飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與處理系統(tǒng)

霍立平 賈紹文 于潞 蔡慧敏

摘 要： 為了實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行狀態(tài)，提高飛行訓(xùn)練質(zhì)量，保證飛行訓(xùn)練安全，構(gòu)建了飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)原機(jī)飛參系統(tǒng)的改進(jìn)、采用頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用結(jié)合的信道資源分配方法實(shí)現(xiàn)了飛參數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。通過(guò)對(duì)飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并以多種形式進(jìn)行展現(xiàn)，滿足了不同用戶的使用需求。實(shí)際應(yīng)用表明，該飛參系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在完善飛行訓(xùn)練質(zhì)量與安全監(jiān)控體系方面效果顯著，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 飛參數(shù)據(jù)； 信道資源分配； 實(shí)時(shí)處理； 飛行狀態(tài)； 飛行訓(xùn)練； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0120?03

Abstract： A flight parameter data real?time acquisition， transmission and processing system is constructed to monitor the flight status in real time， improve the flight training quality， and ensure the flight training security. The real?time acquisition and transmission of flight parameter data are realized by improving the flight parameter system of the original airplane， and adopting the channel resource allocation method combining the frequency division multiplexing and time division multiplexing. The flight parameter data is processed in real time and presented in a variety of forms to meet different customers′ usage requirements. The results of practical application show that the flight parameter system runs stably， has an obvious effect in improving the flight training quality and security monitoring system， and has strong promotion and application values.

Keywords： flight parameter data； channel resource allocation； real?time processing； flight status； flight training； data acquisition

0 引 言

飛參系統(tǒng)是飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行忠實(shí)記錄的設(shè)備[1]。由于飛參中記錄了大量的飛行操縱信息、飛機(jī)子系統(tǒng)及設(shè)備的工作狀態(tài)信息等，因此飛參不僅在飛行事故調(diào)查中發(fā)揮著重要作用，而且在飛行狀態(tài)監(jiān)控中也具有非常重要的作用。

通過(guò)對(duì)飛機(jī)上飛參系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸至地面，并在地面進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可以滿足飛行指揮員、飛行教員等不同用戶對(duì)飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)回傳的飛機(jī)狀態(tài)信息，地勤維護(hù)人員可及時(shí)掌握飛機(jī)狀態(tài)，提前準(zhǔn)備維修工作，縮短維修時(shí)間，提高飛機(jī)出勤率；通過(guò)地面專家系統(tǒng)，建立飛機(jī)的電子維修履歷，監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)飛機(jī)重要設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)行故障分析和預(yù)測(cè)，給出維護(hù)建議，最大限度消除故障隱患[2]。

本文以實(shí)現(xiàn)某型飛機(jī)飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控為目的，闡述了某型飛機(jī)飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理系統(tǒng)的組成、原機(jī)飛參采集記錄器的改進(jìn)、飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和地面實(shí)時(shí)處理的實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)組成及實(shí)時(shí)性要求

某型飛機(jī)飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理系統(tǒng)包括機(jī)載和地面兩大部分，如圖1所示。

某型飛機(jī)上的飛參系統(tǒng)由飛行數(shù)據(jù)采集器、飛行參數(shù)記錄儀、快速存取記錄儀及一些測(cè)量傳感器組成。飛行數(shù)據(jù)采集器是飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息中心，它接收來(lái)自飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行有效性處理、格式化后，按照ARINC717標(biāo)準(zhǔn)傳輸給飛行數(shù)據(jù)記錄儀和快速存取記錄儀。同時(shí)，還以RS 422格式向外發(fā)送至飛參檢查插座。按照系統(tǒng)不影響原機(jī)飛參記錄功能的設(shè)計(jì)思想，飛參數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備通過(guò)RS 422接口從原機(jī)飛參系統(tǒng)獲取飛參數(shù)據(jù)。飛參數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將獲取的飛參數(shù)據(jù)和本機(jī)的定位數(shù)據(jù)，并疊加時(shí)戳后，在地面數(shù)據(jù)接收與網(wǎng)絡(luò)控制基站的控制下，通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送到地面。地面數(shù)據(jù)接收與網(wǎng)絡(luò)控制基站是整個(gè)飛參數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)目刂浦行?，并將接收的飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至飛參地面處理設(shè)備，供其以多種形式進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)。

飛參系統(tǒng)采集器上通常有模擬量、同步器、頻率量、開(kāi)關(guān)量和總線接口。為了忠實(shí)記錄飛行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，機(jī)上飛參系統(tǒng)對(duì)模擬量等信號(hào)1 s需要采集8次。所以，要實(shí)現(xiàn)在地面精準(zhǔn)地復(fù)現(xiàn)飛行姿態(tài)及進(jìn)行安全監(jiān)控，原機(jī)飛參系統(tǒng)需要以8 Hz的頻率實(shí)時(shí)對(duì)外輸出采集的飛參數(shù)據(jù)，機(jī)上的飛參數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備需要以8 Hz的刷新率對(duì)外發(fā)送飛參數(shù)據(jù)，即1 s內(nèi)需要發(fā)送8次飛行數(shù)據(jù)。

2 原機(jī)飛參采集記錄器改進(jìn)

原機(jī)飛參系統(tǒng)不論是以ARINC717總線形式送往記錄儀還是以RS 422A總線形式送給檢查插座和視頻記錄儀，飛參數(shù)據(jù)的刷新率都是2 Hz，也就是每500 ms才能送出一幀完整的飛參數(shù)據(jù)，達(dá)不到以8 Hz的頻率對(duì)外輸出的要求。為此，需要提高飛參數(shù)據(jù)傳輸速率，即要求采集器每125 ms送出1幀完整的飛參數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)、調(diào)試結(jié)果，將采集器RS 422A的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到115.2 kbit/s后，可以達(dá)到每125 ms送出1幀完整的飛參數(shù)據(jù)的要求。

3 飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)

在航空通信頻率資源有限的條件下，如單獨(dú)采用頻分復(fù)用或時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行組網(wǎng)通信，很難實(shí)現(xiàn)大容量、高速率、低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬為25 MHz，可用4個(gè)載波，如圖2所示。圖中，F(xiàn)C是飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心頻點(diǎn)。為了抑制帶外干擾，飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)在2個(gè)載波上工作，即SC1和SC3的組合或SC2和SC4的組合。

在每個(gè)載波上，通過(guò)時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行組網(wǎng)。每架飛機(jī)每次下傳的飛行數(shù)據(jù)定義為一幀飛行數(shù)據(jù)，包括：從飛機(jī)飛參系統(tǒng)獲取的飛參數(shù)據(jù)、從飛機(jī)航電總線獲取的系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息及網(wǎng)絡(luò)控制信息等。經(jīng)計(jì)算，每架飛機(jī)每幀下傳的飛行數(shù)據(jù)共計(jì)為370 B。每幀數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖中，G0為幀前保護(hù)，8 B；P為子幀頭，8 B；D0～D9為子幀數(shù)據(jù)塊。每個(gè)子幀采用RS（37，63）糾錯(cuò)編碼。每個(gè)子幀數(shù)據(jù)塊63 B，共630 B；G1為幀尾保護(hù)，2 B。每幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為648 B，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸符號(hào)速率為1.25 MSPS，每幀數(shù)據(jù)傳送時(shí)間為4 147.2 μs，所以每架飛機(jī)發(fā)送本機(jī)的飛行數(shù)據(jù)所需時(shí)間確定為5 ms。

飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)利用GPS秒脈沖同步。單個(gè)載波上的時(shí)頻圖案如圖4所示。在每個(gè)載波的每秒鐘時(shí)間內(nèi)，前20 ms用來(lái)由地面基站系統(tǒng)廣播上行指令信息，后20 ms用來(lái)由每架飛機(jī)的飛參數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備發(fā)送注冊(cè)信息。中間的960 ms分為8個(gè)時(shí)元，每個(gè)時(shí)元120 ms。每個(gè)時(shí)元又分為12個(gè)時(shí)隙。每架飛機(jī)占用的時(shí)隙為10 ms，其中，前5 ms用來(lái)發(fā)送本架飛機(jī)自身的飛參數(shù)據(jù)，后5 ms可以用來(lái)中繼其他飛機(jī)的飛參數(shù)據(jù)。這樣，每個(gè)載波的容量可以達(dá)到12架飛機(jī)。

綜上所述，飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作在兩個(gè)載波上，網(wǎng)絡(luò)容量可以達(dá)到24架飛機(jī)，數(shù)據(jù)刷新率達(dá)到8 Hz，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)最大125 ms，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)713 kbit/s。

4 飛參數(shù)據(jù)地面實(shí)時(shí)接收與處理

布置在地面的數(shù)據(jù)接收與網(wǎng)絡(luò)控制基站包括地面基站電臺(tái)、通信服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)所有飛機(jī)下傳飛參數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)，并為飛參地面處理設(shè)備提供數(shù)據(jù)保障。飛參地面處理設(shè)備實(shí)時(shí)接收來(lái)自數(shù)據(jù)服務(wù)器的飛參數(shù)據(jù)，分為飛參數(shù)據(jù)顯示和飛行姿態(tài)顯示兩大功能模塊，以表格、曲線、空域態(tài)勢(shì)、三維姿態(tài)、座艙儀表等多種形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)飛參數(shù)據(jù)，為飛行指揮員、機(jī)務(wù)值班員和地勤機(jī)組等不同用戶服務(wù)。

由于系統(tǒng)容量達(dá)24架飛機(jī)，且刷新率高，導(dǎo)致地面實(shí)時(shí)接收的飛參數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大。飛參地面處理設(shè)備綜合采用了動(dòng)態(tài)資源加載與虛擬內(nèi)存映射技術(shù)，使得在海量飛參數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)的情況下，表格、曲線、空域、三維姿態(tài)、座艙儀表等各種展現(xiàn)方式交互、調(diào)用靈活，展示效果流暢，人機(jī)界面友好。典型處理界面如圖5所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)交付某部使用以來(lái)，已發(fā)生多起在地面發(fā)現(xiàn)空中飛機(jī)故障，并及時(shí)指導(dǎo)飛行員成功處置的案例，對(duì)保障飛行安全、深化飛參數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。實(shí)踐證明，飛參數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化采集、傳輸與處理系統(tǒng)的建設(shè)和使用已經(jīng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控日常飛行訓(xùn)練質(zhì)量，積極應(yīng)對(duì)突發(fā)事故，最大程度上保證飛行訓(xùn)練安全，創(chuàng)新飛行訓(xùn)練教學(xué)模式，提高訓(xùn)練質(zhì)量發(fā)揮出了重要作用，具有顯著的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡朝江，陳列，楊全法.飛機(jī)飛參系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

HU Chaojiang， CHEN Lie， YANG Quanfa. Flight parameter system and application of aircraft [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2012.

[2] 劉志，劉長(zhǎng)衛(wèi)，湯劍.飛參系統(tǒng)在飛機(jī)維護(hù)中的應(yīng)用研究[J].航空維修與工程，2007（4）：23?24.

LIU Zhi， LIU Changwei， TANG Jian. Research on application of flight data recorder for aircraft maintenance [J]. Aviation maintenance & engineering， 2007（4）： 23?24.

[3] 任丹，余奎.飛行數(shù)據(jù)可視化回放與分析軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（6）：1984?1986.

REN Dan， YU Kui. Design method of flight data visualization playback and analysis software [J]. Computer measurement & control， 2014， 22（6）： 1984?1986.

[4] 魯旭紅，劉永.新型飛行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)處理技術(shù)研究[J].航空電子技術(shù)，2012，43（1）：34?38.

LU Xuhong， LIU Yong. Data transfer and real?time processing technology on a new flight monitoring system [J]. Avionics technology， 2012， 43（1）： 34?38.

[5] 賈紹文，霍立平，蔡慧敏，等.飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2015，34（11）：20?22.

JIA Shaowen， HUO Liping， CAI Huimin， et al. Real?time transmission system of aircraft flight data [J]. Ordnance industry automation， 2015， 34（11）： 20?22.

[6] 張菊茜，眭衍銘.TDMA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)：時(shí)隙同步技術(shù)[J].應(yīng)用科技，2001，28（6）：15?17.

ZHANG Juqian， SUI Yanming. Key technology of TDMA： the technology of time slot [J]. Applied science and technology， 2001， 28（6）： 15?17.

[7] 馬捷中，郭陽(yáng)明，陸艷洪，等.飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（13）：2469?2471.

MA Jiezhong， GUO Yangming， LU Yanhong， et al. Data acquire realization of flight data management and recorder system [J]. Computer engineering and design， 2006， 27（13）： 2469?2471.

[8] 霍立平，賈紹文，于潞，等.某型教練機(jī)飛行數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2017（5）：30?32.

HUO Liping， JIA Shaowen， YU Lu， et al. Design and implementation of flight data back transmission system for a certain type of trainer airplane [J]. Instrumentation technology， 2017（5）： 30?32.

[9] 白效賢，任樸舟，張建琳，等.飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖像遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，31（17）：177?178.

BAI Xiaoxian， REN Puzhou， ZHANG Jianlin， et al. Design of remote transmission system of flight test data and images [J]. Computer engineering， 2005， 31（17）： 177?178.

[10] 袁炳南，霍朝暉，白效賢.飛行試驗(yàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展及展望[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（6）：1844?1847.

YUAN Bingnan， HUO Zhaohui， BAI Xiaoxian. Technology development and prospects of big data in flight test [J]. Computer measurement & control， 2015， 23（6）： 1844?1847.