電子飛行儀表系統與大氣和慣性基準系統的集成

季小琴

（上海飛機設計研究院綜合航電設計研究部指示/記錄室，上海 200235）

考慮到AC25－11A的建議，一般民用飛機的飛機級FHA中均將“駕駛艙所有姿態/空速/氣壓高度/航向（包括備用儀表）的喪失”及“兩側主姿態、空速（伴隨失速或過速告警喪失）、氣壓高度錯誤指示”的危害性等級定義為災難級；將正副駕駛兩側主姿態、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的。另外，對于采用傳統控制系統的飛機，要求姿態數據的顯示延遲（包括傳感器）不應超過100 ms的一階系統的等效時間常數。這就使大氣數據和慣性基準系統與綜合顯示系統之間交聯構架的可用性、完整性和延時特性成為航電集成的至關重要的問題。

1 系統簡述

電子飛行儀表系統（EFIS）一般通過 ARINC429和ARINC664總線從飛機大氣數據和慣性基準系統接收飛機姿態、航向、空速、高度、溫度等飛行和導航數據，并通過一定的計算把相關的飛行和導航信息提供給正、副駕駛，作為兩側主顯示。同時，考慮到兩側關鍵數據錯誤指示的危害性，顯示系統會對這些關鍵的數據進行對比監控，并將結果通報給飛行員，以便在非正常狀態下，飛行員能夠及時知曉并采取相關動作，將危害降到最低。

2 相關條款要求

美國聯邦航空管理局（FAA）和中國民航當局（CAAC）在其適航規章FAR25和CCAR25部的1303條款“飛行和導航儀表”（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）、帶有側滑指示器（轉彎傾斜儀）的陀螺轉彎儀、傾斜俯仰指示器（陀螺穩定的）、航向指示器（陀螺穩定的磁羅盤或非磁羅盤）。其中，按有關營運條例裝有在360度俯仰和滾轉姿態中均可工作的第三套姿態儀表系統的大型飛機，只需有側滑指示器”。在1333條款“儀表系統”中要求“1303（b）要求的，各駕駛員工作位置處的儀表，其工作系統應符合：（a）必須有措施，能使正駕駛員工作位置處的儀表與獨立的工作系統相連接（獨立于其他飛行機組工作位置處的工作系統或其它設備）。”

3 物理和功能構架分析

從相關失效安全性等級要求和延時要求可以看出，大氣數據和慣性基準系統與綜合顯示系統之間構架的可用性、完整性和延時對飛機來說是至關重要的，同時為了滿足要求，我們應該采用正副駕駛數據源相對獨立的構架。以下就幾種典型的支線和干線飛機構架進行相關分析：

3.1 傳統支線和干線飛機

3.1.1 傳統支線飛機構架

目前，在航的傳統支線飛機（如龐巴迪CRJ）均采用2套大氣數據和慣性基準/姿態航向源。

正常情況下，機身左右兩側大氣和慣性基準數據均同時發送給正副駕駛顯示系統，正駕駛使用左側數據源，副駕駛使用右側數據源（滿足§25.1333（a）的要求）。同時，正副駕駛會對左右兩側數據分別進行對比（一般主要包括姿態 PTT、空速IAS、高度ALT、航向HDG）。當任何一側比較發現兩側數據超出一定的范圍時，均會給同側飛行員提供一個黃色（帶邊框的）“比較不一致”的警告旗，通告飛行員當前的狀態。此時，正副駕駛可以通過與備用儀表的對比，發現超出范圍的一側。當發現一側數據錯誤（或一側失效）時，飛行員可以通過轉換選擇板（RSP）手動轉換，選擇使用對側數據。此時，正副駕駛共用一套有效數據源，對側比較將不起作用，但如果此時出現危險的錯誤信息飛行員將不易察覺，可能造成災難性的后果，為了避免這種情況，往往要求在這種情況下要顯示相關的共用源通告，時刻提醒正副駕駛要注意，并與備用儀表對比相關信息。

3.1.2 A320傳統干線飛機構架

A320系列是歐洲空中客車工業公司研制的，1988年取證的，最為經典的雙發中短程150座級干線客機。它采用6個全色陰極射線管顯示器，配置了 3套大氣數據慣性基準系統（ADIRS）。真正意義上，它的每個ADIRU可以分成2個部分，大氣數據基準（ADR）和慣性基準（IR）兩部分，如果其中一個故障了，另一個仍可以獨立工作。

正常情況下，正駕駛顯示ADIRU 1的相關數據，副駕駛顯示ADIRU 2的相關數據。姿態、高度、航向三個主要參數由飛行告警計算機（FWC）監控。比較不一致時，正副駕駛PFD上均會出現“CHECK ATT”、“CHECK ALT”、“CHECK HDG”琥珀色“比較不一致”警告，并出現相關的CAS警戒信息。此時，正副駕駛可以通過與備用儀表的對比，發現超出范圍的一側，并通過位于中央操縱臺的轉換板手動選擇，使用備用的第三套數據源。

3.1.3 延時性考慮

雖然傳統飛機適航取證時，適用的 AC25－11對延時沒有相關的建議和要求，但由于一般姿態數據均直接采用 A429總線將數據傳輸給顯示系統，從傳感器到顯示終端的延時時間基本均能控制在100 ms左右。

3.2 較先進的支線和干線飛機

除了從安全性考慮，FAR/CCAR25條款和AC25－11和11A要求給正副駕駛的姿態、航向、空速等數據源要相對獨立，但考慮到隨著航電和顯示技術的快速發展，航電顯示系統綜合程度越來越高，發生組合性故障同時要求飛行員立即采取動作的可能性也增多，為了減輕飛行員的操作負擔，2007年6月發布的新版AC25－11A的第6章的36.e（2）“傳感器選擇及通告”中“建議采用自動傳感器數據轉換”。

3.2.1 較先進的支線飛機構架

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

在這里需要說明的是，雖然ERJ170和190的取證交付時間早于AC25－11A的發布時間，但在其顯示和大氣慣導系統的集成中已初步考慮了傳感器數據源（大氣數據）的自動選擇，這主要得益于其先進的航電供應商Honeywell。

ERJ179/190飛機的主顯示系統與3套大氣數據軟件（ADA）交互，ADA通過模塊化航電設備（MAU）底板發送大氣數據給網絡接口控制器（NIC）。NIC通過ASCB（航電標準通信總線）傳輸大氣數據給其他航電系統。

正常情況下，正駕駛使用 ADS1，副駕駛使用 ADS2。當ADS1或ADS2故障時，受影響側的大氣數據顯示丟失，同時會給飛行員一個故障指示。這時，受影響側會自動轉換（或者飛行員手動轉換）選擇剩下的兩套ADS中的一套作為數據源。自動轉換邏輯主要取決于ASCB總線上的當前大氣數據源、空速或者高度是否有效。自動轉換發生后，如果仍沒有有效的大氣數據源可用，將回到默認狀態（ADS1給正駕駛，ADS2給副駕駛）。如果找到有效的備用源，即使原先的數據源恢復正常，也將不再使用。正副駕駛手動和自動轉換邏輯為：

正駕駛：

? ADS 1（正常情況）

? ADS 3（第一次轉換）

? ADS 2（第二次轉換）

副駕駛：

? ADS 2（正常情況）

? ADS 3（第一次轉換）

? ADS 1（第二次轉換）

ERJ179/190飛機的主顯示系統集成了2套慣性導航源。每套慣性基準系統通過A429將數據發送給3個MAU，MAU的I/O通過ASCB將數據發送給顯示系統。數據源的使用與傳統支線機一致。

3.2.2 B787先進的干線飛機構架

B787是波音新研的雙發、雙通道干線飛機，目前正處于最終的取證交付階段。B787的大氣數據基準系統（ADRS）通過3套獨立駐留于通用處理模塊（GPM）中ADA軟件為所有用戶系統提供單套高完整性的（經過表決的）氣壓高度、計算空速、馬赫數、真空速、修正過的 AOA、總溫、靜溫等數據。B787中顯示和機組告警系統從飛控電子裝置（FCE）接收慣性數據，而慣性基準系統直接通過A429間數據傳送給FCE。正副駕駛兩側顯示系統對于ADRS提供的表決過的大氣數據和FCE提供的慣性導航數據直接進行自動選擇。當所有可用的數據源失效時，飛行員可以通過位于同側儀表板角板的大氣數據/姿態轉換選擇旋鈕選擇備用（ALTN）源，此時主顯示系統將顯示備用儀表的姿態和全球定位系統（GPS）的空速、高度等數據。

這種使用投票表決的方案，在出現故障或者錯誤時，計算機能夠自動的排除故障數據，在故障條件下，尤其是組合故障時，能夠有效的減輕機組工作量。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”中建議的自動傳感器數據轉換，可靠性高，且能更好的符合人為因素相關要求。但也不難看出，這樣的設計構架顯然不能滿足FAR/CCAR1333（a）的條款要求。這種情況下，需要制定相關的問題紀要，進行等效安全（ELOS）符合性說明，申請人必須向審查方表明“這樣的信號傳送系統和顯示系統的設計特征能夠達到與獨立的信號源等效的完整性和可用性”。主制造商和系統供應商需要給審查方提供系統描述文件、鑒定試驗報告、取證飛行試驗報告、系統級和飛機級安全分析報告，證明當前架構能夠達到甚至超過CFR/CAR25.1333（a）要求的安全性級別。

4 結束語

本文僅從已適航飛機的角度簡要分析了現有的顯示和大氣數據及慣性基準系統。對于飛機系統設計來說，由于技術的快速發展，相關的操作、顯示、數據的處理可能并不會完全按照規章和咨詢通報已有的要求來做，但對于安全性來說，自始至終都是最重要的，在前期的設計中就應做好足夠的分析，保證系統構架的完整性和可用性，這也是適航當局最為關心的問題。

1 中國民航總局.中國民用航空規章（第25部）：運輸類飛機適航標準，2001.5