FTP服務器下載相關數據。管理員可以對FTP服務器的開放時間、同時下載線程以及用戶訪問權限做管理。在飛機飛行期間，為了不影響測試實時數據、視頻的正常傳輸，可以通過管理員關閉FTP服務。

3 視頻傳輸

視頻信息具有信息直觀、內容豐富等特點，是該測試系統提供的重要測試參數。對視頻的傳輸，目前主要采用有兩種方法:1)數字化壓縮編碼后放到網上，各客戶端根據需要網絡連接后顯示，在同一網絡系統中，可多用戶同時顯示，不受物理連接限制;缺點是有一定延遲，網絡丟包會影響重新解碼后的圖像質量;2)源端輸出的模擬視頻信號直接通過視頻光端機點對點傳輸，優點是無延遲、圖像質量好，缺點是只能點對點傳輸，記錄時需要數字化。考慮監控大廳指揮員對實時性要求高，每臺光電經緯儀輸出的兩路模擬視頻、遙測車接收的機載視頻都通過光端機直接傳輸到監控大廳，直接由視頻矩陣切換到大屏上顯示。同時，在視頻源端，通過數字視頻編碼器將模擬信號采用最新的H.264視頻壓縮算法，進行實時壓縮編碼后，以組播的方式傳輸。這樣，測控中心、塔臺系統以及其他系統，通過客戶端接收軟件，可任意選擇顯示畫面。通過實際測試，數字視頻延遲在0.4 s左右，滿足一般監控要求。

高速攝像機工作時，采樣率選用200 f/s，分辨率2300×1600像素，數據率700 MB/s，不可能進行實時傳輸，只能實時記錄在高速攝像機內部的記錄介質，拍攝完成后，下載到計算機，清空記錄介質后，重新拍攝。可實時輸出6 f/s，用于控制與圖像預覽。為防止高速攝像機下載時堵塞網絡，以及保障下載速度，高速攝像機通過光纖收發器，直接傳輸到測控中心專用下載計算機，中間不通過通信機房核心交換機。

4 統一授時

分布式多測試系統各測試參數的時間統一問題是該測試系統設計時重點考慮的問題。因為各測試參數的時間統一是保證各分布式測試系統有序工作、確保多參數融合處理和實時同步顯示并實現安全監控指揮的前提。該系統采用了GPS時統，它具有使用靈活，成本低和精度高等特點。GPS時統的秒脈沖同步精度可達0.2 μs，滿足各測試系統或設備對時間精度的要求。在該系統的測控中心建設有GPS與北斗二合一的授時中心，向各分系統或設備進行統一授時，提供絕對時間。在GPS時間不可用時，提供全系統統一的相對時間。對光電經緯儀等大型測試設備，不僅采用獨立GPS時統終端時間，同時接受測控中心的GPS時統終端時間，用于檢查光電經緯儀時統是否同步;16臺高速攝像機、監控大廳等沒有獨立時統終端，接收測控中心時統終端統一授時。

對時間精度要求高的測試系統授時目前主要采用B碼方式。B碼又可分為AC碼與DC碼，AC碼精度可達10 μs，DC碼精度可達1 μs以上。高速攝像機是國外采購的COTS產品，只接收AC碼。光電經緯儀的GPS時統終端是國內自研，設計有DC碼輸入。因B碼傳輸距離最大只能到百米距離，而高速攝像機與光電經緯儀距時統中心都在1 km以上，因此對B碼電信號不能直接傳輸，需要通過B碼光端機進行傳輸。B碼時間信息的傳輸要求低延時，高可靠。為此采用專門的光傳輸線路實現B碼信息的傳輸。B碼信息僅實現物理層的電光轉換，不涉及任何其他協議層，因此可以達到最小的傳輸延時。系統延遲可通過時間校驗儀進行測量，是一個系統誤差。經過檢測，B碼光端機點對點系統延遲1.3 ms，在數據處理時需進行修正。

對時間精度要求不高的測控中心、監控大廳、塔臺等系統內部的數據處理、顯示計算機，以及光電經緯儀、遙測接收車等系統內的視頻編碼器，通過NTP(Network Time Protocol)進行網絡授時，局域網內，其同步精度一般可以達到10 ms量級，在廣域網上同步精度一般為幾十毫秒，滿足一般設備對處理、顯示、回放等時間精度要求。在測控中心設有時間服務器，時間服務器上插有B碼卡，接收時統中心的B碼時間后，進行解調，獲得標準時間。時間服務器在收到客戶機發送的NTP報文請求后，把時間服務器上時間填寫在NTP報文中并返回給客戶機，客戶機完成對本機時鐘的修正。

5 結束語

隨著我國航空武器試驗技術的發展，對試驗靶場、基地測試系統的要求也會越來越高，如何構建可靠、有效、自動化程度高、能滿足未來武器試驗發展的新型靶場測試體系架構，是測試技術工程師重點研究的問題。在本測試系統設計之初就綜合考慮了各種因素，并進行了大量的調研與實驗，系統研制中，精心設計、精心制造，嚴格遵照質量和標準化流程進行管理。因此，系統在建設結束后，經過高強度的飛行試驗，系統完全滿足設計之初提出的各種技術指標。特別是采用的雙網絡體系架構、數字視頻組播與模擬傳輸結合、B碼傳輸與NTP網絡授時等多種關鍵技術，滿足了不同技術需求，取得了良好的應用效果，具有很好的通用性和開放性，可為后續系統的擴展，留下了發展空間。它對未來網絡化靶場和基地的建設具有良好的借鑒和推廣作用。

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