航電系統集成測試技術應用研究

徐永強

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

隨著電子科學技術的快速發展，航空電子系統已經成為直升機最為關鍵的組成部分，對于提升整機的作戰效能、技術性能和安全性、可靠性起到了關鍵作用[1]。

由于直升機承載的任務、功能越來越多，航電已成為軍用直升機研發預算中最大的部分。粗略估計，新一代直XX型機有70%的預算花在航電系統上[1]。系統集成技術更是整個直升機的重中之重。新型直升機的電子系統復雜度越來越高，改進調試周期越來越長，從初期設計到定型需要多輪變化，對集成測試平臺的要求越來越高。

隨著航空電子系統規模的擴大，各系統間的交聯和協作關系日益復雜。為了提高系統的集成效率，減少人力和時間的成本，必須采用科學的方法，以降低試驗測試的復雜度，加快交付進度。

1 集成測試的基本方法和過程管理

系統集成測試主要包括航空電子系統、飛控系統和機電系統的綜合集成測試。集成測試技術主要包括系統總體、總線技術、軟件控制技術與研制技術、硬件配置集成技術及應用等。

科學高效的系統集成方法是：從全系統的數字仿真開始，將數字仿真模型轉變成為具有真實物理接口的實時仿真模型，通過真實件與仿真件的逐一替換，逐步完成整個航電系統的集成工作。這一方法有利于在集成的工程中及時發現并定位問題。

航空電子系統的測試一般采用“激勵-響應”測試和動態測試兩種方法，借助自動化的測試技術，通過測試用例的形式將測試過程固化下來，并與測試結果協同管理，實現對測試問題的跟蹤回歸。測試用例的跟蹤回歸見圖1。 對于復雜的航空電子綜合系統，整個測試過程需進行有序的管理，包括測試流程管理、試驗構型管理、測試用例管理、測試問題的管理和測試數據的收集管理等。集成測試過程是以測試管理系統為中心，建立航電實物系統、飛控系統、機電系統、座艙、飛行儀表等系統之間的交聯關系，形成一體化航電系統的集成、測試和交付。測試管理流程圖見圖2。

圖1 測試用例的跟蹤回歸示意圖

圖2 測試管理流程示意圖

2 航電系統集成測試

2.1 航電產品的全實物集成測試方法

航電系統集成測試平臺環境支持航電實物產品的硬件閉環試驗，驗證實物產品的邏輯功能、時域特性、頻域特性、接口特性等是否滿足設計要求，以及和機載其他系統的通信連接。將實物產品通過綜合適配/調理/斷聯設備與其他機載(仿真)系統相連。當然，也可以支持航電系統半實物測試方式，即根據試驗需要通過實物仿真切換設備先將航電產品的仿真子系統接入，逐步地進行實物產品的替換，最終達到航電產品全實物狀態的集成測試驗證。全實物測試過程中產生的數據以及處理結果，通過試驗管理系統進行存儲，并與虛擬原型階段生成的設計數據進行對比，得出結論，評測航電實物產品的特性是否滿足設計要求。如不滿足，再進行新的迭代設計過程。

2.2 航電系統演示驗證

航電系統仿真測試驗證環境應該采用開放式的設計架構，基于層次化的設計模式，將上層模型與接口進行解耦分離，使頂層業務不再受底層資源的限制，可靈活實現不同算法和應用部署。以1553B仿真子系統為例，1553B接口部分采用適配技術進行API的二次封裝，形成標準調用，隔離不同廠家的差異，不再受硬件型號的限制；1553B協議部分采用通用的解析和編碼模塊，針對不同的ICD接口協議完成自動編碼解析，適應不同的應用要求。采用這種方法設計的仿真子系統不再受硬件和接口協議的限制，不同的應用只需維護配置項即可，因此可支持不同的上層數學模型，擴展型號，可伸縮可裁剪。通俗來說，在某型號仿真子系統上運行什么模型，該仿真子系統就是什么模型仿真子系統，而不再像傳統仿真系統那樣要提前定義好，改變了還需要新研。

這種模式還可以用于新技術的開發和驗證。新的業務模型通過建模設計，借助已經部署好的底層硬件資源和中間層適配資源，構建新的模型仿真系統，接入整個仿真測試驗證環境進行集成試驗驗證。

2.3 系統組成

所搭建的集成測試平臺通過以太網和反射內存網絡連接各個仿真子系統。以太網主要用于非實時任務，如試驗過程管理、腳本下載以及后期的數據處理等；反射內存網用于試驗過程中各個仿真子系統之間的數據實時交互。

航電系統通過仿真驗證環境主要由試驗管理系統、綜合適配/調理/斷連設備、航電仿真系統、航電實物系統、飛控實物/仿真系統、機電實物/仿真系統、飛行仿真系統、座艙系統、飛行儀表等組成：

1)試驗管理系統：主要由一組軟件組成，進行試驗任務的規劃下載、試驗過程的控制、試驗數據采集存儲以及后期處理等；

2)綜合適配/調理/斷連設備：完成422/429/硬線等低速信號的斷開/連接、適配、調理等功能，完成航電實物信號/仿真信號之間的切換邏輯，完成物理層和電氣層的故障注入，其他高速總線信號通過交換機或中繼器進行互聯；

3)航電仿真系統：由若干個不同接口類型的仿真子系統組成，可實現CAN、1553B、429、422、AFDX、FC、硬線等接口的航電系統仿真和協議處理，實現上，考慮使用工控機+接口板卡+仿真軟件，開發仿真軟件處理各種物理接口和ICD協議；

4)航電實物系統：航電系統內的各種實物產品；

5)飛行仿真系統，通過反射內存與航電仿真系統、其他仿真系統相連，交互閉環實時數據。

2.4 運行控制

集成測試運行管理過程圖見圖3。

圖3 集成測試運行管理過程圖

首先以航電仿真系統為對象，建立飛控系統、機電系統、飛行仿真系統、綜合適配/調理/斷連設備之間的試驗條件，以試驗管理系統為控制核心，對仿真的各個航電子系統的接口、協議、邏輯等進行驗證。當有航電實物產品需要接入時，斷開相應的仿真子系統，實物信號進入系統，逐步替換掉仿真子系統，達到整個航電系統測試驗證的目的。在有些航電實物產品不滿足條件時，用仿真也可以實現整個系統的閉環，不影響試驗和交付進度。

1)當航電子系統接口為1553B時，可以通過拔掉1553B網絡上的仿真子系統的插頭實現，也可以通過試驗管理系統關閉仿真子系統中的軟件；

2)當航電子系統接口為AFDX時，可以通過拔掉交換機上仿真子系統的插頭實現，也可以通過試驗管理系統關閉仿真子系統中的軟件；

3)當航電子系統接口為FC時，可以通過拔掉FC交換機上的仿真子系統的插頭實現，也可以通過試驗管理系統關閉仿真子系統中的軟件實現；

4)當航電子系統接口為422/429硬線時，可通過實物仿真切換設備進行繼電器開關切換。

當有不同廠家不同型號的航電系統需要介入系統時，只需根據產品接線表更改與中和適配/調理/斷連設備之間的連接插頭即可，其他部分不用做改動。

整個試驗測試過程有試驗管理系統進行統一的調度、運行和控制，包括實物仿真的切換、數據的采集存儲、試驗測試的監控運行、故障的注入等。另一個重要的功能就是將試驗大綱轉化為試驗測試任務，生成測試序列或測試樣本，并下載至仿真系統中運行，完成自動測試。

2.5 集成與測試的主要功能

綜合航空電子系統集成與測試的主要功能包括：

1)試驗構型管理功能，支持真件與仿真件增量式、迭代式集成，利于問題復現和故障定位；

2)程控的供配電管理功能，對參試設備的電源、電流進行同步采集；

3)綜合化模塊化仿真功能，支持全數字仿真模式與實物仿真模式的一鍵切換，可直接復用系統分析和系統設計的結果；

4)激勵-響應式測試方法，為參試設備提供激勵信號，并對其相應進行實時采集；

5)動態綜合測試方法，建立實時的飛行環境和戰場環境仿真，并對交聯設備進行實時并行仿真模擬，為各參試設備提供動態數據激勵和半物理仿真測試環境，從而完成被測試產品基于任務剖面的評估和驗證；

6)能夠提供自動化測試方法，支持測試庫、測試腳步的擴展；

7)能夠提供物理層、電氣層和協議層的故障注入功能，支持故障模式和故障序列的配置，實現故障注入的自動化測試；

8)能夠支持航電、飛控、導航和機電等系統跨區域的集成聯試；

9)測試流程和測試數據管理平臺，支持不同格式試驗數據的集成，支持數據分析算法的擴展和自定義。

3 集成測試的主要特點

1)完整性：開放式系統結構，設計-研發-集成-測試-飛機級集成-交付；支持航電、飛控、機電等全機多系統的仿真、集成和驗證；覆蓋全數字-全實物各階段。

2)通用性：應具有柔性設計，具有模塊化、自動化、可配置和可擴展等特點；集成多種類I/O；支持不同規模的試驗構型和測試用例。

3)擴展性：分布式網絡架構，保證系統架構的穩定性和開放性，易于擴展和維護；軟硬件均采用模塊化和綜合化設計，模型、I/O、節點均可增加和擴充。

4 結論

集成測試需要多專業參與航電綜合集成測試，需要提供飛行姿態的數學模型，需要提供仿真模塊以及測試用例、故障模擬等，還需要注入飛控的數學模型。各個硬件提供方共同搭建仿真測試平臺，并完成系統集成測試交付等工作。

集成測試平臺的投入是一次性的，可與型號的技改結合建設，能產生的產值是相當可觀的。還可以滿足航電系統演示、參觀接待、對外宣傳、技術營銷等新技術的開發和展示要求。

本文闡述了基于模塊化設計的新型航空電子集成測試平臺的優點，包括典型的架構、關鍵技術和主要特點等，為搭建靈活且功能強大的航空電子集成測試平臺提供了基本的理論基礎。另外，基于該理論，不但可以提高平臺的開發效率，而且能夠提供集成測試平臺的靈活性、重要性，降低研制和人工成本。