飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：顫振試飛是“I類風(fēng)險(xiǎn)”試飛科目，試飛風(fēng)險(xiǎn)巨大。而原型機(jī)和涉及到結(jié)構(gòu)及外型重大更改的改型機(jī)都必須進(jìn)行顫振科目試飛。因此要制定嚴(yán)格的保障措施，高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控保證。由于顫振數(shù)據(jù)的高采樣率，為保障整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能，采用單獨(dú)的服務(wù)器與獨(dú)立的局域網(wǎng)，并在顫振服務(wù)器上加裝A／D轉(zhuǎn)換器，結(jié)果該顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可按512點(diǎn)／s的采樣率無丟點(diǎn)采樣存盤，條圖儀均勻輸出。通過前期原理論證及后期使用證明該系統(tǒng)能滿足高采樣率下顫振數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，而且它解決了在UDP傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中高采樣數(shù)據(jù)條圖儀輸出的時(shí)間均勻性問題。
關(guān)鍵詞：飛行試驗(yàn)；顫振數(shù)據(jù)；遙測(cè)信號(hào)；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
    顫振是飛機(jī)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的振動(dòng)形式，它是由空氣動(dòng)力、彈性恢復(fù)力和慣性力三者耦合作用下產(chǎn)生的一種振動(dòng)形式，是飛行器飛行中發(fā)生事故較多并且常常造成災(zāi)難性后果的一種氣動(dòng)彈性現(xiàn)象。顫振研究包括顫振理論計(jì)算、縮比模型的高低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、全機(jī)地面共振實(shí)驗(yàn)以及飛機(jī)顫振飛行試驗(yàn)等。飛機(jī)顫振飛行試驗(yàn)處于防顫振研究的最終環(huán)節(jié)。
    飛行顫振試驗(yàn)是檢驗(yàn)飛機(jī)在整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)不發(fā)生顫振的重要手段。它是通過飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證飛機(jī)在使用包線內(nèi)不發(fā)生氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，并且具有足夠的顫振余量。該試驗(yàn)一般采用亞臨界試驗(yàn)技術(shù)，即在低于顫振速度條件下飛行，通過人為激勵(lì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)響應(yīng)來判斷顫振臨界條件。試飛過程中飛機(jī)一旦在空中發(fā)生顫振，會(huì)在幾秒鐘內(nèi)解體。顫振試飛風(fēng)險(xiǎn)巨大，所以必須實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控保障飛行安全。在地面監(jiān)控大廳接收遙測(cè)信號(hào)，對(duì)飛機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。
    目前飛行試驗(yàn)中常用的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)配有雙通道位同步器，支持接收兩路遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)流，可同時(shí)保障兩架飛機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
    由于顫振飛行試驗(yàn)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性以及可靠性要求較高，而且顫振參數(shù)具有很高的采樣率。為保障監(jiān)控系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于其他飛行參數(shù)的顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。其中怎樣保證條圖儀均勻輸出是主要解決的問題。以下將介紹顫振數(shù)據(jù)專用監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和工作原理，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的硬件組成與相關(guān)軟件。

1 顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)
   顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在常用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中增加為顫振數(shù)據(jù)專用的服務(wù)器，使用獨(dú)立的局域網(wǎng)。這樣在顫振數(shù)據(jù)的高采樣率大數(shù)據(jù)量的情況下，可不占用其他系統(tǒng)帶寬。使雙方不因網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，以此保證整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)中只有一臺(tái)顫振服務(wù)器，監(jiān)控的兩架飛機(jī)中只能一架試飛顫振科目。

    該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功能完備，具有多數(shù)據(jù)源：遙測(cè)數(shù)據(jù)、磁帶數(shù)據(jù)、磁盤文件；多種工作模式：實(shí)時(shí)、磁帶回放、磁盤文件數(shù)據(jù)回放；可每次采集處理多達(dá)50個(gè)顫振傳感器參數(shù)，顫振采樣率小于等于512點(diǎn)／s等特點(diǎn)。
1．1 顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成
    機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)將數(shù)據(jù)類型為ARINC 422，ARINC 429，F(xiàn)CS，GPS，部分1553B及加裝傳感器參數(shù)等數(shù)據(jù)采集，以PCM(脈沖編碼調(diào)制)格式記錄及遙測(cè)發(fā)射。其中選擇采集的部分1553B總線數(shù)據(jù)是指按總線號(hào)、遠(yuǎn)程終端RT號(hào)、子地址SA、邏輯塊等總線字的定義，從總線上挑選需要的命令字、狀態(tài)字、數(shù)據(jù)字。對(duì)挑選的總線字，格式化為2個(gè)連續(xù)的PCM字。這些PCM字與其他測(cè)試數(shù)據(jù)合并形成一條主PCM數(shù)據(jù)流，供遙測(cè)發(fā)射到地面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及機(jī)載記錄。
    而顫振實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是完成遙測(cè)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)并顯示，由位同步器、PC機(jī)、PCM反變換板、D／A變換板、交換機(jī)和條圖儀等硬件組成，如圖2所示。

    發(fā)射下來的PCM數(shù)據(jù)流通過遙測(cè)接收機(jī)接收后，經(jīng)綜合傳輸網(wǎng)進(jìn)入位同步器再到PCM反變換板。完成PCM數(shù)據(jù)流的反變換后二次同步(即幀同步)，前端服務(wù)器程序采集、存貯顫振數(shù)據(jù)，并對(duì)存貯的顫振參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行取位、高低字合并、物理量轉(zhuǎn)換等校準(zhǔn)計(jì)算。根據(jù)需要將監(jiān)控畫面中使用的參數(shù)通過百兆網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端顯示，并將選定的顫振參數(shù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換發(fā)送到條圖儀輸出。
1．2 顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)傳輸過程
    顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。其中顫振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件由前端服務(wù)器程序和客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控程序組成，形成服務(wù)器和客戶端模式。前端服務(wù)器軟件需加載帶頭文件，客戶端多幅監(jiān)控畫面用到的總參數(shù)名文件以及條圖儀通道參數(shù)名的信息文件。服務(wù)器軟件根據(jù)加載的帶頭中同步字信息、幀結(jié)構(gòu)信息將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次同步，經(jīng)過同步處理后的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算。幀同步后服務(wù)器軟件對(duì)顫振數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在勾選“原始數(shù)據(jù)存盤”項(xiàng)的情況下存貯數(shù)據(jù)。

    實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的信息通信及數(shù)據(jù)傳輸是基于TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)，并采用WinSock的網(wǎng)絡(luò)編程接口實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)通信。TCP為兩臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信，為了提供可靠的服務(wù)，TCP采用了超時(shí)重傳、發(fā)送和接收端到端的確認(rèn)分組等機(jī)制；UDP協(xié)議只是把稱作數(shù)據(jù)報(bào)的分組從一臺(tái)主機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報(bào)能達(dá)到另一端。
    因此總參數(shù)名文件按TCP協(xié)議通信，前端服務(wù)器程序?qū)⒘魇教捉幼种萌氡O(jiān)聽模式，當(dāng)有客戶端程序的連接請(qǐng)求時(shí)，接受請(qǐng)求并向請(qǐng)求方發(fā)送監(jiān)控參數(shù)表，最后斷開與客戶端程序的TCP連接。為了避免因服務(wù)器程序晚于客戶端監(jiān)控程序啟動(dòng)造成無法與服務(wù)器連接的情況，監(jiān)控程序采用定時(shí)器定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，當(dāng)連接成功后關(guān)閉定時(shí)器。
    然后將完成取位、高低字合并、物理量轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，根據(jù)以UDP形式向客戶端程序廣播發(fā)送。TCP是一個(gè)面向連接的協(xié)議，它意味著分別運(yùn)行于兩主機(jī)(由IP地址確定)內(nèi)的兩進(jìn)程(由端口號(hào)確定)間存在一條連接。建立一個(gè)連接需要3次握手，而終止一個(gè)連接要經(jīng)過4次握手。而一端使用UDP向另一端發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，無需任何預(yù)先的握手。UDP是不可靠無連接的，它不能保證數(shù)據(jù)報(bào)能安全無誤地到達(dá)最終目的。雖然
UDP協(xié)議不提供反饋信息來控制機(jī)器之間傳輸?shù)男畔⒘髁?，可能出現(xiàn)丟包、重復(fù)。但在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間很短，以至于此前的連接過程成為整個(gè)流量主體的情況下，UDP也是一個(gè)好的選擇。本監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端在同一個(gè)監(jiān)控大廳內(nèi)，傳輸距離很短。因此向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議，以保證高效率發(fā)送數(shù)據(jù)。飛行實(shí)踐證明在1．0 Gb／s網(wǎng)速的由25臺(tái)PC機(jī)組成的局域網(wǎng)內(nèi)，顫振數(shù)據(jù)按采樣率512點(diǎn)／s，傳輸200個(gè)參數(shù)是完全可靠的。
    另外，基于UDP協(xié)議的通信模式只需將Socket與指定的端口號(hào)和本地的IP地址綁定就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制算法簡(jiǎn)單。而且采用UDP協(xié)議有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，可以根據(jù)需要在不影響系統(tǒng)性能的前提下減少或增加客戶端微機(jī)的數(shù)量。
    UDP協(xié)議不使用確認(rèn)信息對(duì)報(bào)文的到達(dá)進(jìn)行確認(rèn)，也不對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行排序。導(dǎo)致報(bào)文可能出現(xiàn)延遲以及亂序的現(xiàn)象。但是顫振數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格按時(shí)間均勻輸出，否則條圖儀繪出的圖形產(chǎn)生變形，有臺(tái)階出現(xiàn)，不易辯識(shí)試驗(yàn)動(dòng)作段。假設(shè)顫振數(shù)據(jù)的采樣率為512點(diǎn)／s，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每隔不到2 ms就要響應(yīng)1次。因此在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)中開發(fā)軟件，不能保證服務(wù)器均勻地向條圖儀發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證顫振數(shù)據(jù)時(shí)間上的均勻性，在用作服務(wù)器的PC機(jī)上除PCM反變換板外加裝D／A變換板。利用D／A板的緩沖、定時(shí)功能，每次向條圖儀發(fā)送多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，設(shè)置條圖儀繪圖的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)均勻輸出。
    同時(shí)由于該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、磁帶回放、磁盤文件數(shù)據(jù)回放多種工作模式，前端服務(wù)器程序也可對(duì)機(jī)載磁帶數(shù)據(jù)、本系統(tǒng)存貯數(shù)據(jù)等不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。幫助工程師在試飛的不同階段利用現(xiàn)有格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控畫面的調(diào)試，或?qū)崿F(xiàn)飛行后對(duì)感興趣的數(shù)據(jù)重現(xiàn)。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面及條圖儀數(shù)據(jù)輸出
    系統(tǒng)服務(wù)器程序提供靈活的軟件接口，支持多種軟件制作監(jiān)控畫面。于是在系統(tǒng)中的客戶端即用作顯示監(jiān)控畫面的PC機(jī)上，安裝多種編程軟件以提供采用了各種接口監(jiān)控畫面的運(yùn)行環(huán)境。畫面采用數(shù)字量、信號(hào)燈、時(shí)間歷程曲線等監(jiān)控圖形相結(jié)合，畫面美觀、數(shù)據(jù)顯示清晰直觀。
    采用C++ Builder實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖4，圖5所示。

    顫振激勵(lì)系統(tǒng)監(jiān)控畫面，要求在另一臺(tái)微機(jī)或本微機(jī)上建一個(gè)存放結(jié)果的目錄，將其完全共享(如在另一臺(tái)微機(jī)上)，將其映射為本機(jī)的N盤。開始接收服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示、采樣。如自動(dòng)采樣，則根據(jù)標(biāo)志動(dòng)作的開關(guān)量自動(dòng)采樣存盤，每次開始采樣時(shí)，會(huì)發(fā)出“嘟”聲，同時(shí)在列表框中顯示保存的文件名。每次保存3組：1組常規(guī)參數(shù)，2組顫振參數(shù)，這些都可根據(jù)不同飛機(jī)的實(shí)際情況修改。如為手動(dòng)采樣，每點(diǎn)擊“采樣”一次，則采樣一次。點(diǎn)擊“停止”，則停止采集，點(diǎn)擊“退出”則退出畫面。圖4即為手動(dòng)采樣畫面。
    顫振試飛結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)控畫面如圖5所示。畫面只要啟動(dòng)起來，當(dāng)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)過來，監(jiān)控畫面就會(huì)不停地實(shí)時(shí)顯示。選擇圖中四個(gè)列表框中的參數(shù)名，下面的四個(gè)圖表會(huì)實(shí)時(shí)畫出該參數(shù)的時(shí)間歷程曲線，如激勵(lì)信號(hào)觸發(fā)，圖形會(huì)自動(dòng)重畫，因此激勵(lì)波形總是顯示在最左邊。
    為了在屏幕上實(shí)時(shí)畫出高采樣率的顫振參數(shù)的時(shí)間歷程曲線，采取了較特殊的畫圖方法，向屏幕上輸出若干點(diǎn)后再刷新屏幕，這樣屏幕繪圖均勻流暢，不出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。
    監(jiān)控畫面可根據(jù)不同類型科目按課題人員需要靈活設(shè)計(jì)。比如，如果是脈沖激勵(lì)，根據(jù)動(dòng)作開關(guān)量自動(dòng)或手動(dòng)采樣數(shù)據(jù)，動(dòng)作開關(guān)量、保存的塊大小靈活可設(shè)；如果是掃頻激勵(lì)，可通過鼠標(biāo)選取要保存的動(dòng)作段數(shù)據(jù)。
    以上即為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出選擇用條圖儀實(shí)現(xiàn)。常見的條圖儀有16路通道，可同時(shí)輸出16個(gè)顫振參數(shù)。服務(wù)器軟件根據(jù)上文提到的條圖儀參數(shù)名信息文件選擇小于等于16個(gè)顫振參數(shù)，經(jīng)D／A變換板轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)到條圖儀打印輸出，以控制數(shù)據(jù)的均勻性。在飛機(jī)做試驗(yàn)動(dòng)作時(shí)刻對(duì)已選定的顫振參數(shù)用條圖儀直接輸出，通過觀看條圖儀繪出的試驗(yàn)動(dòng)作段數(shù)據(jù)圖形了解飛行試驗(yàn)情況。

3 結(jié)語
    該顫振監(jiān)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的實(shí)時(shí)性、可靠性以及精確性。硬件配置簡(jiǎn)潔合理，軟件操作簡(jiǎn)便、支持多種接口，而且監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)顯示清晰直觀。目前已用于多種型號(hào)的飛行顫振試驗(yàn)中，對(duì)飛行的安全性及試驗(yàn)任務(wù)的圓滿完成發(fā)揮了重要作用。