飞行控制系统测试技术体系架构研究

飞行控制系统（以下简称“飞控系统”）作为航空器中最复杂、最关键的系统之一，起到保证飞行器操纵性和稳定性、提高完成任务能力与飞行品质、增强飞行安全和减轻驾驶员负担的作用，是整个飞行器的大脑。飞控系统测试技术涉及飞控系统产品设计过程中的测试、试验过程中的测试、生产过程中的测试、飞行过程中的测试和地面维护保障过程中的测试，是取得飞控系统产品定性或定量信息的一种基本途径和方法。

我国在役的非民用飞机涵盖了从第二代到第四代机型，伴随的飞控系统从机械操纵系统、增稳与控制增稳系统、电传操纵系统逐渐向飞行管理系统发展。这个过程中，与之相适应的测试环境从第一代基于仪器仪表的功能测试箱，到第二代系统综合试验柜，再发展到第三代双网络实时测试环境，可以基本满足飞控系统研发和批产阶段的测试验证要求。然而，为适应下一代飞控系统测试验证，测试环境应该是什么样的？测试技术应该有哪些新的突破？测试验证技术与能力是否可以完全覆盖设计需求，甚至通过测试反过来发现设计的缺陷？目前无法给出准确答案。

国内的飞控系统测试技术一直是随着飞控系统型号研制来开展工作，根据型号验证需要进行测试，测试技术未能从顶层和整体加以考虑，尚未形成体系化发展和引领局面。没有体系引导的测试技术研究工作不仅与飞控系统的发展需求不相匹配，也无法对飞控系统研制能力的提高起到有效的推动作用。目前，国内各大主机构、科研院所和高校关于飞控系统测试技术体系的研究尚属空白。由于没有体系的引导，飞控系统测试仍然是跟随型号和验证计划进行。

国外的各大飞机制造商，例如洛克希德、空客、波音等公司都建立了各自的民用或非民用航空器测试技术体系，然而由于技术封锁和涉及机密，无法直接被我国科研人员获取和参考。公开的文献大多是关于自动测试系统、自动测试语言、典型飞机的机载测试系统架构，以及飞机地面试验测试内容介绍的，没有系统的关于测试技术体系的相关资料。测试技术是一项大而全的集合，如果飞控系统测试技术体系架构可以建立，将为相关验证所需的测试技术梳理出清晰的脉路，从而起到测试牵引和助推飞控系统研制的作用。然而，构建飞控系统测试技术体系是一项复杂的工程。从飞控系统分类看，有机械操纵系统、增稳与控制增稳系统、电传操纵系统、光传操纵系统；从适配飞机的种类看，有固定翼飞机、旋翼飞机、无人机、轰运飞机等；从飞机的用途看，有军机和民机；从作战任务看，有不同型号不同任务类型的飞机。

每一种飞机上的飞控系统组成都不相同，飞控系统的设计都不相同，飞控系统测试验证的需求都不相同。而飞控系统本身就有功能多、性能指标严格、交联关系复杂、信号种类繁多的特点。因此，对不同飞控系统测试技术进行梳理、归纳，构建统一的飞控系统测试技术体系架构，将是一项复杂、庞大且烦琐的工作。

近些年来，国内虽然没有直接关于飞控系统测试技术体系的研究，但是已经有研究机构开始有计划、有重点地逐步开展航空器测试技术体系的归纳和研究，并提出了一些研究思路和体系构建方法，为航空器具体产品的测试技术体系构建提供了规范化的指导。

本文拟针对航空器中的飞控系统，构建飞控系统测试技术体系，以使得飞控系统测试验证具有理论、体系的支撑，从“型号牵引测试”向“测试推动型号”发展转变。另外，也期望通过航空器典型产品测试技术体系的构建，逐步扩展到其他机载产品的测试技术体系构建，最终将所有产品的测试体系进行融合，建立整个航空器测试技术体系。

测试技术和测试对象是强相关的，研究测试技术体系不能脱离测试对象凭空想象，一定是以某一典型产品为对象，研究其测试关键技术和发展路线，通过分析、提炼、归纳，形成典型产品的测试技术体系。建立飞控系统测试技术体系是一项复杂的分析过程，需要从５个方面进行分析。

1、从飞控系统的功能角度分析。飞机按类别可划分为：固定翼飞机、旋翼飞机、轰运类飞机、无人机等。基于在研的各类飞机飞控系统研制情况，飞行控制系统根据功能类别可大致划分为：传感器分系统、计算机分系统、伺服作动分系统等，不同机型的飞控系统组成不完全相同，具体机型需要具体分析，但是从大的功能上可按上述类别进行划分。

2、从飞控系统试验角度分析。在研飞控系统试验按照大类可分为：部件试验、子系统试验、系统综合试验、鉴定试验、铁鸟试验、机上地面试验、飞行试验等。每类试验又包含若干子类和不同试验项目。

3、从飞控系统试验对测试的需求角度分析。飞控系统各类试验开展都需要若干测试技术支撑。例如要进行计算机接口测试，就要对计算机进行供电，对进入计算机的信号进行仿真，对计算机输出信号进行采集和分析；要进行故障注入试验，就要对不同互联系统之间的信号进行断开和接通。通过梳理相关试验对测试的需求，就形成了飞控系统试验对测试的需求，包括信号类型、范围、采样速率、测试精度要求、测试环境需求等。

4、从测试技术自身发展现状分析。飞控系统测试技术以通用测试技术为基础，可以梳理出来相关的为满足在研及未来型号需求的现有测试技术、方法和手段，以及测试技术遵循的标准和规范，按照技术类型形成各条技术脉络。

5、从测试技术发展趋势分析。飞控系统架构逐渐从集中式控制架构到分布式控制架构发展，从飞控系统向飞管系统发展，架构变化、试验方法变化必然会引起测试技术的变化。另外，测试技术本身发展变化对飞控系统验证也起到了推动作用。梳理出来的各条测试技术，抛开具体测试对象，从其自身维度看，也存在进一步发展的方向路线。

2.1 统一数据传输服务

基于上述分析，拟以飞控系统功能划分为出发点，遵循系统功能层、试验需求层、测试技术实现层、测试技术验证层、标准规范层、测试技术产品层的分类方式，分析并构建飞控系统测试技术体系架构，各层次之间的关系如图１所示测试现场及各仪器的连接方式如图4所示。采用ATI Delta六分量传感器测量涵道风扇的气动力，使用Eagle Tree转速传感器进行转速测量，并由稳压电源供电，由电调将直流电转换为交流电。

系统功能层将飞控系统按照功能划分为若干分系统，各分系统又包含了子系统、部件等。

为验证各系统及部件的功能和性能，提出验证需求，通过部件试验、系统试验、系统集成试验、鉴定试验、铁鸟试验、机上地面试验等进行验证。梳理这些试验，需求颗粒度从大到小、逐级分解，最终形成各条功能测试需求、性能测试需求以及不同测试参数种类和测试原理方法，构成了试验需求层。试验需求层对所需测试技术提出直接需求。

测试技术实现层以通用测试技术为基础，全面梳理不同飞控系统测试所需的共性测试技术，按照单点测试技术和系统测试技术两个层次构建测试技术实现层框架。测试技术实现层一方面支撑系统试验的开展，另一方面，从测试技术自身发展的角度对系统验证提出新的要求。

测试技术验证层根据测试技术实现层归纳出来的测试技术种类，形成满足测试技术开发、测试产品研制和应用需求的测试技术验证能力平台。

测试技术产品层以测试技术实现层中物化的测试设备结合试验需求层对测试产品的要求形成飞控系统专用的测试设备产品。

标准规范层向上对试验需求层中涉及到的试验方法提出要求和约束，对测试技术实现层中的测试方法提出要求和约束，向下结合产品研制工艺，共同形成产品研制规范，用于指导和规范测试技术产品层中的产品研制。

系统功能层、技术验证层、标准规范层和测试技术产品层之间相互关联，共同构成了飞控系统测试技术体系架构。

３.１ 系统功能层

以某型民用飞机的数字型电传飞控系统为例，飞控系统根据功能可分为座舱操纵系统、主飞控电子系统和伺服作动系统，如图２所示。

各个外场可更换单元的功能通过不同形式组合形成飞控系统的各项功能需求，例如俯仰／偏航基本控制功能、人工／自动配平功能、迎角保护及告警功能、过载保护及告警功能、发动机失效补偿功能等。针对飞控系统的各项功能，对每条功能进行充分验证。

需要说明的是，非民用飞机和民用飞机在使用环境、任务需求、安全性要求等方面有所不同。民用飞机的首要关注点是安全性、经济型和舒适性。因此，二者飞控系统的组成也不尽相同。但从功能大类上划分，非民用飞机和民机飞控系统类似，即可分为传感器分系统、计算机分系统、伺服作动分系统和控显分系统。

３.２ 试验需求层

试验需求层需要验证飞控系统的各项功能，覆盖从部件到系统的各个层次。按照部件、子系统、系统、全机的层次，分别要开展部件试验、子系统试验、系统集成试验、鉴定试验、铁鸟试验、机上地面试验和飞行试验。各阶段试验都要对功能、性能和逻辑控制进行充分验证。

以飞控系统集成试验为例，为验证系统设计的各项功能，一般需要进行的试验如表１所示。

每类试验都包含了非常多的测试项，在此不能逐一列出。各试验项目对验证所需的测试技术进一步提出明确的需求，包括信号的适配、断连、隔离、仿真、切换、采集、解析、监控、交互等需求，包括软件的组成需求、各个软件实现的功能需求、性能需求和逻辑控制需求等。

３.３ 测试技术实现层

测试技术实现层以通用测试技术为基础，按照单点测试技术和系统测试技术两个层次构建测试技术实现层框架。单点测试技术以信号激励、数据采集、数据处理和数据交换等技术为划分依据确定测试单元技术谱系。系统测试技术通过各项单点测试技术的综合集成，以系统结构设计技术、接口适配技术、测试软件设计技术、自动化测试技术、诊断测试技术、智能测试技术等为划分依据确定系统测试技术谱系。测试技术实现层组成框图如图３所示。

为了便于说明，图３按三级结构对测试技术进行划分，实际上还可继续划分第四层、第五层等，每项技术的实现包含了诸多实现方法、理论的支撑。例如，在第三层中，实时通信技术又包括了反射内存网技术、ＤＤＳ实时网络技术、ＲＴＸ实时操作系统技术、ＱＮＸ实时操作系统技术ＬａｂｖｉｅｗＲＴ操作系统技术等。

数据分析技术包括了数字滤波法、时域分析法、频域分析法、小波分析法等实现方法；而其中的频域分析法包括最大熵谱分析法、自回归模型谱估计法、谐波分析法和最大似然法等。

数据挖掘技术包括了人工神经网络、遗传算法、决策树和粗糙集等实现方法。

总线传输技术包括了USB总线、PCI总线、PXI总线、PXI-E总线、CPCI总线等传输技术。进一步，根据总线应用类别可以分为：ARINC 429总线、ARINC 664总线、MIL-STD-1533B总线、1394B总线、CAN总线等。

测试技术实现层一方面支撑系统试验的开展，另一方面，测试技术自身的发展对系统验证的完善也起到有效推进作用。例如自动断连、切换以及脚本技术的发展和实现支持在闭环试验中以时间线为顺序，较为精确地模拟飞机在地面或空中不同时刻的操作或注入故障对飞机的影响，提升试验验证的准确性；诊断测试技术和智能测试技术的发展将有效推动故障预测与健康管理技术从理论研究向实际应用的跨越转变。

３.４ 测试技术验证层

测试技术验证层对测试技术实现层中各项技术在投入应用前对其功能、性能、成熟度等通过搭建不同的能力平台进行测试验证。

例如，要验证1394B总线通信技术，首先要进行硬件平台搭建，需要一到两台工控机、两块1394B仿真板卡以及测试线缆完成拓扑连接。其次，要熟悉1394B总线协议，包括寻址、协议层划分、传输方式、工作时序、帧格式等。最后，进行软件编码。这些构成了验证1394B总线通信技术的测试验证平台，通过搭建的测试技术验证平台完成对该项测试技术所涉及到的功能性能指标的验证。

图3测试技术实现层组成框图

不同的测试技术验证方法不完全一致，有的需要搭建简单的硬件平台，软硬件结合验证；有的仅需要通过软件平台方式进行验证。不管是哪种验证方式，各项测试技术从理论到实际应用前都需要经过测试平台的验证。

３.５测试技术产品层

测试技术产品层以测试技术实现层中物化的测试设备，结合试验需求层对测试产品的要求，形成覆盖需求的飞控系统专用测试设备产品。被测飞控系统根据产品研发的不同阶段接入不同的测试设备，以此来验证飞控系统设计的各项功能、性能和逻辑。测试产品谱系按照模块级测试产品、系统级测试产品和综合级测试产品为框架进行构建，如图４所示。

模块级测试产品以测试技术实现层中各项通用测试技术的组合为基础，通过测试技术验证层平台进行验证，物化形成模块级产品，包括信号适配模块、信号处理模块、电源控制模块等。

各模块级产品通过软硬件综合，形成面向不同对象的系统级测试产品，包括面向综合验证的系统试验平台、面向批产的敏捷交付平台、面向质量和适航的鉴定试验平台、面向专项技术验证的小型验证平台、面向外场维护的便携试验设备等。

目前，飞机的导航、制导与控制系统正在向ＧＮＣ系统逐渐转变，面向未来飞控系统的发展，测试技术也正朝着自动化、网络化、智能化的方向发展。逐步实现基于网络的远程测试平台，测试数据、资源的共享，远距离诊断和维护平台，依据专家知识和人工智能技术形成的自主决策和判断的智能测试系统，以及基于物联网的自主保障信息系统等，为飞控系统智能测试和保障提供重要支撑。

３.６ 标准规范层

标准规范层对构成测试技术体系的各层级进行约束，包括了以下３个概念。

1、试验标准。试验标准是由行业标准、内部标准和经过审批的任务书、设计方案、技术规范等组成的试验大纲，对试验需求层中各项试验需求实现的方法提出要求和约束。

2、技术规范。技术规范包括了测试技术实现层中各项测试技术在实现过程中所遵循的软硬件标准，既包括国标、国军标、国际标准，也包括内部的标准和规范。

3、产品研制规范。试验标准、技术规范，以及产品研制工艺三者结合，共同形成满足飞控系统测试验证的产品研制规范，用于指导和规范测试技术产品层中的产品研制。

从国内外航空测试技术研究现状出发，以飞控系统为对象，从几个方面分析了飞控系统测试技术，最后基于层次化结构构建了飞控系统测试技术体系架构，并详细说明了各层次所包含的内容和各层次间的关系，填补了国内飞控系统测试技术体系架构研究的空白，为飞控系统测试技术的研究提供了一定的理论支撑。

（文章来源：《测控技术》，作者单位：航空工业西安飞行自动控制研究，作者：任琦，陈永刚，黄飞）