盧艷軍，牛 闖，張曉東

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110136)

新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的研究

盧艷軍，牛 闖，張曉東

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110136)

分析了國(guó)內(nèi)外通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的現(xiàn)狀，指出我國(guó)現(xiàn)有通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀所存在的不足之處。同時(shí)，根據(jù)未來(lái)通用飛機(jī)的發(fā)展，深入研究了新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的功能、特點(diǎn)需求，并且基于模塊化思想，提出了新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)思路，給出了新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)其核心模塊的功能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。最后，簡(jiǎn)述了新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的應(yīng)用。

通用飛機(jī)；數(shù)據(jù)記錄儀；模塊化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)體系

機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀(俗稱“黑匣子”)是飛機(jī)專用的電子記錄設(shè)備之一，它能把飛機(jī)重要的飛行技術(shù)參數(shù)和駕駛艙內(nèi)的聲音、視頻記錄下來(lái)，以供飛行實(shí)驗(yàn)、事故分析、飛機(jī)維修等的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代問(wèn)世的黑匣子只能記錄5個(gè)參數(shù)，且誤差較大。70年代開始使用數(shù)字記錄磁帶，能記錄100多種參數(shù)，保存最后25小時(shí)的飛行數(shù)據(jù)。90年代后隨著超大規(guī)模集成電路，微處理器，數(shù)據(jù)采集技術(shù)和數(shù)據(jù)總線技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng)的性能也得到快速提升[1]。通用航空飛機(jī)以其機(jī)動(dòng)靈活、快速、高效等特點(diǎn)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急救援、農(nóng)林業(yè)航空等社會(huì)公共服務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[2]。隨著我國(guó)低空的開放，對(duì)通用飛機(jī)數(shù)量的需求越來(lái)越大，對(duì)通用飛機(jī)的飛行安全要求越來(lái)越高，這些都要求通用飛機(jī)配置更加完善的機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀。因此，研究設(shè)計(jì)新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀成為我國(guó)通用飛機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文根據(jù)通用飛機(jī)設(shè)計(jì)、事故分析、訓(xùn)練飛行員等方面的需求，分析了我國(guó)現(xiàn)有通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀所存在的不足之處；以通用性和多功能為設(shè)計(jì)原則，基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，研究了通用航空機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)的闡述并對(duì)其核心模塊的功能。

1 通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的研究起步較早，發(fā)展也比較快。目前廣泛應(yīng)用的是愛(ài)爾蘭ACRA公司2000年研發(fā)推出的新一代KAM500機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀，該記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完善，模塊集成度高，具有與各種形式傳感器相適應(yīng)的信號(hào)調(diào)節(jié)模塊、總線監(jiān)測(cè)模塊、固態(tài)記憶存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸模塊等。且先進(jìn)的一體化系統(tǒng)軟件包，能夠滿足使用過(guò)程中的各種需求[3]。

我國(guó)對(duì)通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的研制起步較晚，也沒(méi)有形成通用的產(chǎn)品。目前對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的研究較多。例如：南京航空航天大學(xué)的韓勇豪研究了以FPGA為核心控制器的機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀[1]；南京航空航天大學(xué)的顧田偉研究的是小型化無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)記錄儀[4]；中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所的巫景燕等研究了通用直升機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀[5]；西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人機(jī)研究所的張波等研究了基于GPS的低成本通用無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)記錄儀[6]；西北工業(yè)大學(xué)的朱攀蓉實(shí)現(xiàn)了機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀多路數(shù)字音、視頻記錄功能[7]；西北工業(yè)大學(xué)的寧偉研究了記錄儀的總線數(shù)據(jù)傳輸和通訊技術(shù)[8]；西北工業(yè)大學(xué)的孫海燕和西安科技大學(xué)的何志國(guó)研究了基于ARM的機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀[9-10]；北京航空工程技術(shù)研究中心的蘇建軍等研究了機(jī)載記錄儀飛機(jī)姿態(tài)信息數(shù)據(jù)的采集問(wèn)題[11]。

由此可見：與國(guó)外的先進(jìn)系統(tǒng)相比，我國(guó)針對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的研究盡管很多，但是至今對(duì)通用航空機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的軟硬件體系結(jié)構(gòu)的研究，特別是對(duì)于通用性、多功能方面的研究還比較欠缺。

2 未來(lái)通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的需求分析

隨著通用航空的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用，通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀在功能和性能方面也在不斷的面臨新的挑戰(zhàn)。首先，在功能方面，要求機(jī)載記錄儀器記錄容量大、記錄的數(shù)據(jù)類型多、尤其需要添加對(duì)通用飛機(jī)飛行噪聲的記錄功能[12]。

其次，在性能方面的需求體現(xiàn)在：(1)通用性。目前的機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀都是專用的，不具備任何通用性，設(shè)計(jì)和制造成本都很高，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)通用性強(qiáng)的通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀，不僅可節(jié)約成本，而且維護(hù)十分方便[13]。(2)可擴(kuò)展的模塊化結(jié)構(gòu)。用戶可根據(jù)實(shí)際需求,基于通用的機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行功能的擴(kuò)充或縮減,而無(wú)需重新設(shè)計(jì)一個(gè)新的機(jī)載記錄儀，且便于記錄儀的升級(jí)和維護(hù)[12]。(3)具備高可靠性。在新型數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)管理時(shí),系統(tǒng)的各項(xiàng)操作必須要求安全、可靠,保證系統(tǒng)無(wú)故障，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定。(4)具有良好的可維護(hù)性。新型數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)具有良好的可測(cè)試性,可以盡早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,避免記錄儀失效。當(dāng)有故障發(fā)生的時(shí)候,系統(tǒng)自檢模塊要及時(shí)發(fā)出警報(bào),可針對(duì)具體模塊進(jìn)行維護(hù)[7]。(5)具有良好的抗干擾能力。新型數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)具備良好的抗干擾能力，要求在高空的惡劣條件下能高性能的穩(wěn)定工作。

3 新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀結(jié)構(gòu)體系

通過(guò)對(duì)通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的需求分析可以得出，研究一種不依賴于某一特定飛機(jī)平臺(tái)及某一具體試飛測(cè)試應(yīng)用的，既能夠的滿足現(xiàn)有通用飛機(jī)試飛測(cè)試需要，又能夠滿足未來(lái)新機(jī)試飛測(cè)試需求的通用型、功能可靈活擴(kuò)展的新型通用飛機(jī)機(jī)載記錄儀是十分必要的[12]。新型通用飛機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

新型數(shù)據(jù)記錄儀硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由主控單元通過(guò)系統(tǒng)總線控制其他系統(tǒng)單元，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中各系統(tǒng)單元和模塊的功能如下：

(1)主控單元：作為記錄儀的中央處理器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊和系統(tǒng)單元的自身功能?？梢赃x擇FPGA，ARM單片機(jī)、DSP或者PC/104等結(jié)構(gòu)。

(2)系統(tǒng)總線：負(fù)責(zé)連接主控單元與各個(gè)系統(tǒng)單元?？梢赃x用ARINC-629總線或PC/104總線等結(jié)構(gòu)。

(3)接口模塊：負(fù)責(zé)記錄儀與地面數(shù)據(jù)分析設(shè)備的數(shù)據(jù)通信?？梢允褂肬SB、網(wǎng)絡(luò)接口、無(wú)線藍(lán)牙等結(jié)構(gòu)。

(4)通信模塊：負(fù)責(zé)機(jī)載記錄儀在空中與地面站的通信。實(shí)現(xiàn)記錄儀和地面站臺(tái)的數(shù)據(jù)交換、傳輸功能。確保地面站能實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)。可以選用光通信等技術(shù)。

(5)機(jī)型配置模塊：負(fù)責(zé)識(shí)別通用飛機(jī)型號(hào)并且匹配適應(yīng)該飛機(jī)型號(hào)的系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)記錄儀的通用性。

(6)數(shù)據(jù)采集單元：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集飛機(jī)的各類飛行數(shù)據(jù)和駕駛艙內(nèi)的視、音頻信息。

(7)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元：負(fù)責(zé)存儲(chǔ)飛行數(shù)據(jù)和駕駛艙內(nèi)的視、音頻信息。結(jié)構(gòu)可以采用CF卡或Flash存儲(chǔ)，不僅存儲(chǔ)量大而且節(jié)約制作成本。

(8)控制開關(guān)單元：控制整個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀的開關(guān)。

(9)時(shí)鐘單元：負(fù)責(zé)同步時(shí)鐘，不僅要求飛行數(shù)據(jù)的記錄時(shí)鐘同步于地面站，還要同步于衛(wèi)星的GPS系統(tǒng)，并且要求準(zhǔn)確記錄飛機(jī)飛行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

(10)重新啟動(dòng)單元：負(fù)責(zé)當(dāng)記錄儀不受控制或者死機(jī)時(shí)，由工作人員或者飛行員強(qiáng)行重新啟動(dòng)，使系統(tǒng)初始化。

(11)多功能卡槽：為了實(shí)現(xiàn)記錄儀的可擴(kuò)展模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多功能模塊卡槽。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)未來(lái)具有新功能應(yīng)用模塊的功能。

(12)電源供給單元：負(fù)責(zé)滿足整個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀電量需求。本文設(shè)計(jì)成飛機(jī)總電源、飛機(jī)蓄電池和太陽(yáng)能電池三重保障供電結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體系

3.2 系統(tǒng)軟件功能

新型數(shù)據(jù)記錄儀的軟件設(shè)計(jì)分為操作層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。其中操作層：主要負(fù)責(zé)管理、控制和協(xié)調(diào)所有的硬件設(shè)備,并處理所有來(lái)自硬件的中斷請(qǐng)求,同時(shí),對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存貯及簡(jiǎn)單的處理；驅(qū)動(dòng)層：包含所有外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，例如：數(shù)據(jù)采集單元等的驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)接收硬件的中斷，驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)編譯后作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分存在；應(yīng)用層：包含所有軟件應(yīng)用功能模塊程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄儀的多功能記錄。

新型記錄儀依據(jù)其系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了12類應(yīng)用功能模塊。每個(gè)模塊都負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，模塊與模塊之間也相互配合與作用，以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面分析各個(gè)應(yīng)用模塊的功能與作用：

(1)飛機(jī)的姿態(tài)信息模塊。采集信號(hào)源：①飛機(jī)地平儀姿態(tài)陀螺的俯仰角數(shù)據(jù)；②飛機(jī)地平儀姿態(tài)陀螺的傾斜角數(shù)據(jù)；③飛機(jī)航向陀螺的航向角數(shù)據(jù)。

(2)飛機(jī)導(dǎo)航信息記錄模塊。采集信號(hào)源：①飛機(jī)INS/GPS數(shù)據(jù)記錄；②飛機(jī)水平速度、垂直速度數(shù)據(jù)；③飛機(jī)相對(duì)海平面高度數(shù)據(jù)。

(3)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)信息記錄模塊。采集信號(hào)源：①飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；②飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度數(shù)據(jù)。

(4)飛機(jī)油箱信息記錄模塊。采集信號(hào)源：①飛機(jī)滑油液位高度數(shù)據(jù)；②飛機(jī)燃料油液位高度數(shù)據(jù)。

(5)飛機(jī)視頻音頻信息記錄模塊。采集信號(hào)源：駕駛艙內(nèi)視頻、音頻信息。

(6)飛機(jī)電源電壓信息記錄模塊。采集信號(hào)源：飛機(jī)的電源電壓數(shù)據(jù)。

(7)大氣機(jī)信息記錄模塊。采集信號(hào)源：風(fēng)速、大氣靜壓、大氣總溫度、迎角等，通過(guò)以上信息計(jì)算出較多的與大氣數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)，如高度偏差、升降速度、真實(shí)空速、指示空速、馬赫數(shù)、馬赫數(shù)變化率、總溫、真實(shí)靜壓、大氣靜溫、大氣密度比、真實(shí)迎角等。

(8)飛機(jī)噪聲記錄模塊。采集信號(hào)源：飛機(jī)起飛和降落時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

(9)飛機(jī)安全裝置參數(shù)記錄模塊。采集信號(hào)源：通用飛機(jī)飛行員安全氣囊，安全座椅，和安全玻璃等各項(xiàng)安全裝置的參數(shù)。

(10)多功能設(shè)置模塊：系統(tǒng)成功啟動(dòng)后，運(yùn)行此模塊加載開啟應(yīng)用模塊多功能卡槽程序，使具有新功能的應(yīng)用模塊發(fā)揮作用，方便記錄儀升級(jí)，實(shí)現(xiàn)記錄儀的可裁剪和模塊擴(kuò)展功能。

(11)系統(tǒng)管理模塊：管理其它功能模塊，控制記錄儀程序進(jìn)程。同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模塊的可插拔功能，保證應(yīng)用模塊的穩(wěn)定工作。

(12)系統(tǒng)自檢模塊：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行自檢,如有故障則立即報(bào)警。

圖2 軟件功能框圖

3.3 記錄儀用途分類

根據(jù)通用飛機(jī)在應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛用途，新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀可應(yīng)用于以下方面：

(1)飛機(jī)的維修方面：利用對(duì)飛行數(shù)據(jù)的分析,可以掌握機(jī)件在何時(shí)發(fā)生失效,什么原因?qū)е率?以及失效后的后果等等。以此為基礎(chǔ),就可以制定出合理的維修方案,在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī),安排進(jìn)行針對(duì)性的維修工作。這就是新型的維修方式，我們稱之為：視情維修[14]。

(2)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和新機(jī)改進(jìn)方面：利用記錄儀記錄的飛行數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)的綜合分析,可完整反映飛機(jī)在不同條件下的氣動(dòng)性能,解決各種不同類型的飛行氣動(dòng)問(wèn)題。據(jù)此提出的改進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)的意見,這是人工調(diào)查分析根本無(wú)法比擬的。

(3)飛機(jī)的事故分析方面：可以清楚的得出飛機(jī)存在的問(wèn)題與隱患，精確縮小拆換部件。如果飛機(jī)不幸墜毀，可通過(guò)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀找出事故原因。

(4)飛行員模擬訓(xùn)練方面：為飛行員在陸地進(jìn)行模擬飛行訓(xùn)練提供了科學(xué)、真實(shí)的數(shù)據(jù)條件。

(5)飛行員駕駛考核方面：對(duì)飛行員飛行考核提供有效測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)。

(6)單機(jī)狀態(tài)跟蹤。分析出各種飛行狀態(tài)的最佳條件并且建立單機(jī)數(shù)據(jù)檔案；記錄飛機(jī)飛行路程，確保飛行員更好完成飛行任務(wù)[7]。

4 結(jié)論

基于模塊化設(shè)計(jì)思想的通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀是一種不依賴于某一特定飛機(jī)平臺(tái)的系統(tǒng)。用戶可根據(jù)自身需求，自行設(shè)置應(yīng)用模塊，從而使通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)用性更強(qiáng)。同時(shí)，新型數(shù)據(jù)記錄儀不僅對(duì)我國(guó)的通用航空發(fā)展有重要的實(shí)用價(jià)值，系統(tǒng)還可擴(kuò)展應(yīng)用到車載、艦載及工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試與控制領(lǐng)域中,具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：劉敬鈺)

Researchonairbornedatarecorderofnewnavigationaircraft

LU Yan-jun,NIU Chuang,ZHANG Xiao-dong

College of automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136)

In this paper,the existing deficiencies of general aviation airborne data recorder both at home and abroad are analyzed.In view of the development of future general aviation,the functions and features of the new navigation airborne data recorder are further studied,and the design idea of new navigation airborne data recorder based on the modular thought is put forward.Subsequently,the software and hardware architecture of a new navigation data recorder is presented and the functions of the core modules are also expounded in detail in the paper.Finally,the applications of new navigation airborne data recorder are sketched briefly.

general aviation;data recorder;modular design;structure system

2013-09-10

航空科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2012ZD54013)

盧艷軍(1968-)，女，遼寧義縣人，副教授，主要研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷技術(shù)及飛行器主動(dòng)安全技術(shù)，E-mail:sylyj2004@126.com。

2095-1248(2014)01-0082-05

TP391.7; V248.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.017