電子飛行儀表系統(tǒng)與大氣和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的集成

季小琴

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院綜合航電設(shè)計(jì)研究部指示/記錄室，上海 200235）

考慮到AC25－11A的建議，一般民用飛機(jī)的飛機(jī)級FHA中均將“駕駛艙所有姿態(tài)/空速/氣壓高度/航向（包括備用儀表）的喪失”及“兩側(cè)主姿態(tài)、空速（伴隨失速或過速告警喪失）、氣壓高度錯(cuò)誤指示”的危害性等級定義為災(zāi)難級；將正副駕駛兩側(cè)主姿態(tài)、空速、氣壓高度及航向的喪失危害性等級定義為主要或者危險(xiǎn)的。另外，對于采用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的飛機(jī)，要求姿態(tài)數(shù)據(jù)的顯示延遲（包括傳感器）不應(yīng)超過100 ms的一階系統(tǒng)的等效時(shí)間常數(shù)。這就使大氣數(shù)據(jù)和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)與綜合顯示系統(tǒng)之間交聯(lián)構(gòu)架的可用性、完整性和延時(shí)特性成為航電集成的至關(guān)重要的問題。

1 系統(tǒng)簡述

電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）一般通過 ARINC429和ARINC664總線從飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)接收飛機(jī)姿態(tài)、航向、空速、高度、溫度等飛行和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并通過一定的計(jì)算把相關(guān)的飛行和導(dǎo)航信息提供給正、副駕駛，作為兩側(cè)主顯示。同時(shí)，考慮到兩側(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)錯(cuò)誤指示的危害性，顯示系統(tǒng)會對這些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比監(jiān)控，并將結(jié)果通報(bào)給飛行員，以便在非正常狀態(tài)下，飛行員能夠及時(shí)知曉并采取相關(guān)動(dòng)作，將危害降到最低。

2 相關(guān)條款要求

美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和中國民航當(dāng)局（CAAC）在其適航規(guī)章FAR25和CCAR25部的1303條款“飛行和導(dǎo)航儀表”（b）中均要求“每一駕駛員工作位置處必須安裝空速表、高度表（靈敏型）、升降速度表（垂直速度）、帶有側(cè)滑指示器（轉(zhuǎn)彎傾斜儀）的陀螺轉(zhuǎn)彎儀、傾斜俯仰指示器（陀螺穩(wěn)定的）、航向指示器（陀螺穩(wěn)定的磁羅盤或非磁羅盤）。其中，按有關(guān)營運(yùn)條例裝有在360度俯仰和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)中均可工作的第三套姿態(tài)儀表系統(tǒng)的大型飛機(jī)，只需有側(cè)滑指示器”。在1333條款“儀表系統(tǒng)”中要求“1303（b）要求的，各駕駛員工作位置處的儀表，其工作系統(tǒng)應(yīng)符合：（a）必須有措施，能使正駕駛員工作位置處的儀表與獨(dú)立的工作系統(tǒng)相連接（獨(dú)立于其他飛行機(jī)組工作位置處的工作系統(tǒng)或其它設(shè)備）?！?/p>

3 物理和功能構(gòu)架分析

從相關(guān)失效安全性等級要求和延時(shí)要求可以看出，大氣數(shù)據(jù)和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)與綜合顯示系統(tǒng)之間構(gòu)架的可用性、完整性和延時(shí)對飛機(jī)來說是至關(guān)重要的，同時(shí)為了滿足要求，我們應(yīng)該采用正副駕駛數(shù)據(jù)源相對獨(dú)立的構(gòu)架。以下就幾種典型的支線和干線飛機(jī)構(gòu)架進(jìn)行相關(guān)分析：

3.1 傳統(tǒng)支線和干線飛機(jī)

3.1.1 傳統(tǒng)支線飛機(jī)構(gòu)架

目前，在航的傳統(tǒng)支線飛機(jī)（如龐巴迪CRJ）均采用2套大氣數(shù)據(jù)和慣性基準(zhǔn)/姿態(tài)航向源。

正常情況下，機(jī)身左右兩側(cè)大氣和慣性基準(zhǔn)數(shù)據(jù)均同時(shí)發(fā)送給正副駕駛顯示系統(tǒng)，正駕駛使用左側(cè)數(shù)據(jù)源，副駕駛使用右側(cè)數(shù)據(jù)源（滿足§25.1333（a）的要求）。同時(shí)，正副駕駛會對左右兩側(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對比（一般主要包括姿態(tài) PTT、空速IAS、高度ALT、航向HDG）。當(dāng)任何一側(cè)比較發(fā)現(xiàn)兩側(cè)數(shù)據(jù)超出一定的范圍時(shí)，均會給同側(cè)飛行員提供一個(gè)黃色（帶邊框的）“比較不一致”的警告旗，通告飛行員當(dāng)前的狀態(tài)。此時(shí)，正副駕駛可以通過與備用儀表的對比，發(fā)現(xiàn)超出范圍的一側(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一側(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（或一側(cè)失效）時(shí)，飛行員可以通過轉(zhuǎn)換選擇板（RSP）手動(dòng)轉(zhuǎn)換，選擇使用對側(cè)數(shù)據(jù)。此時(shí)，正副駕駛共用一套有效數(shù)據(jù)源，對側(cè)比較將不起作用，但如果此時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的錯(cuò)誤信息飛行員將不易察覺，可能造成災(zāi)難性的后果，為了避免這種情況，往往要求在這種情況下要顯示相關(guān)的共用源通告，時(shí)刻提醒正副駕駛要注意，并與備用儀表對比相關(guān)信息。

3.1.2 A320傳統(tǒng)干線飛機(jī)構(gòu)架

A320系列是歐洲空中客車工業(yè)公司研制的，1988年取證的，最為經(jīng)典的雙發(fā)中短程150座級干線客機(jī)。它采用6個(gè)全色陰極射線管顯示器，配置了 3套大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（ADIRS）。真正意義上，它的每個(gè)ADIRU可以分成2個(gè)部分，大氣數(shù)據(jù)基準(zhǔn)（ADR）和慣性基準(zhǔn)（IR）兩部分，如果其中一個(gè)故障了，另一個(gè)仍可以獨(dú)立工作。

正常情況下，正駕駛顯示ADIRU 1的相關(guān)數(shù)據(jù)，副駕駛顯示ADIRU 2的相關(guān)數(shù)據(jù)。姿態(tài)、高度、航向三個(gè)主要參數(shù)由飛行告警計(jì)算機(jī)（FWC）監(jiān)控。比較不一致時(shí)，正副駕駛PFD上均會出現(xiàn)“CHECK ATT”、“CHECK ALT”、“CHECK HDG”琥珀色“比較不一致”警告，并出現(xiàn)相關(guān)的CAS警戒信息。此時(shí)，正副駕駛可以通過與備用儀表的對比，發(fā)現(xiàn)超出范圍的一側(cè)，并通過位于中央操縱臺的轉(zhuǎn)換板手動(dòng)選擇，使用備用的第三套數(shù)據(jù)源。

3.1.3 延時(shí)性考慮

雖然傳統(tǒng)飛機(jī)適航取證時(shí)，適用的 AC25－11對延時(shí)沒有相關(guān)的建議和要求，但由于一般姿態(tài)數(shù)據(jù)均直接采用 A429總線將數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)，從傳感器到顯示終端的延時(shí)時(shí)間基本均能控制在100 ms左右。

3.2 較先進(jìn)的支線和干線飛機(jī)

除了從安全性考慮，F(xiàn)AR/CCAR25條款和AC25－11和11A要求給正副駕駛的姿態(tài)、航向、空速等數(shù)據(jù)源要相對獨(dú)立，但考慮到隨著航電和顯示技術(shù)的快速發(fā)展，航電顯示系統(tǒng)綜合程度越來越高，發(fā)生組合性故障同時(shí)要求飛行員立即采取動(dòng)作的可能性也增多，為了減輕飛行員的操作負(fù)擔(dān)，2007年6月發(fā)布的新版AC25－11A的第6章的36.e（2）“傳感器選擇及通告”中“建議采用自動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”。

3.2.1 較先進(jìn)的支線飛機(jī)構(gòu)架

ERJ170和190是巴西航空在其ERJ145的基礎(chǔ)上全新研制，并分別于2004和2005年取證交付使用的新型支線機(jī)。

在這里需要說明的是，雖然ERJ170和190的取證交付時(shí)間早于AC25－11A的發(fā)布時(shí)間，但在其顯示和大氣慣導(dǎo)系統(tǒng)的集成中已初步考慮了傳感器數(shù)據(jù)源（大氣數(shù)據(jù)）的自動(dòng)選擇，這主要得益于其先進(jìn)的航電供應(yīng)商Honeywell。

ERJ179/190飛機(jī)的主顯示系統(tǒng)與3套大氣數(shù)據(jù)軟件（ADA）交互，ADA通過模塊化航電設(shè)備（MAU）底板發(fā)送大氣數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）。NIC通過ASCB（航電標(biāo)準(zhǔn)通信總線）傳輸大氣數(shù)據(jù)給其他航電系統(tǒng)。

正常情況下，正駕駛使用 ADS1，副駕駛使用 ADS2。當(dāng)ADS1或ADS2故障時(shí)，受影響側(cè)的大氣數(shù)據(jù)顯示丟失，同時(shí)會給飛行員一個(gè)故障指示。這時(shí)，受影響側(cè)會自動(dòng)轉(zhuǎn)換（或者飛行員手動(dòng)轉(zhuǎn)換）選擇剩下的兩套ADS中的一套作為數(shù)據(jù)源。自動(dòng)轉(zhuǎn)換邏輯主要取決于ASCB總線上的當(dāng)前大氣數(shù)據(jù)源、空速或者高度是否有效。自動(dòng)轉(zhuǎn)換發(fā)生后，如果仍沒有有效的大氣數(shù)據(jù)源可用，將回到默認(rèn)狀態(tài)（ADS1給正駕駛，ADS2給副駕駛）。如果找到有效的備用源，即使原先的數(shù)據(jù)源恢復(fù)正常，也將不再使用。正副駕駛手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換邏輯為：

正駕駛：

? ADS 1（正常情況）

? ADS 3（第一次轉(zhuǎn)換）

? ADS 2（第二次轉(zhuǎn)換）

副駕駛：

? ADS 2（正常情況）

? ADS 3（第一次轉(zhuǎn)換）

? ADS 1（第二次轉(zhuǎn)換）

ERJ179/190飛機(jī)的主顯示系統(tǒng)集成了2套慣性導(dǎo)航源。每套慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)通過A429將數(shù)據(jù)發(fā)送給3個(gè)MAU，MAU的I/O通過ASCB將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示系統(tǒng)。數(shù)據(jù)源的使用與傳統(tǒng)支線機(jī)一致。

3.2.2 B787先進(jìn)的干線飛機(jī)構(gòu)架

B787是波音新研的雙發(fā)、雙通道干線飛機(jī)，目前正處于最終的取證交付階段。B787的大氣數(shù)據(jù)基準(zhǔn)系統(tǒng)（ADRS）通過3套獨(dú)立駐留于通用處理模塊（GPM）中ADA軟件為所有用戶系統(tǒng)提供單套高完整性的（經(jīng)過表決的）氣壓高度、計(jì)算空速、馬赫數(shù)、真空速、修正過的 AOA、總溫、靜溫等數(shù)據(jù)。B787中顯示和機(jī)組告警系統(tǒng)從飛控電子裝置（FCE）接收慣性數(shù)據(jù)，而慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)直接通過A429間數(shù)據(jù)傳送給FCE。正副駕駛兩側(cè)顯示系統(tǒng)對于ADRS提供的表決過的大氣數(shù)據(jù)和FCE提供的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)直接進(jìn)行自動(dòng)選擇。當(dāng)所有可用的數(shù)據(jù)源失效時(shí)，飛行員可以通過位于同側(cè)儀表板角板的大氣數(shù)據(jù)/姿態(tài)轉(zhuǎn)換選擇旋鈕選擇備用（ALTN）源，此時(shí)主顯示系統(tǒng)將顯示備用儀表的姿態(tài)和全球定位系統(tǒng)（GPS）的空速、高度等數(shù)據(jù)。

這種使用投票表決的方案，在出現(xiàn)故障或者錯(cuò)誤時(shí)，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)的排除故障數(shù)據(jù)，在故障條件下，尤其是組合故障時(shí)，能夠有效的減輕機(jī)組工作量。這樣的方案更好的考慮了AC25－11A的第6章的36.e（2）“傳感器選擇及通告”中建議的自動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可靠性高，且能更好的符合人為因素相關(guān)要求。但也不難看出，這樣的設(shè)計(jì)構(gòu)架顯然不能滿足FAR/CCAR1333（a）的條款要求。這種情況下，需要制定相關(guān)的問題紀(jì)要，進(jìn)行等效安全（ELOS）符合性說明，申請人必須向?qū)彶榉奖砻鳌斑@樣的信號傳送系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征能夠達(dá)到與獨(dú)立的信號源等效的完整性和可用性”。主制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商需要給審查方提供系統(tǒng)描述文件、鑒定試驗(yàn)報(bào)告、取證飛行試驗(yàn)報(bào)告、系統(tǒng)級和飛機(jī)級安全分析報(bào)告，證明當(dāng)前架構(gòu)能夠達(dá)到甚至超過CFR/CAR25.1333（a）要求的安全性級別。

4 結(jié)束語

本文僅從已適航飛機(jī)的角度簡要分析了現(xiàn)有的顯示和大氣數(shù)據(jù)及慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)。對于飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，由于技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)的操作、顯示、數(shù)據(jù)的處理可能并不會完全按照規(guī)章和咨詢通報(bào)已有的要求來做，但對于安全性來說，自始至終都是最重要的，在前期的設(shè)計(jì)中就應(yīng)做好足夠的分析，保證系統(tǒng)構(gòu)架的完整性和可用性，這也是適航當(dāng)局最為關(guān)心的問題。

1 中國民航總局.中國民用航空規(guī)章（第25部）：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，2001.5