新型通用飞机机载数据记录仪的研究

卢艳军，牛 闯，张晓东

(沈阳航空航天大学 自动化学院,沈阳 110136)

新型通用飞机机载数据记录仪的研究

卢艳军，牛 闯，张晓东

(沈阳航空航天大学 自动化学院,沈阳 110136)

分析了国内外通用飞机机载数据记录仪的现状，指出我国现有通用飞机机载数据记录仪所存在的不足之处。同时，根据未来通用飞机的发展，深入研究了新型通用飞机机载数据记录仪的功能、特点需求，并且基于模块化思想，提出了新型通用飞机机载数据记录仪的设计思路，给出了新型通用飞机机载数据记录仪的软硬件体系结构，并对其核心模块的功能进行了详细的阐述。最后，简述了新型通用飞机机载数据记录仪的应用。

通用飞机；数据记录仪；模块化设计；结构体系

机载数据记录仪(俗称“黑匣子”)是飞机专用的电子记录设备之一，它能把飞机重要的飞行技术参数和驾驶舱内的声音、视频记录下来，以供飞行实验、事故分析、飞机维修等的应用。20世纪60年代问世的黑匣子只能记录5个参数，且误差较大。70年代开始使用数字记录磁带，能记录100多种参数，保存最后25小时的飞行数据。90年代后随着超大规模集成电路，微处理器，数据采集技术和数据总线技术的高速发展，机载数据记录仪系统的性能也得到快速提升[1]。通用航空飞机以其机动灵活、快速、高效等特点，在抢险救灾、应急救援、农林业航空等社会公共服务领域发挥着重要的作用[2]。随着我国低空的开放，对通用飞机数量的需求越来越大，对通用飞机的飞行安全要求越来越高，这些都要求通用飞机配置更加完善的机载数据记录仪。因此，研究设计新型通用飞机机载数据记录仪成为我国通用飞机发展的必然趋势。

本文根据通用飞机设计、事故分析、训练飞行员等方面的需求，分析了我国现有通用飞机机载数据记录仪所存在的不足之处；以通用性和多功能为设计原则，基于模块化的设计思想，研究了通用航空机载数据记录仪的软硬件体系结构，并详细的阐述并对其核心模块的功能。

1 通用飞机机载数据记录仪现状

国外对通用飞机机载数据记录仪的研究起步较早，发展也比较快。目前广泛应用的是爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据记录仪，该记录仪结构设计完善，模块集成度高，具有与各种形式传感器相适应的信号调节模块、总线监测模块、固态记忆存储及数据传输模块等。且先进的一体化系统软件包，能够满足使用过程中的各种需求[3]。

我国对通用飞机机载数据记录仪的研制起步较晚，也没有形成通用的产品。目前对机载数据记录仪的研究较多。例如：南京航空航天大学的韩勇豪研究了以FPGA为核心控制器的机载数据记录仪[1]；南京航空航天大学的顾田伟研究的是小型化无人机飞行参数记录仪[4]；中国直升机设计研究所的巫景燕等研究了通用直升机数据记录仪[5]；西北工业大学无人机研究所的张波等研究了基于GPS的低成本通用无人机的数据记录仪[6]；西北工业大学的朱攀蓉实现了机载数据记录仪多路数字音、视频记录功能[7]；西北工业大学的宁伟研究了记录仪的总线数据传输和通讯技术[8]；西北工业大学的孙海燕和西安科技大学的何志国研究了基于ARM的机载数据记录仪[9-10]；北京航空工程技术研究中心的苏建军等研究了机载记录仪飞机姿态信息数据的采集问题[11]。

由此可见：与国外的先进系统相比，我国针对机载数据记录仪的研究尽管很多，但是至今对通用航空机载数据记录仪的软硬件体系结构的研究，特别是对于通用性、多功能方面的研究还比较欠缺。

2 未来通用飞机机载数据记录仪的需求分析

随着通用航空的发展和新技术的应用，通用飞机机载数据记录仪在功能和性能方面也在不断的面临新的挑战。首先，在功能方面，要求机载记录仪器记录容量大、记录的数据类型多、尤其需要添加对通用飞机飞行噪声的记录功能[12]。

其次，在性能方面的需求体现在：(1)通用性。目前的机载数据记录仪都是专用的，不具备任何通用性，设计和制造成本都很高，因此，设计一个通用性强的通用飞机机载数据记录仪，不仅可节约成本，而且维护十分方便[13]。(2)可扩展的模块化结构。用户可根据实际需求,基于通用的机载数据记录仪结构，进行功能的扩充或缩减,而无需重新设计一个新的机载记录仪，且便于记录仪的升级和维护[12]。(3)具备高可靠性。在新型数据记录仪进行数据管理时,系统的各项操作必须要求安全、可靠,保证系统无故障，长时间运行稳定。(4)具有良好的可维护性。新型数据记录仪应具有良好的可测试性,可以尽早的发现问题,避免记录仪失效。当有故障发生的时候,系统自检模块要及时发出警报,可针对具体模块进行维护[7]。(5)具有良好的抗干扰能力。新型数据记录仪应具备良好的抗干扰能力，要求在高空的恶劣条件下能高性能的稳定工作。

3 新型通用飞机机载数据记录仪结构体系

通过对通用飞机机载数据记录仪的需求分析可以得出，研究一种不依赖于某一特定飞机平台及某一具体试飞测试应用的，既能够的满足现有通用飞机试飞测试需要，又能够满足未来新机试飞测试需求的通用型、功能可灵活扩展的新型通用飞机机载记录仪是十分必要的[12]。新型通用飞机数据记录仪采用模块化的设计思想进行体系结构的设计。

3.1 系统硬件结构

新型数据记录仪硬件体系结构如图1所示。系统由主控单元通过系统总线控制其他系统单元，实现相应的功能。其中各系统单元和模块的功能如下：

(1)主控单元：作为记录仪的中央处理器，负责实现每个模块和系统单元的自身功能。可以选择FPGA，ARM单片机、DSP或者PC/104等结构。

(2)系统总线：负责连接主控单元与各个系统单元。可以选用ARINC-629总线或PC/104总线等结构。

(3)接口模块：负责记录仪与地面数据分析设备的数据通信。可以使用USB、网络接口、无线蓝牙等结构。

(4)通信模块：负责机载记录仪在空中与地面站的通信。实现记录仪和地面站台的数据交换、传输功能。确保地面站能实时监控飞机状态。可以选用光通信等技术。

(5)机型配置模块：负责识别通用飞机型号并且匹配适应该飞机型号的系统功能，实现记录仪的通用性。

(6)数据采集单元：负责实时采集飞机的各类飞行数据和驾驶舱内的视、音频信息。

(7)数据存储单元：负责存储飞行数据和驾驶舱内的视、音频信息。结构可以采用CF卡或Flash存储，不仅存储量大而且节约制作成本。

(8)控制开关单元：控制整个数据记录仪的开关。

(9)时钟单元：负责同步时钟，不仅要求飞行数据的记录时钟同步于地面站，还要同步于卫星的GPS系统，并且要求准确记录飞机飞行时间，实现数据记录的实时性和准确性。

(10)重新启动单元：负责当记录仪不受控制或者死机时，由工作人员或者飞行员强行重新启动，使系统初始化。

(11)多功能卡槽：为了实现记录仪的可扩展模块化结构，设计了多功能模块卡槽。负责实现未来具有新功能应用模块的功能。

(12)电源供给单元：负责满足整个数据记录仪电量需求。本文设计成飞机总电源、飞机蓄电池和太阳能电池三重保障供电结构。

图1 系统硬件结构体系

3.2 系统软件功能

新型数据记录仪的软件设计分为操作层、驱动层和应用层的三层结构。其中操作层：主要负责管理、控制和协调所有的硬件设备,并处理所有来自硬件的中断请求,同时,对采集到的数据进行分类、存贮及简单的处理；驱动层：包含所有外围设备的驱动程序，例如：数据采集单元等的驱动程序，这些驱动程序负责接收硬件的中断，驱动程序经编译后作为系统内核的一部分存在；应用层：包含所有软件应用功能模块程序，实现数据记录仪的多功能记录。

新型记录仪依据其系统功能，设计了12类应用功能模块。每个模块都负责不同的任务，模块与模块之间也相互配合与作用，以确保整个系统的稳定性。下面分析各个应用模块的功能与作用：

(1)飞机的姿态信息模块。采集信号源：①飞机地平仪姿态陀螺的俯仰角数据；②飞机地平仪姿态陀螺的倾斜角数据；③飞机航向陀螺的航向角数据。

(2)飞机导航信息记录模块。采集信号源：①飞机INS/GPS数据记录；②飞机水平速度、垂直速度数据；③飞机相对海平面高度数据。

(3)飞机发动机信息记录模块。采集信号源：①飞机发动机转速数据；②飞机发动机温度数据。

(4)飞机油箱信息记录模块。采集信号源：①飞机滑油液位高度数据；②飞机燃料油液位高度数据。

(5)飞机视频音频信息记录模块。采集信号源：驾驶舱内视频、音频信息。

(6)飞机电源电压信息记录模块。采集信号源：飞机的电源电压数据。

(7)大气机信息记录模块。采集信号源：风速、大气静压、大气总温度、迎角等，通过以上信息计算出较多的与大气数据有关的参数，如高度偏差、升降速度、真实空速、指示空速、马赫数、马赫数变化率、总温、真实静压、大气静温、大气密度比、真实迎角等。

(8)飞机噪声记录模块。采集信号源：飞机起飞和降落时产生的噪声。

(9)飞机安全装置参数记录模块。采集信号源：通用飞机飞行员安全气囊，安全座椅，和安全玻璃等各项安全装置的参数。

(10)多功能设置模块：系统成功启动后，运行此模块加载开启应用模块多功能卡槽程序，使具有新功能的应用模块发挥作用，方便记录仪升级，实现记录仪的可裁剪和模块扩展功能。

(11)系统管理模块：管理其它功能模块，控制记录仪程序进程。同时实现应用模块的可插拔功能，保证应用模块的稳定工作。

(12)系统自检模块：对整个系统中各个硬件设备进行自检,如有故障则立即报警。

图2 软件功能框图

3.3 记录仪用途分类

根据通用飞机在应用领域的广泛用途，新型通用飞机机载数据记录仪可应用于以下方面：

(1)飞机的维修方面：利用对飞行数据的分析,可以掌握机件在何时发生失效,什么原因导致失效,以及失效后的后果等等。以此为基础,就可以制定出合理的维修方案,在最恰当的时机,安排进行针对性的维修工作。这就是新型的维修方式，我们称之为：视情维修[14]。

(2)飞机的设计和新机改进方面：利用记录仪记录的飞行数据,通过计算机的综合分析,可完整反映飞机在不同条件下的气动性能,解决各种不同类型的飞行气动问题。据此提出的改进飞机设计的意见,这是人工调查分析根本无法比拟的。

(3)飞机的事故分析方面：可以清楚的得出飞机存在的问题与隐患，精确缩小拆换部件。如果飞机不幸坠毁，可通过机载数据记录仪找出事故原因。

(4)飞行员模拟训练方面：为飞行员在陆地进行模拟飞行训练提供了科学、真实的数据条件。

(5)飞行员驾驶考核方面：对飞行员飞行考核提供有效测评数据。

(6)单机状态跟踪。分析出各种飞行状态的最佳条件并且建立单机数据档案；记录飞机飞行路程，确保飞行员更好完成飞行任务[7]。

4 结论

基于模块化设计思想的通用飞机机载数据记录仪是一种不依赖于某一特定飞机平台的系统。用户可根据自身需求，自行设置应用模块，从而使通用飞机机载数据记录仪实用性更强。同时，新型数据记录仪不仅对我国的通用航空发展有重要的实用价值，系统还可扩展应用到车载、舰载及工业自动化测试与控制领域中,具有广阔的市场前景。

[1]韩勇豪.一种大容量无人机飞行数据记录仪的研制[D].南京：南京航空航天大学,2011.

[2]康永，周建民.通用航空发展现状、趋势和对策分析[J].现代导航,2012(5):360-361.

[3]张雪.机载数据采集器测试系统的设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[4]顾田伟.小型化无人机飞行参数记录仪的研制[D].南京:南京航空航天大学,2008.

[5]巫景燕，刘福华，龙贵华，等.直升机飞行数据记录及管理系统的设计[J].测控技术,2004,23(11):42-45.

[6]张波，席庆彪，贾伟.低成本无人机机载记录仪设计与应用[J].航空计算技术,2009,39(3):114-116.

[7]朱攀蓉.飞行数据综合记录分析技术研究[D].西安:西北工业大学,2005.

[8]宁伟.通用航空总线实时测试与分析技术研究[D].西安：西北工业大学,2006.

[9]孙海燕.基于ARM的机载数据采集系统的设计与研究[D].西安：西北工业大学,2006.

[10]何志国.基于ARM的机载数据采集系统研究[D].西安：西安科技大学，2006.

[11]苏建军.飞行参数记录系统同步器信号的采集[J].电子设计应用,2003(3):42-44.

[12]John A.Wise,Todd Denning.John Bretschneider general aviation in 2050[C].1st AIAA Aircraft,Technology,Integration,and Operations Forum Los Angeles.Oct.16-18,2001：1-5.

[13]滕斌，田方正.基于USB的分布式通用机载测试系统设计[J].测控技术，2007,26(4):11-13.

[14]孙同江.飞行数据的应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2003.

[15]Jean H.Slane，Robert J.Butler，John J.Emmerling.Evaluation of a general aviation flight data recorder[C].AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference.and Exhibit20-23 August 2007,Hilton Head,South Carolina.

[16]Elaine M.Blount,Victoria I.Chung.General aviation data framework[C].AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit 21-24 August 2006,Keystone,Colorado.

[17]Ryan A.Neuhart,David R.Gingras，Randy S.Hultberg,et al.Graybeal flight data collection for general aviation aircraft simulation validation[C].AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference.10-13 August 2009,Chicago,Illinois.

(责任编辑：刘划 英文审校：刘敬钰)

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

航空科学基金(项目编号：2012ZD54013)

卢艳军(1968-)，女，辽宁义县人，副教授，主要研究方向：复杂系统故障诊断技术及飞行器主动安全技术，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