A380 試飛架構(gòu)--中文版.doc

2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 A380 飛行試驗架構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)化的IENA 從脈沖編碼調(diào)制（PCM ）到以太網(wǎng) 空客集成測試中心摘要自協(xié)和號客機和空客A320 適航取證結(jié)束后，空客公司飛行試驗的總體測試架構(gòu)一直沒有變化，但是采集、記錄與分析系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊方式卻隨著測試技術(shù)的發(fā)展，不斷地推陳出新。以下需求和變化導(dǎo)致了飛行試驗測試系統(tǒng)的不斷革新：飛機上所要測試的參數(shù)越來越多，而且模擬信號帶寬越來越大。數(shù)據(jù)共享的需求：記錄系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及遙測系統(tǒng)需要共享某些測試數(shù)據(jù)。整合來自不同測試系統(tǒng)或不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)的需求：標(biāo)準(zhǔn)寬帶模擬信號、ARINC429, AFDX, RSxxx，開關(guān)量等減少適航取證總體成本的需求：盡可能采用成熟且被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，以減少開發(fā)和維護的費用。A340-500/600試飛時，通過重復(fù)采用標(biāo)準(zhǔn)的采集和記錄系統(tǒng)，或者實施定制安裝，滿足了上述各項需求。A380試飛項目有了跳躍式的發(fā)展：采用統(tǒng)一的架構(gòu)整合適合于各種工作環(huán)境的測試、記錄和分析系統(tǒng)。首先定義了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：IENA 數(shù)據(jù)包；其次合并來自各種采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，并向數(shù)據(jù)記錄器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分發(fā)。本文將討論由空客公司系統(tǒng)測試部門定義的”飛行試驗測試局域網(wǎng)（FTI LAN）”，它能將A380以及今后其他飛行試驗中所產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)優(yōu)化組合，靈活地向各種系統(tǒng)發(fā)送，同時確保數(shù)據(jù)的完整性和保密性。關(guān)鍵字A380，飛行試驗，IENA ，以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 縮略語AFDX Avionics Full DupleX 航空全雙工總線ARP Address Resolution Protocol 地址解析協(xié)議ATM Asynchronous Transfer Mode 異步傳輸模式CDP CISCO Discovery Protocol CISCO 設(shè)備檢索協(xié)議COTS Component Of The Shelf 貨架產(chǎn)品FANS Future Air Navigation System 未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)FTI Flight Test Installation 飛行試驗改裝FTP File Transfer protocol 文件傳輸協(xié)議ICMP Internet Control Message Protocol 因特網(wǎng)控制消息協(xié)議IENA Test Installation for New Aircrafts 新飛機測試改裝IGMP Internet Group Management Protocol 因特網(wǎng)組管理協(xié)議IO Input / Output 輸入/輸出IP Internet Protocol 因特網(wǎng)協(xié)議LAN Local Area Network 局域網(wǎng)PCM Pulse Code Modulation 脈沖編碼調(diào)制QoS Quality Of service 服務(wù)質(zhì)量SABRE FTI Data Base for A380 A380 試飛數(shù)據(jù)庫SNMP Simple Network Management Protocol 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議STP Spanning Tree Protocol 消息樹協(xié)議TCP Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議TFTP UDP Trivial File Transfer protocol User Datagram Protocol 用戶自尋址協(xié)議WB Wide Band 寬帶2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 傳統(tǒng)飛行試驗測試系統(tǒng)方案20多年來，飛行試驗測試系統(tǒng)架構(gòu)變得越來越復(fù)雜。為滿足新的需求，工程師們總是在現(xiàn)有系統(tǒng)上不斷添加新的設(shè)備和子系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)技術(shù)壁壘，最經(jīng)濟、最穩(wěn)妥的方法便是增加新的采集和記錄子系統(tǒng)（圖一即為典型系統(tǒng)框架）。這種處理方法在“未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)”試飛和寬帶模擬信號（20KHz 帶寬）采集等項目中屢試不爽。圖一、A340-500/600 飛行試驗測試系統(tǒng)框圖為滿足各種不同測試任務(wù)（聲音、視頻、振動等等），通常會采用專門的測試鏈路，而它們相互獨立，通常不進行數(shù)據(jù)交換。這種方法，除去非常有限的數(shù)據(jù)流量之外，最大的局限性在于各采集和記錄鏈路之間無法交換和共享信息。數(shù)據(jù)格式各不相同，輸入/輸出接口僅為半雙工，并且絕大部分情況下采用點對點的方式連接，這些直接導(dǎo)致了各分系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和交互。傳統(tǒng)飛行試驗測試系統(tǒng)的架構(gòu)，采用了一種從遙測領(lǐng)域引進的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（脈沖編碼調(diào)制），其本質(zhì)是按照一定的節(jié)拍（如800K位/秒）周期性地傳輸所有測試參數(shù)。一條PCM具有以下特性：2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 每個傳輸字12位每個子幀128 個字每個主幀含有256個子幀每秒傳輸兩個主幀空客公司飛行試驗時采用的標(biāo)準(zhǔn)PCM 碼速率為：786,432K 位/秒用一臺4 通道PCM數(shù)據(jù)記錄器存儲測試數(shù)據(jù)，或者在飛機上解碼并實時分析。A380試飛對數(shù)據(jù)采集、存儲和處理方面的要求大幅度提高，空客公司決定跳出以前的框架，采用最新技術(shù)搭建一個開放、穩(wěn)定、高效且具備很好可擴展性的測試系統(tǒng)。全新的IENA 架構(gòu)IENA 架構(gòu)（Flight Test Installation for New Aircraft 新飛機測試改裝）建立在四個層面上：L1（第一層）：傳感器層L1層將物理量（壓力、溫度、力）轉(zhuǎn)換為可測量的電學(xué)信號：電壓或電流。某些L1設(shè)備還含有部分L2功能：濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換 L2 （第二層）：采集層L2層的系統(tǒng)主要與模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量打交道。它們負(fù)責(zé)完成以下任務(wù)：-模擬量采集：傳感器標(biāo)校、模擬濾波、參數(shù)采樣、A/D 轉(zhuǎn)換以及有限的數(shù)學(xué)運算。-數(shù)字量：分類、篩選、過濾-所有參數(shù)：時間標(biāo)記，數(shù)據(jù)整合（形成IENA 數(shù)據(jù)包）,挑選發(fā)往其他設(shè)備的數(shù)據(jù)包。L3 （第三層）：數(shù)據(jù)提煉層L3 是 IENA 所特有的層，它接收所有L2發(fā)來的數(shù)據(jù)流，提煉后再發(fā)送給L4。L3不更改數(shù)據(jù)，它所做的僅僅是與其他設(shè)備通訊，復(fù)制并發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)幀。該功能由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換機完成。L4 （第四層）：記錄和分析層L4 的系統(tǒng)是飛行測試數(shù)據(jù)的最終使用者，它包括：-大容量數(shù)據(jù)存儲器：用于地面事后分析。-機載分析計算機：完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和顯示（實時+事后）。-遙測SABRE 飛行試驗數(shù)據(jù)庫記錄了所有分系統(tǒng)的配置信息，描述了所有測試參數(shù)：從其物理定義直到它在IENA 數(shù)據(jù)包中的位置。2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 圖二、A380 飛行試驗測試系統(tǒng)總體框圖基于以太網(wǎng)的局域網(wǎng)在圖二中可以發(fā)現(xiàn)，L3 是測試系統(tǒng)相互通訊的核心部分。一個帶有網(wǎng)絡(luò)交換機的局域網(wǎng)，將L2 和 L4連接到一起。圖三、A380 飛行測試系統(tǒng)局域網(wǎng)（采集模式）2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 L3 交換機能將來自不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)到一個或多個接收端。它同樣也能在三個飛行試驗測試鏈路（標(biāo)準(zhǔn)測試鏈路、寬帶信號測試鏈路和事故采集/記錄鏈路）之間分享數(shù)據(jù)。見圖三。工作原理IENA局域網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)交換機（CISCO 2950 系列）實現(xiàn)100M以太網(wǎng)全雙工架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)支持兩種不同的工作模式，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)流動需求：采集模式采集模式為系統(tǒng)的缺省模式，每個系統(tǒng)上電后能自動處理采集到的數(shù)據(jù)。該模式下數(shù)據(jù)的主要流程是：L2采集各種試驗數(shù)據(jù)，形成IENA數(shù)據(jù)包，通過L3最終傳輸給L4。數(shù)據(jù)傳輸通過多點傳送方式完成（L2和L4采用UDP-IP 協(xié)議，而L3采用MAC 協(xié)議）。多點傳送使得L2上的一個設(shè)備能將數(shù)據(jù)發(fā)送給L4上的多個設(shè)備。點對點的數(shù)據(jù)交換方式也通過多點傳送來完成。IP 多播地址圖（IP MULTICAST addressing map ）定義了“多播目標(biāo)地址組”，它們與L4上的接收端一一對應(yīng)。這些多播IP地址來自一個私有的D級子網(wǎng)，最后一個字節(jié)是多播目標(biāo)地址的組號。多播目標(biāo)地址是唯一且不可改變的，所有飛機均采用相同的地址。空客公司的SABRE 數(shù)據(jù)庫詳細(xì)定義了這些地址。（見圖四）接收設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)交換機的輸出接口物理連接完畢后，即可得到L3的通訊列表。表中包含多播 MAC 地址； IP 到 MAC 地址映射符合多址傳輸標(biāo)準(zhǔn)。多播目標(biāo)地址組組號對應(yīng)的IP多播地址至標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)（STD） L4 的參數(shù)GR 10 0 至寬帶模擬量測試系統(tǒng)（WB） L4 的參數(shù) GR 20 0 至事故采集/記錄系統(tǒng)（CRASH） L4 的參數(shù) GR 30 0 至STD + WB L4 的參數(shù) GR 12 2 至STD + Crash L4 的參數(shù)GR 13 3 至WB + Crash L4 的參數(shù)GR 23 3 至STD + WB + Crash L4 的參數(shù)GR 123 23 圖四、多播地址分配表2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 下載模式飛機在地面檢查或調(diào)制過程中，需要將某個系統(tǒng)（L2/L3/L4 ）切換至下載模式。因所有系統(tǒng)獨立工作，采集和下載模式可以在機載系統(tǒng)中同時并存。該模式的主要數(shù)據(jù)流程是將配置文件從某個便攜式編程/檢查裝置中下載到L2/L3/L4 設(shè)備。供貨商可自由選擇以太網(wǎng)通訊協(xié)議。A380測試系統(tǒng)支持：TFTP, FTP, TCP-IP 。若功能足夠強大，便攜式編程裝置也可同時向多個設(shè)備加載配置文件。此時數(shù)據(jù)交換不采用多播方式，而是IP層上的點對點模式（UNICAST ）。這些IP地址來自一個B級子網(wǎng)，最后兩個字節(jié)表示飛行類型、機號、系統(tǒng)類型和位置。Unicast 地址圖對于一個給定的飛機而言是固定不變的，在SABRE 數(shù)據(jù)庫中有詳細(xì)定義。下載模式中，L2/L3/L4 系統(tǒng)需支持ARP，以便解決IP到MAC 層面過程中的設(shè)備識別問題。L3 交換機具有自學(xué)習(xí)功能，能分析流經(jīng)它的數(shù)據(jù)包，建立自己的Unicast MAC 表。2003 歐洲遙測會議論文集文件號TF05-NEW TEH-001 版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 IENA 的特點?靜態(tài)多址傳送如上說述，機載飛行試驗測試局域網(wǎng)在很大程度上依賴多點廣播尋址技術(shù)，而很少使用靜態(tài)配置。該模式在很多工業(yè)領(lǐng)域有類似應(yīng)用。動態(tài)多址傳送需使用IGMP技術(shù)，而這對于L2層的很多系統(tǒng)（如KAM-500）而言是無法實現(xiàn)的（無微處理器和操作系統(tǒng)）。靜態(tài)多址傳送技術(shù)有利于減少IGMP的傳輸錯誤，這對于飛行試驗這樣的機載實時應(yīng)用場合尤為重要。?不采用動態(tài)協(xié)議盡管有些動態(tài)協(xié)議有利于提高整個測試網(wǎng)絡(luò)的性能，但我們?nèi)栽诒M可能地避免采用這些傳輸協(xié)議，以確保IENA數(shù)據(jù)包的正確傳輸。 IGMP 、STP 、私有協(xié)議（CDP）被禁止在機載測試網(wǎng)絡(luò)中使用。唯一的例外是：下載模式中，需要用到ARP協(xié)議；系統(tǒng)調(diào)試時需要使用ICMP 協(xié)議。?IP 地址固化在管腳上為避免機上編程加載過程中出現(xiàn)不必要的麻煩，許多L2系統(tǒng)在其以太網(wǎng)輸出端口的管腳上固化了IP 地址（如KAM-500 ETH/001上用32個管腿定義IP地址），這樣一旦接入局域網(wǎng)，能被系統(tǒng)自動識別，之后即可通過網(wǎng)絡(luò)完成編程加載工作。?網(wǎng)絡(luò)冗余傳統(tǒng)的飛行試驗測試系統(tǒng)中，L4層的大容量數(shù)據(jù)存儲器為雙備份。一方面便于進行事后分析，另一方面提高了系統(tǒng)的可靠性。這種冗余的做法可以很方便地移植到網(wǎng)絡(luò)化的飛行試驗測試系統(tǒng)中：A380第一架測試原型機上，L2和L4設(shè)備上以太網(wǎng)口均為雙備份，L3層的設(shè)備更是安裝了兩套。作為備份用的L3設(shè)備與第一臺設(shè)備的設(shè)置完全一樣，支持相同的通訊列表，兩個網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流完全一致。?物理連接A380機載系統(tǒng)采用了新近開發(fā)的機載全雙工總線技術(shù)，其飛行試驗測試局域網(wǎng)也采用了相同的物理連接。L3/L4 設(shè)備的接口作了專門改裝以適應(yīng)AFDX 總線的接插件和電纜。測試系統(tǒng)被看作是飛機的一種航電系統(tǒng)，布線與機上其他系統(tǒng)同步進行。2003 歐洲遙測會議論文集文件號TF05-NEW TEH-001 版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 挑戰(zhàn)?技術(shù)挑戰(zhàn)起初，我們研究了采用ATM技術(shù)在L3和L4之間傳輸IENA 數(shù)據(jù)包的可能性，但最終放棄了這種方案，而選擇了帶有交換機的以太網(wǎng)。原因如下：首先ATM架構(gòu)復(fù)雜而且昂貴。其次，以太網(wǎng)已在全球各地廣泛使用，堅定了我們采用這種技術(shù)的決心。?服務(wù)質(zhì)量對飛行試驗測試局域網(wǎng)而言，首先必須保證從L2到L4傳輸過程中不丟失數(shù)據(jù)，否則試飛的測試結(jié)果將會受到質(zhì)疑。一方面PCM技術(shù)預(yù)先定義好了數(shù)據(jù)交互的格式和時序，周而復(fù)始地傳輸數(shù)據(jù)，且嚴(yán)格受控。其缺點是系統(tǒng)效率低，在半雙工模式下工作，只能實現(xiàn)點對點通訊。另一方面，采用以太網(wǎng)技術(shù)提高了系統(tǒng)性能，改善了靈活型（異步傳輸、多種數(shù)據(jù)流量），但必須對數(shù)據(jù)流量和傳輸延遲嚴(yán)格控制，并確保不能出現(xiàn)通訊堵塞。為實現(xiàn)對服務(wù)質(zhì)量的管理，在L2設(shè)備中定義了一些網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視參數(shù)，用來實時監(jiān)控或事后分析L3和L4的工作狀態(tài)和質(zhì)量。另外，SABRE 數(shù)據(jù)庫中定義了系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的配置信息，通過精確定義參數(shù)的采樣率、數(shù)據(jù)包的長度和傳輸時序，網(wǎng)路上的數(shù)據(jù)傳輸狀況能夠被預(yù)測和分析。空客測試小組進行了針對性研究，給出了每一種配置下系統(tǒng)正常/不正常的評判依據(jù)。 適應(yīng)現(xiàn)有的飛行測試系統(tǒng)在此之前，以太網(wǎng)技術(shù)在飛行試驗中并不常見，空客公司以及我們的供應(yīng)商必須面對這個挑戰(zhàn)。整個系統(tǒng)中靈活性比較差的是L2，因它們大多在機載測試局域網(wǎng)出現(xiàn)之前就已被研發(fā)并廣泛應(yīng)用了，同時它們所采用的技術(shù)（很少使用微處理器和操作系統(tǒng)）與以太網(wǎng)還有一段距離。總之，這些采集系統(tǒng)各自不同（多種信號的采集，AFDX, 數(shù)字量， RSxxx, 模擬量 來自多個供應(yīng)商），但必須制定一個統(tǒng)一的規(guī)則，使它們能融合進測試局域網(wǎng)。空客公司要求供應(yīng)商在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，必須增加以太網(wǎng)功能。?設(shè)備更新與淘汰飛行試驗的進程要延續(xù)幾十年，如空客A320 01 架15年前首飛，到現(xiàn)在仍在進行飛行試驗。商用貨架產(chǎn)品的壽命通常只有5年，而同一型號的網(wǎng)絡(luò)交換機在供應(yīng)商的手冊上保留的時間不超過2年。對于所有貨架產(chǎn)品，尤其是網(wǎng)絡(luò)交換機，我們盡可能選擇并使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)功能，以確?？裳永m(xù)性。即便日后該型號停產(chǎn)，這些功能仍然能被新產(chǎn)品所支持。2003 歐洲遙測會議論文集文件號TF05-NEW TEH-001 版別1 名稱A380 試飛架構(gòu)-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 A380 之后會如何? 網(wǎng)絡(luò)化的IENA 構(gòu)架使A380飛行試驗?zāi)芰μ岣吡硕嗌?？A3