2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1名稱A380 試飛架構-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 A380 飛行試驗架構：網絡化的IENA 從脈沖編碼調制（PCM ）到以太網 空客集成測試中心摘要自協和號客機和空客A320 適航取證結束后，空客公司飛行試驗的總體測試架構一直沒有變化，但是采集、記錄與分析系統之間的數據通訊方式卻隨著測試技術的發展，不斷地推陳出新。以下需求和變化導致了飛行試驗測試系統的不斷革新：飛機上所要測試的參數越來越多，而且模擬信號帶寬越來越大。數據共享的需求：記錄系統、飛行數據分析系統以及遙測系統需要共享某些測試數據。整合來自不同測試系統或不同領域的數據的需求：標準寬帶模擬信號、ARINC429, AFDX, RSxxx，開關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準技術，以減少開發和維護的費用。A340-500/600試飛時，通過重復采用標準的采集和記錄系統，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展：采用統一的架構整合適合于各種工作環境的測試、記錄和分析系統。首先定義了一個統一的數據傳輸協議：IENA 數據包；其次合并來自各種采集系統的數據包，并向數據記錄器和數據處理系統分發。本文將討論由空客公司系統測試部門定義的”飛行試驗測試局域網（FTI LAN）”，它能將A380以及今后其他飛行試驗中所產生的測試數據優化組合，靈活地向各種系統發送，同時確保數據的完整性和保密性。關鍵字A380，飛行試驗，IENA ，以太網，網絡2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構-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 地址解析協議ATM Asynchronous Transfer Mode 異步傳輸模式CDP CISCO Discovery Protocol CISCO 設備檢索協議COTS Component Of The Shelf 貨架產品FANS Future Air Navigation System 未來空中導航系統FTI Flight Test Installation 飛行試驗改裝FTP File Transfer protocol 文件傳輸協議ICMP Internet Control Message Protocol 因特網控制消息協議IENA Test Installation for New Aircrafts 新飛機測試改裝IGMP Internet Group Management Protocol 因特網組管理協議IO Input / Output 輸入/輸出IP Internet Protocol 因特網協議LAN Local Area Network 局域網PCM Pulse Code Modulation 脈沖編碼調制QoS Quality Of service 服務質量SABRE FTI Data Base for A380 A380 試飛數據庫SNMP Simple Network Management Protocol 簡單網絡管理協議STP Spanning Tree Protocol 消息樹協議TCP Transmission Control Protocol 傳輸控制協議TFTP UDP Trivial File Transfer protocol User Datagram Protocol 用戶自尋址協議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-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 傳統飛行試驗測試系統方案20多年來，飛行試驗測試系統架構變得越來越復雜。為滿足新的需求，工程師們總是在現有系統上不斷添加新的設備和子系統。一旦出現技術壁壘，最經濟、最穩妥的方法便是增加新的采集和記錄子系統（圖一即為典型系統框架）。這種處理方法在“未來空中導航系統”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 飛行試驗測試系統框圖為滿足各種不同測試任務（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，通常不進行數據交換。這種方法，除去非常有限的數據流量之外，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。數據格式各不相同，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，這些直接導致了各分系統之間無法實現數據的融合和交互。傳統飛行試驗測試系統的架構，采用了一種從遙測領域引進的數據傳輸協議（脈沖編碼調制），其本質是按照一定的節拍（如800K位/秒）周期性地傳輸所有測試參數。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-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準PCM 碼速率為：786,432K 位/秒用一臺4 通道PCM數據記錄器存儲測試數據，或者在飛機上解碼并實時分析。A380試飛對數據采集、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，采用最新技術搭建一個開放、穩定、高效且具備很好可擴展性的測試系統。全新的IENA 架構IENA 架構（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）轉換為可測量的電學信號：電壓或電流。某些L1設備還含有部分L2功能：濾波、模數轉換 L2 （第二層）：采集層L2層的系統主要與模擬量、數字量和開關量打交道。它們負責完成以下任務：-模擬量采集：傳感器標校、模擬濾波、參數采樣、A/D 轉換以及有限的數學運算。-數字量：分類、篩選、過濾-所有參數：時間標記，數據整合（形成IENA 數據包）,挑選發往其他設備的數據包。L3 （第三層）：數據提煉層L3 是 IENA 所特有的層，它接收所有L2發來的數據流，提煉后再發送給L4。L3不更改數據，它所做的僅僅是與其他設備通訊，復制并發送接收到的數據幀。該功能由標準以太網交換機完成。L4 （第四層）：記錄和分析層L4 的系統是飛行測試數據的最終使用者，它包括：-大容量數據存儲器：用于地面事后分析。-機載分析計算機：完成數據的預處理和顯示（實時+事后）。-遙測SABRE 飛行試驗數據庫記錄了所有分系統的配置信息，描述了所有測試參數：從其物理定義直到它在IENA 數據包中的位置。2003 歐洲遙測會議論文集文件號版別1 名稱A380 試飛架構-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 圖二、A380 飛行試驗測試系統總體框圖基于以太網的局域網在圖二中可以發現，L3 是測試系統相互通訊的核心部分。一個帶有網絡交換機的局域網，將L2 和 L4連接到一起。圖三、A380 飛行測試系統局域網（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-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 L3 交換機能將來自不同系統的數據流復制并轉發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（標準測試鏈路、寬帶信號測試鏈路和事故采集/記錄鏈路）之間分享數據。見圖三。工作原理IENA局域網采用標準網絡交換機（CISCO 2950 系列）實現100M以太網全雙工架構。該網絡支持兩種不同的工作模式，以適應不同的數據流動需求：采集模式采集模式為系統的缺省模式，每個系統上電后能自動處理采集到的數據。該模式下數據的主要流程是：L2采集各種試驗數據，形成IENA數據包，通過L3最終傳輸給L4。數據傳輸通過多點傳送方式完成（L2和L4采用UDP-IP 協議，而L3采用MAC 協議）。多點傳送使得L2上的一個設備能將數據發送給L4上的多個設備。點對點的數據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“多播目標地址組”，它們與L4上的接收端一一對應。這些多播IP地址來自一個私有的D級子網，最后一個字節是多播目標地址的組號。多播目標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 數據庫詳細定義了這些地址。（見圖四）接收設備與網絡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準。多播目標地址組組號對應的IP多播地址至標準測試系統（STD） L4 的參數GR 10 0 至寬帶模擬量測試系統（WB） L4 的參數 GR 20 0 至事故采集/記錄系統（CRASH） L4 的參數 GR 30 0 至STD + WB L4 的參數 GR 12 2 至STD + Crash L4 的參數GR 13 3 至WB + Crash L4 的參數GR 23 3 至STD + WB + Crash L4 的參數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-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 下載模式飛機在地面檢查或調制過程中，需要將某個系統（L2/L3/L4 ）切換至下載模式。因所有系統獨立工作，采集和下載模式可以在機載系統中同時并存。該模式的主要數據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 設備。供貨商可自由選擇以太網通訊協議。A380測試系統支持：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備加載配置文件。此時數據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，最后兩個字節表示飛行類型、機號、系統類型和位置。Unicast 地址圖對于一個給定的飛機而言是固定不變的，在SABRE 數據庫中有詳細定義。下載模式中，L2/L3/L4 系統需支持ARP，以便解決IP到MAC 層面過程中的設備識別問題。L3 交換機具有自學習功能，能分析流經它的數據包，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-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 IENA 的特點?靜態多址傳送如上說述，機載飛行試驗測試局域網在很大程度上依賴多點廣播尋址技術，而很少使用靜態配置。該模式在很多工業領域有類似應用。動態多址傳送需使用IGMP技術，而這對于L2層的很多系統（如KAM-500）而言是無法實現的（無微處理器和操作系統）。靜態多址傳送技術有利于減少IGMP的傳輸錯誤，這對于飛行試驗這樣的機載實時應用場合尤為重要。?不采用動態協議盡管有些動態協議有利于提高整個測試網絡的性能，但我們仍在盡可能地避免采用這些傳輸協議，以確保IENA數據包的正確傳輸。 IGMP 、STP 、私有協議（CDP）被禁止在機載測試網絡中使用。唯一的例外是：下載模式中，需要用到ARP協議；系統調試時需要使用ICMP 協議。?IP 地址固化在管腳上為避免機上編程加載過程中出現不必要的麻煩，許多L2系統在其以太網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，能被系統自動識別，之后即可通過網絡完成編程加載工作。?網絡冗余傳統的飛行試驗測試系統中，L4層的大容量數據存儲器為雙備份。一方面便于進行事后分析，另一方面提高了系統的可靠性。這種冗余的做法可以很方便地移植到網絡化的飛行試驗測試系統中：A380第一架測試原型機上，L2和L4設備上以太網口均為雙備份，L3層的設備更是安裝了兩套。作為備份用的L3設備與第一臺設備的設置完全一樣，支持相同的通訊列表，兩個網絡中的數據流完全一致。?物理連接A380機載系統采用了新近開發的機載全雙工總線技術，其飛行試驗測試局域網也采用了相同的物理連接。L3/L4 設備的接口作了專門改裝以適應AFDX 總線的接插件和電纜。測試系統被看作是飛機的一種航電系統，布線與機上其他系統同步進行。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-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 挑戰?技術挑戰起初，我們研究了采用ATM技術在L3和L4之間傳輸IENA 數據包的可能性，但最終放棄了這種方案，而選擇了帶有交換機的以太網。原因如下：首先ATM架構復雜而且昂貴。其次，以太網已在全球各地廣泛使用，堅定了我們采用這種技術的決心。?服務質量對飛行試驗測試局域網而言，首先必須保證從L2到L4傳輸過程中不丟失數據，否則試飛的測試結果將會受到質疑。一方面PCM技術預先定義好了數據交互的格式和時序，周而復始地傳輸數據，且嚴格受控。其缺點是系統效率低，在半雙工模式下工作，只能實現點對點通訊。另一方面，采用以太網技術提高了系統性能，改善了靈活型（異步傳輸、多種數據流量），但必須對數據流量和傳輸延遲嚴格控制，并確保不能出現通訊堵塞。為實現對服務質量的管理，在L2設備中定義了一些網絡監視參數，用來實時監控或事后分析L3和L4的工作狀態和質量。另外，SABRE 數據庫中定義了系統各個環節的配置信息，通過精確定義參數的采樣率、數據包的長度和傳輸時序，網路上的數據傳輸狀況能夠被預測和分析。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正常/不正常的評判依據。 適應現有的飛行測試系統在此之前，以太網技術在飛行試驗中并不常見，空客公司以及我們的供應商必須面對這個挑戰。整個系統中靈活性比較差的是L2，因它們大多在機載測試局域網出現之前就已被研發并廣泛應用了，同時它們所采用的技術（很少使用微處理器和操作系統）與以太網還有一段距離。總之，這些采集系統各自不同（多種信號的采集，AFDX, 數字量， RSxxx, 模擬量 來自多個供應商），但必須制定一個統一的規則，使它們能融合進測試局域網。空客公司要求供應商在現有設計的基礎上，必須增加以太網功能。?設備更新與淘汰飛行試驗的進程要延續幾十年，如空客A320 01 架15年前首飛，到現在仍在進行飛行試驗。商用貨架產品的壽命通常只有5年，而同一型號的網絡交換機在供應商的手冊上保留的時間不超過2年。對于所有貨架產品，尤其是網絡交換機，我們盡可能選擇并使用標準的以太網功能，以確保可延續性。即便日后該型號停產，這些功能仍然能被新產品所支持。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-中文翻譯版.DOC 日期2005-08-11 A380 之后會如何? 網絡化的IENA 構架使A380飛行試驗能力提高了多少？A3