民用飛機大氣數據和慣性基準系統接口定義簡介

張琛

摘 要：大氣數據和慣性基準系統是民用運輸類飛機兩個最關鍵的系統，對飛機的安全性有至關重要的影響作用。該文簡要介紹了集成數字式大氣數據和慣性基準系統ADIRS，分為ADR部分和IR部分，以及其主要的接口和定義，包括機械接口，外部的大氣數據傳感器，ADM模塊，ADIRU的電源接口，ADR部分的電氣接口，與ADM交聯的接口，IR部分的電氣接口，與ADR交聯的接口，與外部子系統如GNSS， FMS間接口等，對于指導民用運輸類飛機大氣數據和慣性基準系統綜合設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：民用運輸類飛機 大氣數據 慣性基準 電氣接口

中圖分類號：V249.32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0022-02

在民用運輸類飛機的發展過程中，除了獨立的大氣數據系統，姿態與航向基準系統/慣性基準系統以外，2000年前后，又出現了一種新型的集成數字式大氣數據和慣性基準系統（簡稱ADIRS），性能優異，可靠性高，并被廣泛運用于波音和空客等大中型干線飛機上。ADIRS包括三套大氣數據/慣性基準單元（ADIRUs），可安裝于飛機電子電氣設備艙，配合相應的控制顯示單元CDU，大氣數據模塊（包括全/靜壓傳感器，迎角傳感器，側滑角傳感器，總溫傳感器，大氣數據計算模塊等），實現大氣數據和慣性基準系統所有功能。

1 ADIRU機械接口

1.1 ADIRU的機械接口

為了確保不同制造商的設備具備可互換性，ADIRS設備應當嚴格遵守ARINC600。具體來說，設備應當滿足ARINC600中關于尺寸、誤差、手柄、冷卻設施、以及重量和中心方面的要求，除了冷卻口和前端緊固銷位置，該裝置應當遵循ARINC600中4MCU外形參數基本標準，冷卻口和前端緊固銷位置應適用于4MCU類型。

1.2 ADIRS 外部傳感器以及ADM的機械接口

大氣數據基準（ADR）應作為ADIRU的一部分，計算大氣數據輸出，供儀表顯示和其他使用ADR信息的飛機系統使用。ADR應使用來自ADM（大氣數據模塊）輸入的壓力信號，計算空速、氣壓高度等大氣參數；根據飛機構型，也將提供攻角、側滑角和大氣總溫。ADM和ADIRU之間的交聯應保證ADIRU的可互換性。

ADIRS外部傳感器主要包括全壓探頭、靜壓孔、或者組合式全靜壓探頭，總溫傳感器，攻角傳感器等，通過機械接口連接到大氣數據模塊（ADM）。ADM感受全靜壓系統傳輸的壓力、以及迎角和大氣總溫信號，并以ARINC429格式傳輸到ADRIU。

2.2.1 全壓探頭

全壓探頭應具有全壓感受端口，接收飛機全壓，通過氣源管路傳輸到ADM。全壓探頭不屬于電子硬件，僅有電熱絲提供探頭電加熱功能，防止探頭結冰。全壓探頭的氣源接口（即機械接口）應該符合SAE-AS4375 Size04要求（.4375”-20 UNJF）。全壓探頭的電接口應僅提供探頭加熱供電。

1.2.2 靜壓孔

靜壓孔探頭應具有靜壓感受端口，接收飛機靜壓，通過氣源管路傳輸到ADM。靜壓孔不屬于電子硬件，僅有電熱絲提供探頭電加熱功能，防止探頭結冰。靜壓孔的氣源接口應該符合SAE-AS4375 Size 06要求（.4375”-20 UNJF）。全壓探頭的電接口應僅提供探頭加熱供電。

1.2.3 總溫探頭

總溫探頭能夠感受飛機外部來流總溫，傳輸到ADM或直接傳輸給ADR， 計算出飛機總溫和靜溫。總溫傳感器不屬于電子硬件，僅有鉑電阻用來測量外部大氣溫度，以及電熱絲提供探頭電加熱功能。總溫探頭的電接口應僅提供鉑電阻值及探頭加熱供電。

1.2.4 大氣數據壓力模塊ADM

ADM需設計為可以安裝在平面上，高于全壓、靜壓源的位置。需設計為水平方向安裝時安裝面在底部，或者在垂直方向安裝時氣源接口朝下。ADM上全壓/靜壓氣源接口需符合相關的SAE/MS標準。

2 ADIRS電氣接口

2.1 ADIRS的電源接口

2.1.1 ADIRS 的主電源

應當制定設備使用ARINC609定義的最大130w、115vac、400HZ單相電源，包括55w供ADM和CDU使用。某些飛機要求提供主DC電源。130w電源將進行如下分配：（1）75w給ADIRU，（2）25w給CDU，（3）30w給所有ADM。

2.1.2 ADIRS 的備用電源

飛機制造商應提供最大175w的無中斷DC備用電源供ADIRS使用。該備用電源將來自一個無瞬變的DC總線或者電池，電壓范圍符合ARINC609。如果飛機115VAC不可用，則該備用電源的標定電壓為+24伏。該備用電源的容量和工作時間取決于航線操作需求。工作在此電源下應當完全發揮其靈活性。如果飛機115VAC可用，則該備用電壓將高達36VDC。

2.2 ADR功能的電氣接口

2.2.1 ADM的電氣接口

ADM的電氣接口應該設計為圓形26針電氣插座，符合相關MS/MIL/NAS工業標準。ADM必須設計成機架接地，接地阻抗需小于20毫歐。ADM電氣插座需設計成有鉗位電路時能經受瞬態電壓50VDC沖擊，無鉗位電路時所有針腳能經受36VDC電壓。ADM需設計成可以同時滿足在常規電源 +13.5VDC或28VDC飛機電源下工作。功率消耗約為2.7-3.7W（+13.5VDC下），3.5-4.8W（28VDC飛機電源下）。每套ADM應從相關ADIRU獲得電源。這樣的安排是為了確?！扒鍧崱惫╇姡沟蔑w機電源瞬變現象透明化，從而每套ADM內部無需電源電路。該電源應在規定的±13.5VDC（±10%）提供電壓，濾波后由ADM電子電路直接使用。+13.5VDC電壓應當能夠容納最大1.5A的電流負載。-13.5VDC電壓應當能夠容納最大0.5A的電流負載。ADM電源輸出端的電源脈動噪音不應當超過30mV峰峰值。

2.2.2 ADM與ADR的接口

每臺ADM需通過ARINC429總線連接到至少一臺ADIRU。 ADM以ARINC429數據格式提供全壓/靜壓/局部迎角/總溫數據給ADR，ADR用這些參數進行計算，輸出氣壓高度、指示空速、馬赫數、垂直速度、攻角、靜壓、全壓、總溫等信息，給駕駛艙顯示器其其它飛機系統使用?？紤]到不同的架構設計，因此每臺ADIRU的ADR部分數字接口必須設計成至少有5個通道，至少提供五條ADM數據總線輸入來接收ADM的數據。

2.3 IR功能的電氣接口

IR部分的功能主要是提供飛機的姿態，航向，加速度以及飛機的即時的位置信息，由于慣性器件（陀螺以及加速度計）的自身特性，其具有短時間內的精度很高，但由于其算法方面的原因，其長時間的誤差會很大，隨著時間的增長而累積，所以需要引入一些參數對其進行同步修正。這些引入的參數雖然短時間內的精度不高，但是他的誤差不會隨著時間的增加而增大，通過卡爾曼濾波算法，使得IR輸出的參數的精度，既可以保持短時間內的高精度，又不會隨著時間的增加而發散。IR除了能夠接受來自ADR的真空速（TAS，True Air Speed）以及高度變化率即垂直速度（VS，Vertical Speed）數據，還應能和ARINC743A GNSS傳感器交聯，接收GPS的經緯度以及Time Mark等參數信號，以提高IR輸出參數的精度。在初始化階段，如果IR沒有收到GNSS的信息，IR還能夠接受來自FMS的經度，緯度以及磁航向，來完成初始化。

2.3.1 IR與ADR的電氣接口

IR接受來自ADR的真空速（TAS，True Air Speed）以及高度變化率即垂直速度（VS，Vertical Speed）數據參與最終的計算，穩定其輸出。通過內部的高速的ARINC429 總線，ADR將即時計算得到的TAS和VS傳輸給IR的接口端，以便參與IR的內部計算得出風速以及風向，和收斂的慣性高度。

2.3.2 IR與GNSS的電氣接口

IR應該與ARINC743A GNSS傳感器交聯，接收GPS的經緯度以及RS-422 Time Mark等參數信號，以提高IR輸出參數的精度。為了使傳輸GNSS信號的延時最小，應該通過ARINC429總線直接連到ADIRU設備上的相應總線接口每套單獨的ADIRU設備需要接受兩路不同的GNSS設備輸出的ARINC429總線。對于每套單獨的ADIRU設備，需要兩路來自不同GNSS設備的RS-422 Time Mark。使用RS-422 Time Mark信號來同步GPS的時間基準給IR。

此外，IR還需要FMS提供一些輸入，例如預設經度、預設緯度、預設磁航向等，其所有計算結果都通過ARINC429總線發送給其它相關系統（例如FCS，FRS，FMS，OMS等）。

3 結語

大氣數據及慣性基準系統ADIRS是民用運輸類飛機發展到高度集成化的成果，它解決了2個獨立的重要機載系統綜合的問題，節省了機上安裝空間，并保證了相對較高的系統可靠性，其接口定義已在發展過程中逐漸形成工業界標準得到廣泛應用，未來可在國產寬體客機、小型支線客機、公務機乃至通航飛機上得到更全面的應用。

參考文獻

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