A380 试飞架构--中文版.doc

2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 A380 飞行试验架构：网络化的IENA 从脉冲编码调制（PCM ）到以太网 空客集成测试中心摘要自协和号客机和空客A320 适航取证结束后，空客公司飞行试验的总体测试架构一直没有变化，但是采集、记录与分析系统之间的数据通讯方式却随着测试技术的发展，不断地推陈出新。以下需求和变化导致了飞行试验测试系统的不断革新：飞机上所要测试的参数越来越多，而且模拟信号带宽越来越大。数据共享的需求：记录系统、飞行数据分析系统以及遥测系统需要共享某些测试数据。整合来自不同测试系统或不同领域的数据的需求：标准宽带模拟信号、ARINC429, AFDX, RSxxx，开关量等减少适航取证总体成本的需求：尽可能采用成熟且被广泛使用的标准技术，以减少开发和维护的费用。A340-500/600试飞时，通过重复采用标准的采集和记录系统，或者实施定制安装，满足了上述各项需求。A380试飞项目有了跳跃式的发展：采用统一的架构整合适合于各种工作环境的测试、记录和分析系统。首先定义了一个统一的数据传输协议：IENA 数据包；其次合并来自各种采集系统的数据包，并向数据记录器和数据处理系统分发。本文将讨论由空客公司系统测试部门定义的”飞行试验测试局域网（FTI LAN）”，它能将A380以及今后其他飞行试验中所产生的测试数据优化组合，灵活地向各种系统发送，同时确保数据的完整性和保密性。关键字A380，飞行试验，IENA ，以太网，网络2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 缩略语AFDX Avionics Full DupleX 航空全双工总线ARP Address Resolution Protocol 地址解析协议ATM Asynchronous Transfer Mode 异步传输模式CDP CISCO Discovery Protocol CISCO 设备检索协议COTS Component Of The Shelf 货架产品FANS Future Air Navigation System 未来空中导航系统FTI Flight Test Installation 飞行试验改装FTP File Transfer protocol 文件传输协议ICMP Internet Control Message Protocol 因特网控制消息协议IENA Test Installation for New Aircrafts 新飞机测试改装IGMP Internet Group Management Protocol 因特网组管理协议IO Input / Output 输入/输出IP Internet Protocol 因特网协议LAN Local Area Network 局域网PCM Pulse Code Modulation 脉冲编码调制QoS Quality Of service 服务质量SABRE FTI Data Base for A380 A380 试飞数据库SNMP Simple Network Management Protocol 简单网络管理协议STP Spanning Tree Protocol 消息树协议TCP Transmission Control Protocol 传输控制协议TFTP UDP Trivial File Transfer protocol User Datagram Protocol 用户自寻址协议WB Wide Band 宽带2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 传统飞行试验测试系统方案20多年来，飞行试验测试系统架构变得越来越复杂。为满足新的需求，工程师们总是在现有系统上不断添加新的设备和子系统。一旦出现技术壁垒，最经济、最稳妥的方法便是增加新的采集和记录子系统（图一即为典型系统框架）。这种处理方法在“未来空中导航系统”试飞和宽带模拟信号（20KHz 带宽）采集等项目中屡试不爽。图一、A340-500/600 飞行试验测试系统框图为满足各种不同测试任务（声音、视频、振动等等），通常会采用专门的测试链路，而它们相互独立，通常不进行数据交换。这种方法，除去非常有限的数据流量之外，最大的局限性在于各采集和记录链路之间无法交换和共享信息。数据格式各不相同，输入/输出接口仅为半双工，并且绝大部分情况下采用点对点的方式连接，这些直接导致了各分系统之间无法实现数据的融合和交互。传统飞行试验测试系统的架构，采用了一种从遥测领域引进的数据传输协议（脉冲编码调制），其本质是按照一定的节拍（如800K位/秒）周期性地传输所有测试参数。一条PCM具有以下特性：2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 每个传输字12位每个子帧128 个字每个主帧含有256个子帧每秒传输两个主帧空客公司飞行试验时采用的标准PCM 码速率为：786,432K 位/秒用一台4 通道PCM数据记录器存储测试数据，或者在飞机上解码并实时分析。A380试飞对数据采集、存储和处理方面的要求大幅度提高，空客公司决定跳出以前的框架，采用最新技术搭建一个开放、稳定、高效且具备很好可扩展性的测试系统。全新的IENA 架构IENA 架构（Flight Test Installation for New Aircraft 新飞机测试改装）建立在四个层面上：L1（第一层）：传感器层L1层将物理量（压力、温度、力）转换为可测量的电学信号：电压或电流。某些L1设备还含有部分L2功能：滤波、模数转换 L2 （第二层）：采集层L2层的系统主要与模拟量、数字量和开关量打交道。它们负责完成以下任务：-模拟量采集：传感器标校、模拟滤波、参数采样、A/D 转换以及有限的数学运算。-数字量：分类、筛选、过滤-所有参数：时间标记，数据整合（形成IENA 数据包）,挑选发往其他设备的数据包。L3 （第三层）：数据提炼层L3 是 IENA 所特有的层，它接收所有L2发来的数据流，提炼后再发送给L4。L3不更改数据，它所做的仅仅是与其他设备通讯，复制并发送接收到的数据帧。该功能由标准以太网交换机完成。L4 （第四层）：记录和分析层L4 的系统是飞行测试数据的最终使用者，它包括：-大容量数据存储器：用于地面事后分析。-机载分析计算机：完成数据的预处理和显示（实时+事后）。-遥测SABRE 飞行试验数据库记录了所有分系统的配置信息，描述了所有测试参数：从其物理定义直到它在IENA 数据包中的位置。2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 图二、A380 飞行试验测试系统总体框图基于以太网的局域网在图二中可以发现，L3 是测试系统相互通讯的核心部分。一个带有网络交换机的局域网，将L2 和 L4连接到一起。图三、A380 飞行测试系统局域网（采集模式）2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 L3 交换机能将来自不同系统的数据流复制并转发到一个或多个接收端。它同样也能在三个飞行试验测试链路（标准测试链路、宽带信号测试链路和事故采集/记录链路）之间分享数据。见图三。工作原理IENA局域网采用标准网络交换机（CISCO 2950 系列）实现100M以太网全双工架构。该网络支持两种不同的工作模式，以适应不同的数据流动需求：采集模式采集模式为系统的缺省模式，每个系统上电后能自动处理采集到的数据。该模式下数据的主要流程是：L2采集各种试验数据，形成IENA数据包，通过L3最终传输给L4。数据传输通过多点传送方式完成（L2和L4采用UDP-IP 协议，而L3采用MAC 协议）。多点传送使得L2上的一个设备能将数据发送给L4上的多个设备。点对点的数据交换方式也通过多点传送来完成。IP 多播地址图（IP MULTICAST addressing map ）定义了“多播目标地址组”，它们与L4上的接收端一一对应。这些多播IP地址来自一个私有的D级子网，最后一个字节是多播目标地址的组号。多播目标地址是唯一且不可改变的，所有飞机均采用相同的地址。空客公司的SABRE 数据库详细定义了这些地址。（见图四）接收设备与网络交换机的输出接口物理连接完毕后，即可得到L3的通讯列表。表中包含多播 MAC 地址； IP 到 MAC 地址映射符合多址传输标准。多播目标地址组组号对应的IP多播地址至标准测试系统（STD） L4 的参数GR 10 0 至宽带模拟量测试系统（WB） L4 的参数 GR 20 0 至事故采集/记录系统（CRASH） L4 的参数 GR 30 0 至STD + WB L4 的参数 GR 12 2 至STD + Crash L4 的参数GR 13 3 至WB + Crash L4 的参数GR 23 3 至STD + WB + Crash L4 的参数GR 123 23 图四、多播地址分配表2003 欧洲遥测会议论文集文件号版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 下载模式飞机在地面检查或调制过程中，需要将某个系统（L2/L3/L4 ）切换至下载模式。因所有系统独立工作，采集和下载模式可以在机载系统中同时并存。该模式的主要数据流程是将配置文件从某个便携式编程/检查装置中下载到L2/L3/L4 设备。供货商可自由选择以太网通讯协议。A380测试系统支持：TFTP, FTP, TCP-IP 。若功能足够强大，便携式编程装置也可同时向多个设备加载配置文件。此时数据交换不采用多播方式，而是IP层上的点对点模式（UNICAST ）。这些IP地址来自一个B级子网，最后两个字节表示飞行类型、机号、系统类型和位置。Unicast 地址图对于一个给定的飞机而言是固定不变的，在SABRE 数据库中有详细定义。下载模式中，L2/L3/L4 系统需支持ARP，以便解决IP到MAC 层面过程中的设备识别问题。L3 交换机具有自学习功能，能分析流经它的数据包，建立自己的Unicast MAC 表。2003 欧洲遥测会议论文集文件号TF05-NEW TEH-001 版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 IENA 的特点?静态多址传送如上说述，机载飞行试验测试局域网在很大程度上依赖多点广播寻址技术，而很少使用静态配置。该模式在很多工业领域有类似应用。动态多址传送需使用IGMP技术，而这对于L2层的很多系统（如KAM-500）而言是无法实现的（无微处理器和操作系统）。静态多址传送技术有利于减少IGMP的传输错误，这对于飞行试验这样的机载实时应用场合尤为重要。?不采用动态协议尽管有些动态协议有利于提高整个测试网络的性能，但我们仍在尽可能地避免采用这些传输协议，以确保IENA数据包的正确传输。 IGMP 、STP 、私有协议（CDP）被禁止在机载测试网络中使用。唯一的例外是：下载模式中，需要用到ARP协议；系统调试时需要使用ICMP 协议。?IP 地址固化在管脚上为避免机上编程加载过程中出现不必要的麻烦，许多L2系统在其以太网输出端口的管脚上固化了IP 地址（如KAM-500 ETH/001上用32个管腿定义IP地址），这样一旦接入局域网，能被系统自动识别，之后即可通过网络完成编程加载工作。?网络冗余传统的飞行试验测试系统中，L4层的大容量数据存储器为双备份。一方面便于进行事后分析，另一方面提高了系统的可靠性。这种冗余的做法可以很方便地移植到网络化的飞行试验测试系统中：A380第一架测试原型机上，L2和L4设备上以太网口均为双备份，L3层的设备更是安装了两套。作为备份用的L3设备与第一台设备的设置完全一样，支持相同的通讯列表，两个网络中的数据流完全一致。?物理连接A380机载系统采用了新近开发的机载全双工总线技术，其飞行试验测试局域网也采用了相同的物理连接。L3/L4 设备的接口作了专门改装以适应AFDX 总线的接插件和电缆。测试系统被看作是飞机的一种航电系统，布线与机上其他系统同步进行。2003 欧洲遥测会议论文集文件号TF05-NEW TEH-001 版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 挑战?技术挑战起初，我们研究了采用ATM技术在L3和L4之间传输IENA 数据包的可能性，但最终放弃了这种方案，而选择了带有交换机的以太网。原因如下：首先ATM架构复杂而且昂贵。其次，以太网已在全球各地广泛使用，坚定了我们采用这种技术的决心。?服务质量对飞行试验测试局域网而言，首先必须保证从L2到L4传输过程中不丢失数据，否则试飞的测试结果将会受到质疑。一方面PCM技术预先定义好了数据交互的格式和时序，周而复始地传输数据，且严格受控。其缺点是系统效率低，在半双工模式下工作，只能实现点对点通讯。另一方面，采用以太网技术提高了系统性能，改善了灵活型（异步传输、多种数据流量），但必须对数据流量和传输延迟严格控制，并确保不能出现通讯堵塞。为实现对服务质量的管理，在L2设备中定义了一些网络监视参数，用来实时监控或事后分析L3和L4的工作状态和质量。另外，SABRE 数据库中定义了系统各个环节的配置信息，通过精确定义参数的采样率、数据包的长度和传输时序，网路上的数据传输状况能够被预测和分析。空客测试小组进行了针对性研究，给出了每一种配置下系统正常/不正常的评判依据。 适应现有的飞行测试系统在此之前，以太网技术在飞行试验中并不常见，空客公司以及我们的供应商必须面对这个挑战。整个系统中灵活性比较差的是L2，因它们大多在机载测试局域网出现之前就已被研发并广泛应用了，同时它们所采用的技术（很少使用微处理器和操作系统）与以太网还有一段距离。总之，这些采集系统各自不同（多种信号的采集，AFDX, 数字量， RSxxx, 模拟量 来自多个供应商），但必须制定一个统一的规则，使它们能融合进测试局域网。空客公司要求供应商在现有设计的基础上，必须增加以太网功能。?设备更新与淘汰飞行试验的进程要延续几十年，如空客A320 01 架15年前首飞，到现在仍在进行飞行试验。商用货架产品的寿命通常只有5年，而同一型号的网络交换机在供应商的手册上保留的时间不超过2年。对于所有货架产品，尤其是网络交换机，我们尽可能选择并使用标准的以太网功能，以确保可延续性。即便日后该型号停产，这些功能仍然能被新产品所支持。2003 欧洲遥测会议论文集文件号TF05-NEW TEH-001 版别1 名称A380 试飞架构-中文翻译版.DOC 日期2005-08-11 A380 之后会如何? 网络化的IENA 构架使A380飞行试验能力提高了多少？A3