（精密仪器及机械专业论文）飞行数据译码及其分析应用.pdf

中文摘要 本文首先介绍了飞行数据记录的历史及现状，然后说明了飞行数据记录的原理及 其实现，并针对我田民航的实际情况，对q a r 光盘进行了实际的译码及分析应用 研究，开发了飞行数据译码及分析应用系统：采用计算机仿真和动蕊技术对飞行数 据进行了多角度，全方位的分析和应用。如：飞行参数曲线显示、飞行座舱仪表再 现、飞行航迹再现、飞行事件及飞行技术分析、发动机状态分析等等经验证，本 系统可以应用于民航相关部门，进行日常监控及为事故调查和分析提供科学的依据 文中还对今后我国飞行数据的应用提出了若干构想和建议。 关键词： 飞行数据、飞行数据记录器、快速读取记录器、译码、状态监控、动态再 现 一墨堡鍪塑堡里墨基坌堑皇里 - _ - _ 一 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ff l i g h td a t ar e c o r di sb r i e f l yi n t r o d u c e df i r s t ，t h e n e x p l a i nt h e b a s i ct h e o r ya n dt h er e a l i z a t i o no ft h ef l i g h td a t ar e c o r da n df l i g h td a t a i d e c o d e a i m m i n g a tt h e a c t u a ls i t u a t i o no fo u rc i v i la v i a t i o n ，w e d e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l y t h ef l i g h td a t ad e c o d ea n d a n a l y s es y s t e m i n t h i ss y s t e m ，w ef i r s tr e a l i z e t h ef u n c t i o nt h a tt h eo r i g i n a ld a t aa c q u i r e df r o mq a rb et r a n s l a t e di n t o e n g i n e e r i n g d a t a ；t h e n r e c o n s t r u c tt h e s ed a t ai nf o r m s ；c u r v e sa n dg r a p h i c sb yu s i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o na n da n i m a t i o nt e c h n o l o g y ；a n dt h e s ed a t aa l s oo f f e rt h eb a s e sf o r m o n i t o r i n g f u n c t i o ni nd a i l yw o r ka n df o rt h ea n a l y s i si na c c i d e n t s a n df i n a l l yt h i sp a p e rp u t s f o r w a r ds o m ec o n c e i v ea n d s u g g e s t i o no n o u r c o u n t r y sn i g h t d a t aa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：f l i g h td a t a ；f l i g h t d a t a r e c o r d e r ；q u i c k a c c e s s r e c o r d e r ； d e c o d e ；s t a t u sm o n i t o r ；d y n a m i cv i s u a l i z e 2 壹室堕窒塾茎奎堂堡主兰垡堡茎 图表清单 图 1图1 一lm k i i 型记录系统2 2图1 2 扩展m k i i 型记录系统3 3图1 3m k i i i 型记录系统4 4图2 1 典型a r i n c 5 4 2 帧结构7 5图2 2 飞行数据记录系统组成1 l 6图2 3d f d a u 原理方框图1 2 7图2 4 哈佛双相波形1 3 8图2 5d f d r 工作原理图1 4 9图2 6a c m s 机载系统构成1 7 l o 图2 7 q a r 记录模式1 9 1 1图2 8 a c m s 使用的空地数据链2 1 1 2 图3 1 译码设备硬件组成2 2 1 3 图3 2 飞行数据译码及分析应用系统的软件设计框图2 3 1 4 图3 3 线性内插流程图3 d 1 5 图3 - - 4 译码数据结果3 5 1 6 图3 - - 5 减速板手位置曲线图4 2 1 7 图3 - - 6 事件报告方框图4 3 1 8 图3 - - 7 技术报告方框图4 4 1 9 图3 8 飞行曲线再现4 5 3 堑墼塑堡里垄茎坌塑壁旦 2 0 图3 9 发动机仪表仿真4 6 2 1 图3 1 0 驾驶舱仪表仿真4 7 2 2 图3 1 1 飞行航迹再现4 7 2 3 图3 1 2 三维动态仿真4 8 2 4 附图1 发动机状态报告5 l 2 5 附图2 飞行事件报告5 2 2 6 附图3 飞行技术报告5 3 表 1 表2 1 a r i n c 5 7 3 帧结构8 2 表2 2 a r i n c 5 7 3 标准同步字8 3 表2 3 a r i n c 7 1 7 标准同步字9 4 表2 4 波音7 4 7 4 0 0 发动机数据超级帧1 0 5 表2 5 三轴加速度计的输入一输出特性。1 6 6 壹室堕窒堕丕盔堂堡主兰堡垒壅一 第一章绪论 1 1 飞行数据的重要性 自从人类飞上蓝天以来，安全问题就是人们所关注的焦点之一。 探讨飞行安全问题是一项复杂的系统工程，它涉及到飞机和发袭机运动的各个 环节，这就需要及时、全面地对飞机的飞行数据进行监控。 今天，飞行数据已经不只限于飞行事故的分析与调查，在以下各方面也发挥着 重要的作用： 在飞机设计中，可充分利用样机、原理机上所记录的大量数据( 如载荷谱、 大气状态对飞机性能的影响、故障及应急状态下的飞行规律等) 来指寻飞机的设计， 使飞机有更好的安全性能和经济效益； 在试飞中，可利用记录的飞行数据分析、排故，消除飞机上自各种隐患； 在飞行员培训中，可利用飞行数据记录器所记录的数据来评定飞行员的驾 驶技术，确保训练质量； 航空公司对飞机的使用和维护过程中，可利用飞行数据记录器所记录的数 据，快速准确地判明飞机的故障、飞机性能及发动机性能的变化趋势，以便制定合 理的维修周期和维修重点，进行“视情维修”； 1 2 飞行数据记录的历史及现状 1 2 1 飞行数据记录器f d r 2 0 世纪4 0 年代，人们已经重视对飞机的飞行性能和飞行状态的记录，在飞机上 装有简单的记录器。当飞机发生飞行事故时，根据记录的飞行状态参数分析事故原 因。故飞机坠毁之后，无论如何要找到飞行记录器。寻找记录器的人可能从事各种 职业，不知道什么是飞行记录器，又由于当时的记载设备都是黑色的，所以记者在 报道事故时，只能以“黑匣子”为名进行报道。如今，黑匣子已不再是黑色的了， 而是国际通用的橙红色，但人们仍然习惯地称飞行记录器为“黑匣子“。 记录器的初期阶段，只对少量几个基本参数进行记录，如k 3 - - 6 3 型记录器，只 记录飞行高度、指示空速及飞机的垂直加速度等。飞行记录器中测量高度及空速的 原理与一般机械式高度表和空速表原理相同，即利用弹性膜盒的变形，通过传动机 构进行测量和记录。垂直加速度的记录是利用弹性平衡的原理进行的，弹簧的弹性 力与惯性力相平衡时，利用弹簧的变形量测量惯性力的大小。记录胶带的移动是由 电机带动的，胶带移动速度是可变的，在垂直加速度大于l g 时，移动速度为4 2 5 2 i 。，；j j j i 。 ! 堑墼塑堡曼墨基坌堑鏖旦 一一一一 毫米，秒，垂直加速度小于l g 时，移动速度为4 2 5 2 毫米，分，1 0 米长的记录胶带 只能供几次飞行记录使用，所以，需要经常更换胶带。胶带是不需要显影的乳化胶 带。 5 0 年代，波音7 0 7 飞机上装有钢带记录器，它能连续记录高度( - 1 0 0 0 - - 5 0 0 0 0 英尺) 、空速( 1 0 0 - - 4 5 0 海里，j 、时) 、垂- a m 速度( - 3 一+ 6 9 ) 、航向( 0 - - 3 6 0 度) 、 航班，日期、事件符号及无线电称呼信号等。为了提高记录精度和划针的驱动力，记 录器各信号系统增加了伺服机构，由电机转角反映信号的大小。记录带是5 英寸宽 的金属带，由不锈钢和镍制作而成，有的采用金属箔带，具有很高的耐机械磨损、 耐热和耐腐蚀能力。记录带由驱动电机经传动机构以6 英寸，小时的恒速运行，带 长1 5 0 英尺，可以两面记录，每面可记录3 0 0 小时。 5 0 年代，在飞行记录中增加了话音记录，这样，飞行记录器包括飞行数据记录 器和话音记录器两个设备。 7 0 年代，电子技术发展很快，数字记录和数据译码设备相继出现。数字记录的 密度和记录速度都相应提高。采集的参数种类大大增加，一般为1 0 0 2 0 0 个，记录 介质一般采用磁带记录器，能保留最近飞行2 5 小时的记录数据，同时磁带可以循环 记录，不需要经常更换记录带。 1 2 2a a 璐 目前，大型飞机普遍采用了比较复杂的飞机状态监控系统( a c m s ) 或称为飞机 综合数据系统( a i d s ) 。飞机状态监控系统是把飞机在飞行中所得到的各种资料做 日常的分析，以得到进一步改善飞机航行结果的综合系统。这种系统的结构变化较 多，从6 0 年代到8 0 年代，相继出现了若干型号，如m k i ，m k i i ，m k i i i ，m k v 型。 m k i i 型记录系统主要由飞行数据采集部件、数字式飞行数据记录器和盒式磁带 记录器等组成，如图l l 所示： 飞行 - i 数字式飞行数据记录器 数据 采集 部件 ，l 盒式磁带记母器 图1 1m k i i 型记录系统 2 塑室堕至堕蒌奎兰堡主兰丝堕奎一 飞行数据采集部件( f d a u ) 完成信号采集、模数转换、格式编排等任务， 所以，f d a u 又称为采编部件，其采集参数一般为1 0 0 2 0 0 个。f d a u 以双相哈佛 脉冲( h a r v a r d ) 格式向记录器传送信息。数字式飞行数据记录器( d f d r ) ，具 有防护壳体，将输入的双相哈佛脉冲格式的数据流以每秒“个数据字( 每个数据字 1 2 位) 记录在磁带上。通常，磁带有6 或8 个磁道，进行连续循环记录，可保留近 2 5 各小时的飞行记录。盒式磁带记录器无防护壳体，磁带拆卸方便，用于维护监控。 扩展m k i i 型飞行数据记录系统的出现是随着新一代宽体大型客机的要求而出现 的。该系统在系统配置上属于a r i n c 5 7 3 规范的记录系统，采用了多个飞行数据采 集部件( f d a u ) ，并增加了以微处理器为核心的数据管理部件( d m u ) ，记载打印 机和控制显示器( c d u ) 。其功能基本达到磁带记录器的完备程度，缺点是布线复杂， 有大量的模拟信号输入。可采集7 0 0 9 0 0 个参数，记录速度加快，每秒可记录2 5 6 个数据字。如图1 2 ： 数字式飞行 数据记录器 数据管理部件 控制显示器 图1 2 扩展m k i i 型记录系统 盒式磁带 记录器 打印机 随着电子技术的飞速发展，许多记载电子系统实现了数字化和微机化，如惯性导 航系统( i n s ) 、大气数据计算机( a d c ) 、飞行控制计算机( f c c ) 、飞行管理计算 机( f m c ) 、性能管理计算机( p m c ) 等都是以微型计算机为核心进行计算、处理 或控制的。因此，综合数据记录系统( a i d s ) 可以直接采集数字信息，没有必要去 采集原始模拟量信号。于是在8 0 年代初期，产生了全数字化的m k i i i 型记录系统， 该系统在系统配置上属于a r n c t l 7 规范。该系统采用了数字式飞行数据采集部件 ( d f d a u ) ，即数字式采编部件，利用a r i n c 4 2 9 数据总线进行数据传输。对发动 机监控信号的采集使用了专用多路调制器( p m u x ) ，信号经多路调制后，直接传输 到以微机为核心的管理控制部件( m c u ) ，从而简化了布线，提高了信号的精度。 一 ! 堡墼塑堡里墨苎坌堑壁旦 其中控制显示器( c d u ) 在软件控制下可以实现人机对话式的显示a 该系统的记录 参数可达2 1 0 0 个之多。如图1 3 所示： 图l 一3m k i i i 型记录系统 注：a r i n c 的由来：美国的航空公司及各种飞机制造一等成立了航空无线电公司 ( a e r o n a u t i c a lr a d i oi n c ) a r i n c 。a r i n c 又组织了航空通信管理委员会， 其中由航线航空公司工程技术人员组成了航空电子工程委员会( a e e c ) ，来制定航 线航空公司使用的电子设备和电子系统标准a r i n c 砚范。 1 2 3q a r q a r ，英文q u i c k a c c e s sr e c o r d e r 的缩写，直译为快速存取记录器，是诸多飞行 数据记录器中的一种( 其它还有：数字式飞行数据记录器( d f d r ) 、固态飞行数据 记录器( s s f d r ) 等) 。它是以数字形式将各种飞行信息( 如：气压高度、空速、襟 翼位置、日期等) 存储在媒介中的记录器。这些信息是通过飞行数据获得组件 ( f d a u ) 、数字式飞行数据获得组件( d f d a u ，d f d m u ) 或数据管理组件( d m u ) 采集的，其记载的数据可通过地面的计算机分析软件进吁译码，使航空公司有关部 门能及时跟踪了解飞机的各部分性能及飞行操纵情况。q a r 一出现，很快成为世界 各航空公司提高安全管理水平，实现科学管理的重要工具之一。目前我国民航飞机 上安装的q a r 一般都是o q a r 装置，即光盘q a r 。它的数据存储媒介为0 - - 6 4 0 m b 的m o 光盘。与其它记录器装置比起来，它具有容量大，体积小，装取光盘方便， 可靠性高，数据还原速度快等优点。 q a r 在航空公司运行中可发挥很多作用，主要包含以下方面： 4 壹塞鉴窒堕丕盔堂堡主堂堡堡苎 一飞行数据译码 这是q a r 的基本功能，也是日常飞行事件调查和机务维护工作中重要的辅 助手段，通过数据译码我们可以了解飞行事件发生时飞机的基本状况，包括飞机 姿态、发动机状态等多种参数，从而判明飞行事件的发生原因或飞机故障原因。 = 飞行操纵品质监控 这是中国民航以适航指令形式强制要求加装改装q a r 的直接目的，意指 通过q a r 记录有关飞行操纵的参数，与飞行操作手册规定的标准值进行比较， 找出偏离标准的项目，航空公司根据监控结果对飞行人员进行有针对的训练和管 理，达到提高飞行人员驾驶技术，保证飞行安全的目的。 三发动机性能监控 q a r 上记录了丰富的发动机性能参数，通过q a r 应用软件，我们可以自动 生成来自于发动机生产厂家的发动机监控软件( 例如e c m ) 所需的数据文件。 既可减轻飞行人员和发动机监控人员的工作量，又提高了数据的准确度。 四运| 行威本分祈 作为一个企业，航空公司应该始终将效益放在重要的位置，挖潜是提高效益 的一个重要手段，而挖潜的一个重要核心，就是要有来源可靠又有保证的统计数 据，q a r 记录了丰富的飞行数据，其中不乏运行成本分析中所必须的数据，如 飞行小时数，发动机运行小时数，发动机油耗等，由于其是实际数据，比理论计 算数据更为真实可靠，而且数据的连续性也更有保证。 1 3 本文的主要研究内容 出于方便考虑，我们的主要工作是对q a r 光盘上的数据进行译码处理和应用研 究。 本文的主要内容是从快速读取记录器( q a r ) 上获取信息，通过信号处理，识 别，恢复和分析，进行飞行状态监控和事件诊断，从而保i t - e 机安全飞行。 主要内容如下： 一研究了飞行数据记录系统的组成，工作原理，飞行数据的记录格式及各种飞 行参数的转换关系。 一给出了飞行数据译码的数学模型，并具体研究了飞行数据译码的算法。 一研究了飞行状态监控系统的组成，工作原理及其应用。 一通过飞行数据译码的结果，进行了飞行数据应用方面的研究，包括：飞行参 飞行数据译码及其分析应用 数曲线，飞行航迹再现，飞行座舱仪表再现，飞机起飞的三维再现，飞行技术评估， 飞行事件报告，并对发动机的状态进行了初步监控研究。 一对飞行数据译码及应用的前景提出了个人的看法。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章飞行数据记录系统 现在飞机上安装的飞行数据记录系统大致上有两种：一是传统的飞行数据记录 系统，即采用“黑匣子”飞行数据记录器作为飞行数据记录装置；另一则是 a c m s ，即飞行状态监控系统，是采用“黑匣子”和q a r 同时进行飞行数据记录的 飞行数据记录系统。 2 1 飞行数据记录的格式 在详细介绍这两种系统之前，先给出飞行数据记录的格式。 飞行数据记录装置的发展经历了从f d r 到d f d r ，以及目前广为应用的q a r 光盘的过程。而磁带记录器的数据记录格式也相应经历了从a r i n c 5 4 2 到a r i n c 5 7 3 再到a r n c 7 1 7 的过程。q a r 光盘是近些年才开始应用的，其记录格式与磁带记录 器的删c 7 1 7 格式相同。 记录信息的编排格式称为帧结构。所谓“帧”是信息记录的一种单位，每帧开 头记录的字为同步字，以确定该帧所记录的内容及数据字的有序排列，不会与其他 帧的信息混淆 到目前为止，飞机上机载磁带记录器有以下三种格式： i 同步字高度( 粗4 高度( 精)空速加速度开关时间l 航向 加速度空白i ij 1 帧( 1 秒) 1 7 3 堡墼塑堡塑墨基坌堑查旦 该格式的飞行数据记录器，所记录的参数较少，帧结构比较简单，一般只记录 飞行高度，空速，航向，垂直加速度，航班，日期编码以及有开关性的离散信号， 只能满足国际民航组织规定的最低事故分析要求。现以美国“仙童”公司生产的飞 行数据记录器f s 0 0 说明其帧结构。如图2 1 所示，f 8 0 0 采用每秒记录一帧，每帧 包括i 0 个数据字，每个数据字为1 2 位字长，记录方式采用哈佛双相编码，同步字 为( a 5 a ) 妒 2 1 2a r i n c 5 7 3 格式 a r l n c 5 7 3 格式是目前国际民用运输机上普遍采用的记录格式之一。 主要特征是：每4 秒记录信息为一帧，每帧分为4 个副帧，每个副帧6 4 个字槽， 每个字槽1 2 位。每个副帧第一字槽用来记录该副帧的同步字，其余字槽编排所要记 录的飞行参数。国际上对于一些重要的飞行参数记录位置有统一的规定，a r i n c 5 7 3 帧结构见表2 一l ： 表2 1a r i n c 5 7 3 帧结构 字槽号副帧1 副帧2副帧3副帧4 0 0同步字1同步字2 同步字3同步字4 0 1 参数参数参数参数 0 2 参数参数参数参数 6 3 参数参数参数参数 副帧同步字，目前国际普遍采用伪随机的巴卡( b a r k a r ) 编码制，主要包括两种 固定编码： 一汉密尔顿( h a m i l t o n ) 标准同步字 也称a r i n c 5 7 3 标准同步字，如英国p l e s s e y 公司生产的p v l 5 7 3 和 p v l 5 8 4 飞行数据记录器采用a r i n c 5 7 3 标准同步字，如表2 2 所示： 表2 2a r i n c 5 7 3 标准同步字 副帧八进制二进制四位字节十六十进制成组编码 三位字节进制五位字节十六进制 17 0 4 4l l l0 0 0 1 0 01 1 1 00 0 1 0e 2 43 6 2 0o l l l 01 0 0 1 03 a 5 d 1 0 00 1 0 01 1 0 1 0 20 7 3 20 0 0 1 1 10 l l0 0 0 l1 1 0 il d a0 4 7 41 1 0 1 1o l l 0 16 d a a 1 0 11 0 l o0 1 0 1 0 37 0 4 51 1 l0 0 0 1 0 01 1 1 00 0 1 0e 2 53 6 2 10 1 1 1 01 0 0 1 03 a 5 5 1 0 l0 1 0 11 0 1 0 l 40 7 3 30 0 0 l l lo l l0 0 0 l1 1 0 ll d b0 4 7 5l 1 0 1 l0 1 1 0 16 d a b o l ll o l l0 1 0 1 l 二豢勒德因( t e l e d y n e ) 标准同步字 也称a r i n c 7 1 7 标准同步字，如美国s u n d s t r a n d 公司生产的u f d r 和中国 生产的f b 3 0 都采用了a r i n c 7 1 7 标准同步字，如表2 3 所示 表2 3a r i n c 7 1 7 标准同步字 副八二进制四位字节十六十进成组编码 帧进三位字节进制 制五位字节十六 制进制 11 1 0 70 0 l0 0 10 0 1 00 1 0 02 4 70 5 8 31 0 0 1 01 1 1 0 l4 b b 7 0 0 0l l l0 l l l1 0 l l l 22 6 7 00 1 01 1 00 l o l1 0 1 15 8 81 4 6 41 0 1 0 10 1 0 1 1 5 5 7 a l l l0 0 01 0 0 0 f 1 l o l 0 35 1 0 71 0 10 0 11 0 1 0o l o oa 4 72 6 3 l0 1 0 1 01 1 1 0 12 b b 7 0 0 0 l l lo l l l1 0 1 1 l 4 6 6 7 01 1 01 1 01 1 0 ll o l ld b 83 5 1 20 1 1 0 l0 1 0 1 l3 5 7 a 1 1 10 0 01 0 0 0l l o l o 2 1 3 a r i n c 7 1 7 格式 a r i n c 7 1 7 格式是目前国际民用运输机上普遍采用的记录格式，几乎所有数字 式飞行数据记录器( d f d r ) 都采用了这种记录格式。中国民航飞机上所装配的d f d r 和快速读取记录器q a r 采用的就是这种记录格式。从某种意义上说，a r i n c 7 1 7 是 a r i n c 5 7 3 的扩展形式，因为随着航空事业的发展，要求记录的飞行参数逐渐增加， 原来a r i n c 5 7 3 帧结构便不能容纳更多的参数信息，为了解决记录空间和参数的矛 盾，采用了两种方法： 一增加记录速度 a r i n c 5 7 3 标准记录速度为每秒“个单字，在此基础上，将速度又提高2 倍或4 倍，即每秒记录1 2 8 个单字或2 5 6 个单字。但这种方法存在如下问题： 一种记录器只有一种记录速率；飞机的各种信息变化速率是不均匀的，在起飞 和着陆阶段的飞行参数变化快，而飞机进入航线后各参数趋于稳定，因而，固 定记录速率造成了在航线中记录了大量的重复数据，而在起飞和着陆过程中记 录的参数太少的问题。因此可以在起飞、着陆阶段自动改变记录密度的压缩记 录方法是今后磁带记录的研究方向。 二采用超级帧 在a r i n c 5 7 3 基本帧结构的某些字槽中，采用了一个字槽记录多个参数的 办法以扩大记录置，目前普遍采用一个字槽记录1 6 个飞行参数，称为“超级帧”。 王堡墼塑堡曼墨基坌堑鏖里一 超级帧的特点是在某副帧的一个字槽中记录1 6 个不同参数的数据。这样，必须 采用分时顺序记录，使记录的参数增多，但是参数的采样率大为降低a 在超级 帧中的某一参数需要6 4 秒才能记录一次。由于采样率太低，许多重要参数不能 采用这种方法，它只适用于记录一些缓交的参数或不变的参数。中国民航机载 飞行数据记录器采用超级帧的飞机有a 3 2 0 ，m 阻一8 2 ，波音7 3 7 ，波音7 6 7 和波 音7 4 7 一o o 型等。例如，波音7 4 7 - - 4 0 0 型飞机的超级帧记录是在第3 副帧第 62 字槽构成了一个发动机参数的超级帧，如表2 - - 4 所示： 表2 4 波音7 4 7 - - 4 0 0 发动机数据超级帧 ( 第3 副帧6 2 号单字) 参数顺序数据 范围分辨率单位 0 l i 发滑油压力 4 0 9 6l 磅平方英寸( 绝对压力) 0 2 2 发滑油压力 4 0 9 6 1 磅，平方英寸( 绝对压力) 0 3 3 发滑油压力 4 0 9 6l 磅，平方英寸( 绝对压力) 0 44 发滑油压力 4 0 9 6l磅，平方英寸( 绝对压力) 0 5 1 发滑油温度 1 0 2 40 2 5 摄氏度 0 6 2 发滑油温度 1 0 2 4o 2 5 摄氏度 0 7 3 发滑油温度 1 0 2 40 2 5摄氏度 0 8 4 发滑油温度 1 0 2 40 2 5 摄氏度 0 9 1 发滑油油量 1 2 80 0 1 2 5 美加仑 1 0 2 发滑油油量 1 2 8o 0 1 2 5 美加仑 l l 3 发滑油油量 1 2 80 0 1 2 5 美加仑 1 2 4 发滑油流量 1 2 80 0 1 2 5 美加仑 1 3 总燃油油量 4 0 9 6 0 01 0 0 磅 1 4 飞机总重量 b 1 0 7 2 01 6 0 磅 1 5 飞机位置纬度( 高位数) n s 1 8 00 0 4 4 磅 1 6 飞机位置经度( 高位数) e y w l 8 00 0 4 4 磅 2 2 飞行数据记录系统 记录飞行中飞机的数据，当初是为了确定所制造飞机的性能而开始的，第二次 大战以后，随着飞机输送的增大，被用来分析事故，这样就产生了飞行记录装置f d r ( f l i g h td a t ar e c o r d e r ) 。1 9 5 8 年，美国制定了最初的记录装置规定，记录如空速， 高度，机头方向，垂直加速度，俯仰角等参数。此时的记录器一般是在金属箔上把 数据以图形刻入的模拟式记录器，通常称为飞行记录装置：f d r 。 其后，随着调查事故的经验累积，提倡要有更多的参数，进行参数条件的改订。 另外，记录容量由以前的3 0 0 小时，改订成实际上事故调查最必要的2 5 小时。新增 壹室塾至堕蒌盔堂堡主堂垡笙壅 一 r 一一 的参数包括横滚角，俯仰修整位置，操纵杆位置，操纵盘位位置，方向舵脚蹬位置， 前缘襟翼位置等。 以前的模拟方式的记录，参数的数量与精度都有限度。因此，考虑把参数信号 加以取样，数字化之后再记录的方法。相对于前面的f d r ，这种记录方式称为数字 飞行记录器d f d r ( d i g i t a lf l i g h td a t ar e c o r d e r ) 。d f d r 接受来自数字式飞行数据 采集部件d f d a u ( d i g i t a lf l i g h td a t aa c q u i s i t i o n u n i t ) 的数字数据，记录到磁带上。 法律上规定，记录器要在“离陆时由滑行开始，到着陆时滑行终了”之间记录，但 是记录系统通常从离开停机场到回到停机场之间记录。 可以说，a r i n c 5 4 2 飞行数据记录器指的就是f d r ；a r i n c 5 7 3 ，7 1 7 数字式飞 行数据记录器指的是d f d r 。 下面以d f d r 为例说明飞行数据记录系统的工作原理： 2 2 1 飞行数据记录系统结构 飞行数据记录记录系统是由数字式飞行数据采集组件( d f d a u ) 、数字式飞行数 据记录器( d f d r ) 、飞行数据输入面板( f d e p ) 、加速度计和测试接头组成。 飞行数据记录系统组成如图2 2 所示： 记入飞行数据 c p u 控制c p u 控制 谴m 飞行斯摇 r l1 r i 飞行数据 涮试接头 飞行数据 采集组件记录器 ( d f d a u ) 资料数据 r r r e ( d f d r ) x 、y 、z 轴信号 1 b t e - l 嘉复蓍袭l ： 加速度 加速度计卜+ 图2 - - 2飞行数据记录系统组成 2 2 2 飞行数据记录系统工作原理 飞行数据采集组件接收来自飞机其他系统的数字式信号、离散信号和模拟式输 入信号：接收三轴加速度计转来的模拟式信号和飞行数据输入面板输入的资料数据 信号。d f d a u 接收到的这些信号由c p u 按固定程序进行处理，形成统一的数据格 式。以哈佛双相格式每1 2 位表示一个数据字，用1 2 8 ( 2 5 6 ) 个字组成一帧输至飞 同 来 同 一墨堡墼量至塑墨茎坌堑查旦 一一 行数据记录器写入磁带。d f d r 接收到哈佛双相数据格式的信息后，先由d f d r 中 c p u 进行排列、检测、放大，按程序对写入，读出磁头进行控制，准确完成对飞行 数据的录制工作。 此外，从d f d a u 输至d f d r 的哈佛双相格式的数据信息，在d f d r 无故障的 情况下，经传输器通过d f d a u 输至测试接头上，在测试接头上输给测试仪器的数 据与加给d f d r 的数据信息是同步的。 一数字式飞行数据采集组件d f d a u b i t e 2 去f d e p 弱一跳型- 暖 r i = ! ja r i n c 4 2 ，发送器1 删q ；i 多 酪严据信息。 暴t1下糟窿控制1 系辨j i 转 映器i ， 1 瓤路径制2 l 因a r i n c 4 2 9 接收器i r 千 壹坷指令序列 ：若习哈佛双相发送器i 去飞行记录 r 准 b l t e 1 1 百号 叫竺全竺兰r 釉眦r 磊闻 l ，撤h 沓询 】 c p u；i 八8 1 t e 0 多路 、 输信号， ； 。 转换器 掌舵 _ 1a r i n c 4 2 9 接收器l 采目f i - 1 衰减器l - a ，d 转换 b - 悃-多路 l 一 器剥数字式发送器r a 信号 | 转换器 卜 卜1 数字式接收器卜i 一 t e 叫衰减器l - r i 限 接 头 l 叫嚣f 储器卜 i - 闻- 士 等电位 多路 比较电 凄白飞行证 转换器i 路 。 器维护标志 叫衰减器 j ；7 云f d e p 图2 - - 3d f d a u 原理方框图 所有要记录的飞行参数和主要系统工作实时数据都由d f d a u 的微机负责接 收、处理，并形成一定格式的信号，然后再传输给d f d r 。 输入给d f d a u 的参数，即要采集的数据，包括了民航局规定的必录参数和 航空公司的选录参数和驾驶员从输入面板提供的资料参数。 必录参数有副翼、方向舵、升降舵的位置，发动机压力比，俯仰角，倾斜角， 磁航向，航向下滑偏移，无线电高度，空速，气压高度，三轴加速度，v h f 键控情况，信标和近地警告信息等。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 - 一 选定参数可根据d f d a u 内微机程序而定，如地速、a o a 、t a t 、e g t 、g m t 、 发动机振动值等。 驾驶员从输入面板提供的数据有飞行的月份、日期、起飞重量、航班号、飞 行员识别、飞行员“事故”记号等。 如图2 - - 3 所示：输至c p u 的信息有a r i n c 4 2 9 接收器接收的数字信息，有 来自同步器的交流模拟信号和直流模拟电压信号，有来自飞机各系统的离散式 信号，它们分别按固定程序由c p u 对这些信息通道进行控制处理。先按次序控 制多路转换器、a d 转换器把接收的信号统一变换为数字式信息，然后在c p u 内将其转换为哈佛双相格式，按程序定好的顺序，经哈佛双相发生器将这些数 据信息输到飞行数据记录器。在这里0 伏特信号电压的输出为0 ，最大电压则变 换成1 2 位元的最大值( 4 0 9 5 ) 。收集部把汇集到这里的分离信号( o n o f f 信号) 与频率信号加以组合，形成哈佛双相制数据流，以l 7 6 8 秒一个字位的速度送 出，就是把输出变换成代码变换器所规定的输出波形。送到d f d r 的哈佛双相 波形的特征是波形之中具有数据与时序信号。一个位元时间之间，电压有变化 的是“l ”，没有变化的是“0 ”。记录器的驱动部分有脉动马达，用波形的时序 信号来驱动。实际上记录的数据是位元“l ”为位元“0 ”二倍频率的正弦波形 ( 如图2 4 所示) 。 0 0i0ll0)o1i)0 广厂 l- jjll 图2 4 哈佛双相波形 1 a r i n c 4 2 9 数字信息输入通道 来自l o 个a r i n c 4 2 9 接收器的信息，经由c p u 控制的多路转换器形成数据 格式，分类存储，在c p u 程序控制下有次序地进入c p u 。在接通电源的瞬间启 动例行程序，在所有的a r i n c 4 2 9 接收器进行b i t e l 自检测；另外，从a r i n c 4 2 9 发生器送出一个已知的数据字至多路转换器，对这一输入接口进行b i t e 2 自检 测。 2 同步器及模拟信号输入通道 三个来自同步器的输入信号和三个模拟式输入信号均由衰减器接收，作状态 分析和电平调节，经c p u 对多路转换器地址码控制进行分路并接收b i t e 自检 测电路对其电平进行比较，通过a d 转换器变换为c p u 能接收处理的数字信 飞行数据译码及其分析应用 号送至c p u 。 3 离散信号输入通道 离散信号由衰减器接收，作状态分析和电平调节，然后经由c p u 进行地址 码程序控制的多路转换器进行分路，并接收b i t e 自检测电路对其电平进行比 较，使输入信号交换为与c p u 相容的电平输至c p u 。 以上三个通道输入的信号在c p u 内转换为哈佛双相格式数据信号，并按程 序将其编排适当地顺序，经由哈佛双相发生器输至数字式飞行数据记录器。 输给记录器的记录数据信号，又返回到d f d a u 内经跨接线传输到测试接 头。 数据控制线1 、2 提供了测试接头处的地面辅助设备、f d e p 和d f d a u 之 间的联系控制。 a t e 接头是在内场与测试设备相连的接口，它通过一个数字式发送器和一个 数字式接收器及电可变只读存储器来完成接口任务。 二数字式飞行数据记录器d f d r 图2 5d f d r 工作原理图 1 4 童室塾窒堕垂奎堂堡主兰篁丝茎 一 数字式飞行数据记录器接收由d f d a u 发来的哈佛双相格式数据信息，并由 微机对信号处理排序，对记录器进行控制，将信息记录在磁带上，且这些数据 信息可在飞机上或在内场实验室里检索出来。为了保护数字式飞行数据记录器 在飞机发生意外时不致损坏，d f d r 组件外壳用不锈钢制成；为了便于寻找， 其壳体外围呈国际橙色，顶部和边上有用反光漆涂地反光带条，壳体两侧有英 文说明“d i g i t a lf l i g h td a t ar e c o r d e r ”( 数字式飞行数据记录器) 。此 外前面板上还有水下定位信标( u l b ) 以便飞机坠入海底时定位之用。 d f d r 接收从d f d a u 输来的哈佛双相格式数据信号，由d f d r 的c p u 对 数字式飞行数据记录器的工作进行自动控制。其工作原理如图2 5 所示： ( 1 ) 数据流程 d f d r 在收到一个完整的副帧数据之前暂存于一个存储器中，然后被送 到“写入”驱动器中记录下来。由磁道选择电路提供“写入”驱动器控制信 号。收到的输入信号还送到c p u 的“数据检查”电路与步进双相数据进行 比较，还与实际的记录信号作比较。信号记录在磁带上之后，由个“读出” 磁头检出来进行放大，且通过模拟多路转换器反馈到c p u 的“数据检查” 电路中去进行比较，如果两次比较都是好的，就判定录制下的数据是有效的。 ( 2 ) 数据的输出与检索 为了在地面测试来自d f d a u 的哈佛双相格式数据，在无d f d r 故障信 号的条件下，这些数据由一个哈佛双相发生器经d f d a u 输到测试接头上。 测试仪器重测试接头上接收的这些数据与d f d r 接收这些数据的速度是相 同的。 还有一种高速数据检索的方法：将机载的录制记录器接到d f d r 前面板 上的录制记录器接头上，用同时将8 个数据磁道输出的方法，飞行记录器的 数据可用输出的前置放大器进行检索。 三飞行数据j i 入面板( f d e p ) 飞行数据输入面板用于输入资料数据，故障显示和产生“事故”标记的离散 信号。所谓“事故”标记，也可称为人为的过程标记，记录下人为的某一事件 的标记。 驾驶员利用输入面板上s 1 $ 2 0 这二十个轮式编码电门选择数据输入要记 录的资料信息，每个轮式编码电门用手拨动转轮都可选择数字符0 9 ，数据 按b c d 码格式，通过a r i n c 4 2 9 总线传输给d f d a u 。比如：s 1s 2 编码电门 输入月份；s 3s 4 编码电门输入日期：s 5 s 8 编码电门输入起飞重量：$ 9 s 1 3 编码电门输入航班号；s 1 4 编码电门输入航段号；s 1 5 $ 2 0 输入驾驶员代码。 驾驶员在利用编码电门选定好资料数据之后，按压瞬时作用的“i n s r 按 王堡墼塑堡塑墨苎坌堑壁旦一一 钮，在由3 2 位二进制码组成的a r i n c 4 2 9 数据字的第1 1 位上产生一个“1 ”， 表示数据输入己完成。 当发生事件时，驾驶员瞬时压下“e v n t ”事件按钮，产生一个逻辑“1 ”信 号，输至d f d a u ，作用时间至少为4 秒或一直到松开“e v n t ”按钮为止。 四- - 轴j m 蘧渲计 飞机沿x 、y 、z 轴的加速度信号则由飞机上的三轴加速度计来测量，所得 三轴加速度的电信号输给d f d a u ，然后加至d f d r 记录下来。 三轴加速度计组件是一种感受振动式的加速度计，壳体密封，能承受比正常 工作范围大1 0 倍的加速度。输入一输出特性如表2 5 所示： 表2 5 三轴加速度计的输入一输出特性 轴加速度方向输入加速度值输出电信号 垂直轴上 + 6 95 0 0 0 毫伏 下 - - 3 92 0 0 毫伏 横轴右+ 1 95 0 0 0 毫伏 左 l g2 0 0 毫伏 纵轴前 + l g5 0 0 0 毫伏 后 l g2 0 0 毫伏 2 3 飞行状态监控系统a c k s a c m s ( 飞机状态监控系统：a i r c r a f tc o n d i t i o nm o n i t o rs y s t e m ) ，或称为a i d s ( 飞机综合数据系统：a i r c r a f ti n t e g r a t e dd a t as y s t e m ) ，是先进机载数据采集和处理 系统，它能以实时方式收集数据，对发动机和飞机的状态与性能进行监控以及进行 特殊的工程调查。由a c i _ i s 所收集到的各种原始数据既可以经机载的a c a r s ( 飞机通 讯寻址和报告系统：a i r c r a f tc o m m u n i c a t i o n sa d d r e s s i n ga n dr e p o r t i n gs y s t e m ) 通过甚高频接收机发送到地面s i t a ( s o c i e t ei n t e r n a t i o n a l ed e t