飛機大氣數據系統及設計方式研究

周興

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.124

摘 要：文章首先對飛機大氣數據系統進行了概括性介紹，在此基礎上對飛機大氣數據系統的設計方式進行論述。期望通過本文研究能夠對飛機大氣數據系統整體水平的提升有所幫助。大氣數據系統是重要的機載電子設備，其性能、精度直接關系到飛機的飛行安全。在介紹某型號飛機大氣數據系統的軟硬件體系結構的基礎上，從三個方面深入研究了提高大氣數據系統精度的途徑：大氣數據計算模型；基于BP神經網絡的壓力測量溫度誤差補償方法；一種計算型靜壓源誤差補償方法。其大氣數據系統性能穩定，結構緊湊，速度快，精度高，軟硬件升級簡單。試驗證明其大氣數據系統能很好地滿足某型號飛機的使用要求。

關鍵詞：飛機 大氣數據系統 設計

中圖分類號：V247.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0124-02

1 飛機大氣數據系統概述

對于飛機而言，大氣數據系統（ADS）是其非常重要的一個信號源，該系統可以感受到多種信號，能夠為飛機提供不可或缺的信息，滿足飛機在各種環境下的使用要求，并為飛機執行任務提供必要的信息顯示。由該系統提供的大氣數據，對于保障飛機的安全性具有至關重要的作用。近年來，隨著我國科技的不斷發展和進步，使得相關的技術工藝水平獲得進一步提升，基本可以設計出符合我國飛機需要的ADS。常規的ADS由以下3個部分構成：傳感器、大氣數據計算機、顯示設備。

1.1 傳感器

ADS中的傳感器通常安裝在飛機的機頭外部或是機身上，主要用于接收原始的大氣參數。傳感器由敏感和轉換兩類元件組成，其能夠將電量或非電量轉換為可以測量的電量。在ADS中的傳感器有全靜壓受感器、總溫和攻角傳感器以及側滑角受感器等。

1.2 大氣數據計算機

ADS中的大氣數據計算機一般都是裝在機頭的內部，主要作用是對傳感器采集到的大氣參數進行解算和處理，它是整個ADS的核心，具有數據處理、傳輸等功能，可按照傳感器測得的原始信號，計算出較多與大氣數據相關的參數，如升降速度、高度偏差、大氣密度比等，通過總線將參數傳給相關的機載系統，如導航、飛行控制、火力控制等，確保飛機穩定運行。

ADS中的顯示設備位于座艙當中，主要是對相關的大氣數據進行顯示。顯示設備包括電子顯示、儀表顯示和數據支持。

2 飛機大氣數據系統的設計方式

2.1 系統結構設計

飛機的發展對ADS提出了更高的要求，鑒于此，本文對傳統ADS的結構形式進行優化調整，擴大傳感器的功能，加入原始數據的轉化與處理，并對大氣數據計算機的處理及信號傳輸能力進行強化，在應用系統中實現部分參數格式的轉化，具體的設計思路如下：將大氣數據計算機的部分功能進行前置和后移，新系統的結構包括三個部分。

2.1.1 多功能組件

該部分主要負責對一些原始參數進行采集，如總壓、靜壓攻角等，并對采集到的數據進行初步的解算與處理，將之轉換為數字量和模擬量格式。

2.1.2 傳輸路徑

該部分主要是與飛機相匹配的總線技術的選擇，確保相關參數可以及時傳遞給飛機的其他系統。

2.1.3 參數應用系統

該部分包含相關的顯示設備，如空速表、高度表等，其除了能夠對參數進行直接引用之外，還能將部分參數解算為符合自身需要的格式。

2.2 系統的設計方式

在對飛機的ADS進行設計時，一套完整的開發流程是不可或缺的，設計前，需要對飛機的指標進行全面分析，并以此為據對ADS的功能進行確定，隨后對ADS的構造及精度進行確定，再對傳感器及相關的設備進行選擇，最后進行ADS軟件設計。由于本次設計僅僅是對ADS的原理性進行研究，并不涉及到特定的機型，所以無需對飛機的指標進行分析，只需要完成ADS的傳感器的選型以及軟件設計即可。

2.3 關鍵設備的選擇

2.3.1 傳感器

在ADS中，靜壓受感器是比較重要的一個傳感器，下面重點對它的選型進行分析。為滿足飛機的高速性、高機動性，可將側滑角傳感器從全靜壓系統當中分離出來，成為一個純粹的空速管，主要負責對大氣中的全壓和靜壓進行感受，并對氣流進行傳遞；可以對稱的形式將空速管布設在飛機機身外部的兩側，以此來對靜壓源誤差進行補償；為便于安裝，可將其形狀設計成L型。

2.3.2 大氣數據計算機

作為整個ADS的核心，大氣數據計算機的選擇在ADS設計中非常重要。傳統的大氣數據計算機的相關組件全部采用拔插的形式安裝在機箱內，整機為熱傳導結構，散熱板安裝在印制電路板上，這種結構的抗震和傳熱效果都比較好。為使大氣數據計算機的組合更加簡單，并進一步強化數據處理功能，設計時采用了前移和后延的方法，縮短了大氣傳輸管路，減少其誤差產生的可能性，具體的模塊設計如下。

（1）中央處理機組合。這是ADA的核心部件，其具有如下功能：對大氣參數進行實時采集、控制、計算和輸出，具體的組成部分為中央處理器，可選擇微控制器，并在芯片內植入相關程序實現控制功能；時鐘電路為主頻時鐘，為確保數據采集的實時性，在處理器內設計了一個50ms的定時時鐘，當參數采集的時間達到50ms時，程序便會自行中斷，隨后進入到下一個周期的參數采集，這樣的設計為參數的實時性和準確性提供了保障；A/D電路可對溫度和總溫電壓信號進行模擬/數字轉換；F/D電路可對低頻脈沖信號進行頻率/數字轉換。

（2）電源組合。可利用飛機提供的27V電源，通過轉換變為5V和±15V的直流電壓，為中央處理器組合及其他組件提供所需的直流電源。

（3）壓力傳感器組合。大氣數據計算機內部的全靜壓傳感器采用壓力式傳感器，其工作原理如下：當壓力發生變化時，會引起應力的變化，由此會使傳感器自身的頻率發生改變，由拾振與激振線圈經放大器維持相對穩定的振蕩，同時輸出與壓力對應的頻率脈沖信號。壓力傳感器有兩種組合形式，一種是SPTU，另一種是TPTU，這兩種組合在結構、測量路線等方面較為相似，前者可感受管路中的全壓，后者則能感受管路中的靜壓，并將低脈沖信號傳輸給中央處理機組合。在壓力相同的前提下，為確保傳感器的輸出頻率不會隨著溫度的變化而發生改變，需要對傳感器所在的環境溫度進行修正。鑒于此，設計時，在傳感器組合的底座內設置了一個感溫二極管。

2.4 系統軟件設計

2.4.1 軟件需求

在對ADS的軟件進行設計前，需要先對軟件的需求進行分析，從而確保設計出來的軟件合理。在ADS中軟件是比較重要的組成部分，很多功能都需要通過軟件來實現。在對軟件進行設計開發的過程中，必須根據軟件工程化的要求，并采用當前較為流行的模塊化設計方法，同時，還應對軟件進行配置管理。本次設計中采用C語言對軟件進行編程，如有必要可在C語言中嵌入匯編語言。本次設計的ADS具有3種工作方式：正常、自檢和診斷，工作方式之間可以進行隨意轉化，當系統完成初始化后，若是滿足條件，便可進入到相應的工作方式。

2.4.2 軟件設計

軟件的開發環境為PC兼容個人計算機，支持多種軟件環境。采用模塊化的設計方法對軟件進行設計，將大氣數據計算機的軟件系統分解成若干個功能模塊，按合理的邏輯層次進行組織，各模塊完成特定的功能，數據相對獨立。

3 結語

綜上所述，大氣數據系統作為飛機上的重要機載設備，它的性能穩定與否直接關系到飛機的安全性。為了適應飛機不斷發展的需求，應對大氣數據系統進行優化改進，從而使其可以滿足飛機的使用需要，為飛機的安全飛行提供保障。

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