基于ARINC429总线的飞行模拟器DME音频激励方法研究

孔令帅 周标 王瑞 姚瑶

摘 要：【目的】使用诸多机载真件的高等级飞行模拟器存在无法通过传统模拟音频方案产生DME导航音频的问题，提出一种适用于ARINC429设备的数字音频解决方案。【方法】通过采集机载DME—4 000设备与RIU之间的数据，解析DME输出到RIU的ARINC429格式数据的传输时序及导航音频的L044数据位组字规则。【结果】以浦东导航台为例，将对应的莫尔斯电码按本研究提出的方法转换成0-1字符串，并以20位为一组分割打包成L044数据字，再按真机时序对其进行传输，最终产生的DME导航音频与真机真实声音要保持一致。【结论】试验证明，本研究提出的基于ARINC429总线法能有效解决某民用客机飞行模拟器在采用RIU、ACP真机设备和真机链路时DME数字音频的激励问题，从而达到预期的仿真效果。

关键词：飞行仿真；机载音频系统；测距器；飞行模拟器；数字音频；ARINC429；总线激励

中图分类号：TP336                  文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0009-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.002

DME Audio Excitation Method of Flight Simulator Based on ARINC429 Bus

KONG Lingshuai1 ZHOU Biao2 WANG Rui2 YAO Yao1

（1.Beijing Lantian Aviation Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China;

2.Qingdao Lantian Aviation Technology Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract： [Purposes] The problem that the high-level flight simulator using many airborne real parts cannot generate DME navigation audio through the traditional analog audio scheme， this paper proposes a digital audio solution suitable for ARINC429 equipment. [Methods] By collecting the data between the airborne DME-4 000 equipment and the RIU， the transmission timing of ARINC429 format data output from DME to the RIU and the L044 data bit grouping rules for navigation audio are analyzed. [Findings] Taking Pudong Navigation Station as an example， this study transformed the corresponding Morse code into 0-1 string in the way mentioned in this article， and then divided and packed it into L044 data words in 20 bits， and then transmitted it according to the real time sequence. The final DME navigation audio is consistent with the real voice of the real machine. [Conclusions] The test shows that the method based on ARINC429 bus mentioned in this study can effectively solves the problem of DME digital audio excitation of a flight simulator using real RIU， ACP equipment and real aircraft link， and achieves the expected simulation effect.

Keywords： flight simulation; airborne audio system; DME; flight simulator; digital audio; ARINC429; bus excitation

0 引言

測距器系统（distance measuring equipment，DME）主要是由两部分组成的，即安装在航空器上的DME询问机和位于地面的DME地面信标台［1］。DME询问机通过测量发射信号与接收信号的时间差，可计算出飞机到地面站台的斜距，通过测量斜距的变化率可计算出飞机接近或离开信标台时的速度。DME地面信标台是民用航空器常用的无线电导航设备信号发生器，安装于机场和航路上。DME系统不仅为机组提供到台距离和到台时间，还可将DME地面信标台转换为莫尔斯音频进行播报，是主要的航路导航方式之一［2］。

在飞行模拟器［3］中，往往采用软件方式来对包括DME系统在内的航电系统设备进行仿真［4-6］，从而为飞行员提供逼真的飞行数据显示和声音提示。在飞行模拟器中，通过建立导航数据库，保存DME地面信标台的位置、有效范围等信息，可用于模拟DME地面信标台。在DME仿真软件中运行实时仿真系统，通过接收其他仿真软件输出的飞机实时位置、驾驶舱调谐频率、工作模式等信息，根据调谐频率和DME地面信标台的有效范围，在导航数据库中查询有效的DME地面信标台，从而获取DME地面信标台信息，包括台站纬度、经度、标高、工作频率、识别码、台站类型等。根据飞机位置来实时解算飞机相对选定的DME地面信标台的距离、地速、到台时间，通过驾驶舱指示记录系统来显示相关信息。同时，将台站识别码转换成莫尔斯电码后输出到后端音频设备中，并以音频形式输出。

机载音频系统主要有两种架构［7］，一是基于模拟音频的传统架构，二是基于数据总线的数字音频架构。

飞行员通过模拟音频系统［8-9］的音频控制板（audio control panel，ACP）将控制命令发送到音频管理单元中，音频管理单元与话筒耳机等可采用模拟信号线连接在一起，并通过模拟信号线将音频信号发送到外部通道。

在数字音频系统［10-11］中，飞行员通过ACP发送控制命令来对各个通道的通断进行控制。与模拟音频系统不同的是，来自话筒的模拟音频信号通过ACP转换成数字信号，或通过其他系统直接产生数字音频信号发送给ACP。ACP通过数据总线将其发送给音频管理单元，音频管理单元将接收到的数字音频信号转换成模拟音频后发送给外部通道。

随着数字信号处理技术（digital signal processing，DSP）的发展，数字音频系统因灵活性好、便于修改、便于大规模集成等优点，被广泛应用于民航飞机上，并逐渐取代模拟音频系统。

某民用客机音频通信系统采用的数字音频系统由2个无线电接口单元（radio interface unit，RIU）、3个ACP 和若干通信导航收发机等组成。ACP与RIU、RIU与收发机间均采用ARINC429总线［12-13］来传输数字音频信息。

在飞行模拟器中对导航音频仿真时，传统方法采用的是模拟音频，对ACP及后端声音设备，可采用仿真件将提前录制或采集到的清晰真机音频转换成音频文件并保存，再根据机载逻辑触发音频来播放，使用灵活。以某民用客機高等级飞行模拟器为例，为提高逼真度，ACP和RIU均采用机载真件和真机链路，采用ARINC429信号接口，仿真时要触发导航音频就要研究相关的ARINC429总线信号传输时序，并解析导航音频相关的Label字组字规则。

本研究以某民用客机高等级飞行模拟器DME系统仿真方案为例，研究DME系统相关ARINC429总线信号的传输时序，通过解析DME导航音频相关的Label字组字规则，推导在ACP和RIU均采用机载真件和真机链路时的DME导航音频激励法，为飞行模拟器DME系统导航音频仿真提供全新的数字音频解决方案。

1 某飞行模拟器DME系统仿真方案

某民用客机的DME系统采用的是DME—4000接收机。DME—4 000接收机是从RIU来接收调谐信号，通过发送询问信号来获取DME地面信标台的信息，依次计算到台距离、地速和到台时间，以ARINC429总线形式将其输出到远程数据接口单元（remote data interface unit，RDIU）中，RDIU将ARINC429信号转换为ARINC664信号［14-15］，并在驾驶舱主飞行显示器上显示。同时，将DME地面信标台的识别码以ARINC429信号的形式输出到RIU中，RIU将其传输给ACP控制声音设备，最终实现DME导航音频播放。

某民用客机飞行模拟器DME系统的仿真实现方案如下。①使用仿真软件来实现DME—4 000接收机的内部逻辑；②DME通过建立导航数据库来实现对信标台的模拟；③DME仿真软件通过接口系统来实现与物理电气链路的交互；④ACP、RIU、RDIU、声音设备均采用机载真件，物理电器链路按真机链路进行连接。

DME仿真软件通过接口系统从RIU来接收频率、工作模式等调谐信号，通过共享数据网络（shared data network，SDN）从其他仿真软件中接收当前飞机位置、速度、姿态、供电等信息，并通过查询导航数据库来获取相应的信标台信息，通过数学建模和逻辑建模，依次计算出到台距离、地速、到台时间、音频标志，并输出到接口系统中，由接口系统来实现与RIU、RDIU的交互。某飞行模拟器DME系统仿真原理如图1所示。图中，DME为仿真软件，RDIU、RIU、ACP、飞行显示器均为真实的机载设备。

2 某机载DME设备音频时序

通过研究某机载DME—4 000设备接口可知，DME—4 000输出至RIU的参数见表1。

机载DME—4 000设备为三通道，能连续提供飞机和3个DME地面信标台间的距离信息。3个通道的数据传输采用循环发送方式。

通过采集分析机载DME—4 000设备与RIU间的数据，得到DME输出到RIU的信号时序，见表2。

由表2可知，完整的DME数据序列是由CH1（035、201、202、002、012、044）、CH2（035、202、002、012、044）、CH3（035、202、002、012）、CH1（035、201、202、300、300、350）、CH2（035、202、300、300、350）、CH3（035、202、300、300、350）组成的。以完整传输3个通道为一个周期，表2中包含两个周期，分别定义为第一个周期和第二个周期。以上述两个周期为单位，循环传递，即在200 ms内完成传输。此外，只有频率字包含信道代码位。

ARINC 429总线［16］上传输的每个数据字有32位，分为5个部分，即标识号（Label）、源/目的识别码（SDI）、数据组（Data）、符号/状态标志（SSM）、奇偶校验位（P），1个数据字传输1个参数数据或1组离散量信号数据。ARINC429协议的基本格式见表3。

DME导航音频信息是通过Octal Label 044（DME Identity Presence）进行传递的。在ARINC429协议中，Octal Label 044数据的定义见表4。

由表4可知，每一帧Octal Label 044包含32位。其中，第1～8位Octal Label为标号位，即label号；第9～10位SDI为源/目的识别位，用于表征设备；第11位Channel Identifier为表征通道；第12～31位Ident Sample为数据位，每帧长度为20 bit，主要承载着DME导航音频的主要内容；第32位为奇偶校验位。

可用唯一的一组莫尔斯电码来表示DME输出的台站识别码［17］。通过对采样数据进行分析，L044中数据位取值所组成的01字符串与该莫尔斯电码是固定对应的。莫尔斯电码与01字符串的对应规则见表5。

将产生的01字符串以20为一组进行分割，并按高低位重新进行组合，从而实现与Octal Label 044中Ident Sample的数据长度相匹配。

3 DME音频激励

以上海地区浦东导航台为例，通过将识别码转换成莫尔斯电码，并建立其与L044中Ident Sample数据位的对应关系。导航台的名称是浦东、频率为116.9 MHz、识别码为PUD，中间点和线段的组合是该导航台的莫尔斯电码，波道为CH116X。浦东导航台在航图上的标志如图2所示，由一个VOR信标台和DME信标台组合而成。图中的符号为一个正方形（DME）里面加一个六边形（VOR）。

由图2可知，浦东导航台的莫尔斯电码为“.--. ..- -..”（点横横点 点点横 横点点）。按照表5中莫尔斯电码与01字符串的对应规则，浦东导航台的莫尔斯电码对应的01字符串见表6。

按照ARINC429协议，每一帧Octal Label 044都包含20位数据位，将表6中的01字符串以20位为一组进行截取，截取后放到整型数组中，并发送给接口系统，由接口系统完成对ARINC429数据的打包。浦东导航台对应的ARINC429格式的L044數据位见表7。

经工程验证，在RIU、ACP及后端音响采用真机设备时，按L044组字规则和表2所示的整体信号传输时序，能成功激励出DME导航音频。

4 结语

本研究阐述了民用航空DME方式、机载两种音频架构及其优缺点，通过引入DME导航音频来进行仿真研究。针对某飞行模拟器要使用大量真件的特点，发现传统模拟音频架构无法满足DME导航音频仿真需求，因此，提出基于ARINC429总线的数字音频解决方案。某飞行模拟器上DME系统采用仿真软件进行分析，RIU、ACP及后端音响采用真机设备和真机链路，所以只能采用基于ARINC429总线的数字音频进行激励。通过采集机载DME—4 000设备与RIU间的传输数据，对DME输出到RIU的ARINC429数据的传输时序及导航音频的L044数据位组字规则进行解析。以浦东导航台为例，通过介绍其导航音频与ARINC429总线的对应关系，推导出L044数据位的组字方式。在RIU、ACP采用真机设备和真机链路的情况下，给出基于ARINC429总线的DME导航音频激励法，其能有效解决某飞行模拟器系统DME导航音频仿真问题，为高等级飞行模拟器系统导航音频激励提供全新的数字音频解决方案。

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