A300—600ST飞机空地数据链改装方案

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第25卷第3期 2007年6月 中国民航大学学报 JoURNAL oF CIVⅡ AVIATION UNIVERSITY OF CHINA V0I．25 No．3 June，2007 A300—600ST飞机空地数据链改装方案 王鹏 (中国民航大学航空自动化学院，天津300300) 摘要：空地数据链是一种基于CNS／ATM提出的新型数字通信技术，对实现地面网络与飞机的实时数据通信具有重要 意义。以空客公司的A300—600ST型飞机为背景，研究提出了一种能在老型号飞机上实施空地数据链改装的技 术方案，并通过可靠性分析，将改装方案定位于“小改”，从而可以有效降低适航审定工作的复杂性，为航空公司 节约改装成本。此方案已于2006年在空客公司国际运输部成功应用，对其他老机型的同类改装具有一定的参考 价值。 关键词：空地数据链路；CPDLC；甚高频通信系统；可靠性；改装 中图分类号：V249．32 文献标识码：A 文章编号：1001—5000(2007)03—0021—03 M odification Proposal on to Data—Link A300-600ST for Adapting Requirements WANG (A eronautlc A utomation College，CA UC，Tianjin 300300，China) Abstract：Data-Link iS a new style means of digital communication based on CNS／ATM concept，which iS a major way to implement realtime communicating between gmund network and aircraft， Based on aircraft A300—600ST，this thesis develops a feasible modification proposal on VHF communication systems for adapting to new generation Data-Link requirements．Through safety ＆ reliability analysis．it successfully locates the modification as a MINOR，and remarkably reduces its cost． This design has been adopted by airbus． ATI，which can be taken as a reference for other old types Key words：Data-Link ATC；CPDLC；VHF communication system；reliability；modification 近年来随着民航事业的飞速发展，航线和飞机数 量迅速增加，在一些比较繁忙的机场和地区，现行的空 地通信及交通控制系统已不能满足需求，亟待一种高 效安全的新型通信系统；另一方面各航空公司也需要 一种新型通信系统，能够实时、低成本地与飞机进行数 据交换。为此欧盟和美国分别于2002年制定了自己的 新型空地通信及交通控制系统标准，并以此为各公司 提供空地数据传输的手段，随后在一些技术力量较为 雄厚的航空公司进行系统改造和试验运营，即美国的 CPDLC(controller pilot data link communications)BuildlA program和欧洲的Hnk2000+program[ -31。空中客 车公司基于此制定的AIM—FANS(空客新航行系统)l 4l 计划中，Data—Link是其重要一部分，其下属ATI公司 作为Eurocontrol选定的试验者圈，已于2004年开始具 体的飞机改造工程。中国目前已有相应的发展意向，但 尚处于考察研究阶段。本文以空客公司的A300—600ST 型飞机为背景，研究提出了一种能在老型号飞机上实 施空地数据链改装的技术方案，并通过可靠性分析，将 改装方案定位于“小改”，从而可以有效降低适航审定 工作的复杂性，为航空公司节约改装成本。 1 数据链Data—Link 1．1 Data．Link空地数据链介绍 空地数据链l1 是采用数字无线通信方式的一种高 速数据／语音传输系统，其实现是基于现行的飞机通信 寻址和报告系统(ACARS)以及正在建设中的航空电 信网(ATN)，目前ATN在未来的主体地位已被EASA 确认。空地数据链路系统主要可用于空中交通管理以 及各航空公司自身的飞行数据服务，如高速准确的文 收稿日期：2006—12—21；修回日期：2007—03—19 基金项目：欧盟Eurocontrol机杨Link 2000+项目 作者简介：王鹏(1982-)，男，新疆伊犁人，助教，工程硕士，研究方向为航空器系统安全性． 22 中国民航大学学报 2007年6月 本消息式空中交通管制指令、与航空公司地面网路进 行实时交换飞行数据或报文服务等。 本文所涉及的改装方案将直接建立在以新型 VHF通信收发机嘲为基本通信设备的ATN(aeronauti— cal telecommunication network)网络上，其设备主要采 纳了Rockwell—Collins公司开发的CNS／ATM(通信、导 航与监视／空中交通管理)系列组件。 EASA规定到2009年其成员国所有的飞机均需 要安装此系统。 1．2 Data．Link数据链系统主要优点 相对于现行的空中交通管制系统以及空地数据传 输系统ACARS，数据链系统有以下优点：④ 极大减少 了数据传输时间，具有良好的抗干扰能力；②可以抑制 由于话音信号质量不好、传输衰减或语言等问题对空 中交通管制指令造成误解；⑧ 能实时快速地实现飞机 与地面的数据传输，并能经由地面网络实时传送给相 关部门；④ 能够自动选择并登陆到合适的空中交通管 制网络；⑤ 可以存储大量来自地面的指令，反复调用。 2 改造方案实施和存在问题 2．1 A300—600ST原机载通信系统构造 空中客车公司的A300型飞机已经属于型号较 老、服役年代较久的飞机之一。其空地通信的实现主要 依托两部甚高频收发机VHF一700B(频带1 18-136 975 MHz)和一部VHF一422B(频带扩展至军用频带118- 151 975 MHz)来实现，目前扩展频带收发机主要应用 在军用频带以及应急状态，在马德里机场由于历史原 因也需要使用扩展频带。收发机的控制是通过手动操 作机械式控制面板来进行地面台的选取，通信方式为 模拟语音信号。A300—600ST飞机甚高频通讯系统原始 构造如图1所示。图1中每一部收发机均是通过其各 自的手动控制面板来控制，并且在控制面板1和收发 机2之间有可手动转换的控制连接，同样，在控制面板 2和收发机1之间也具有后备连接。 图1 系统原始构造 Fig．1 VI-IF communication system architecture of A300—6o0ST before modification 2．2 系统设备组构方案 在对A300—600ST的改装中，为保障系统的稳定 性和兼容性，笔者采用了Rockwell—Collins公司的CNS／ ATM系列设备，主要有CMU一900(communication management unit)、IDC(integrated display contro1)、APM一 900(aircraft personality module)、VHF一920(E)或VHF一 2100(E)、HFS一900D。其结构组成如图2所示。 图2 数据链路系统主要设备结构图 Fig．2 DLS architecture 其中核心组件CMU为通信管理组件，主要功能是协 调管理所有通信、显示及控制设备。它采用ARINC 758 Mark2协议，具有兼容ACARS型高频、甚高频收发机 的标准接口，VDL(VHF Data—Link)的模式A和模式2 接口，ATN路由包等多种功能模式。在空中交通管理 中，CMU负责对地面控制台指令的搜索、跟踪，以及交 接控制台的管理；对指令中的地址译码、转发；将地面 塔台的指令存储并以文本格式传送给IDC，这些信息 还可反复被调用。对于在航空公司运营管理AOC中， CMU负责与相关系统铰链，收集飞机信息与地面网络 通信，包括发动机工作情况、飞机各系统的一些状态离 散量O00I(OFF，ON，OUT，IN)等，以及下载或传送有 关飞机任务指派或维护信息的数据资料等。 IDC E~是集成显示控制单元，采用大型LCD液晶显 示屏幕，兼容CDU功能。主要用于显示、查询、更改飞机 信息或状态，控制信息的输入，以及在进行空地数据链 接时输入文本信息。其中控制信息是以ARINC 429协 议格式进行输入、输出。 APM是飞机个性资料配置部件，用于存储本架飞 机的一些配置资料，如VHF收发机的类型等，以便 CMU的咨询调用。 VHF一920收发机全部采用新一代数字化数据传 输收发机嘲，能兼容VHF一700以前系列产品的模拟语 音通信模式及控制指令。VHF一920采用键控相位调制 波PSK，支持VDL mode 2或mode 3模式，控制信息使 用ARINC 750—2格式，与ATN协议及ACARS兼容。 本方案的具体施工线路图，可参阅A300—600ST 第25卷第3期王鹏：A300—600ST飞机空地数据链改装方案 23 的相关手册。 3 改造方案中关键问题 鉴于欧洲陆地面积相对较小和集中，高频通信系 统使用较少，而目前卫星通信成本较高且其可靠性还 有待进一步验证，本方案主要针对甚高频通信系统 VHF进行改装。甚高频通信系统属于A300—600ST最 低设备清单MEL中的设备，其中第1套甚高频通信系 统属于“GO／NO GO”设备，是目前空地通讯所使用的 关键设备，因此其可靠性要求较高。依照Airbus．ATI的 管理章程嘲，涉及到甚高频通信系统的改装有可能被定 级为“大改”。而关于大改的适航安全性合格审查所涉 及到的程序较为复杂，将会进一步增加企业成本。因 此，在此次改装中笔者采取了较为保守的设计，通过保 留结构的相似性，降低了适航审定程序的复杂性。以下 是其具体解决方案。 3．1 关于甚高频通信系统控制的可靠性问题 在最初始的设计结构中，笔者计划直接增加2套 集成显示控制单元IDC以取代所有VHF的控制面板， 用于直接控制2套VHF收发机，并将仪表着陆系统 ILS，自动定向机ADF以及高频、甚高频通信系统的控 制面板综合到IDC上，通过对IDC的软件升级，增设 相关控制页面，从而节约驾驶舱内的空间，减轻飞行员 的工作负担。 但在与Airbus．ATI部门的工程师讨论时，他们对 当前配装的IDC的安全性指标保留了一定意见，认为 从实际维修的统计数据来看，IDC的故障率高于0EM 给定的1．7xi04／飞行小时，建议应在提高系统的安全 裕度上有所改进。 鉴于以上因素，同时由于VHF一920能够向下兼容 较早系列产品的控制指令，笔者保留了第3套甚高频 通信收发机的控制面板，并为其设计了一个手动控制 的选择转接开关，其示意图如图3所示。图3中，实线 表示直接控制，点划线表示间接控制或可转换后备连 接。在紧急状况或IDC全部故障的情况下，飞行员可以 通过手动选择开关用第3套甚高频通信收发机的控制 面板对其进行独立控制。在此方案中由于保留了第3 套甚高频通信系统的独立控制，较大地提高了整个系 统的安全裕度；通过保留与原构型相似的结构，可证明 其系统安全性能够达到等效的安全级别要求，降低了 改装等级，大大简化了适航审定程序的复杂程度，节约 了企、I 成本。 图3 方粟绪构不葸图 Fig．3 Architecture after modification 3．2 适航安全性分析 系统线路连接结构如图4所示，其中虚框内表示 控制通路，实框内表示连接到无线电接收机的通路，标 号1~10代表了控制通路中有可能发生故障的线路、元 件或设备。导致整个系统无法工作的故障可能由其中 某一路或多路组合故障引起，因此在安全分析中，必须 考虑到所有可能发生的故障情况。 图4 系统线路通路结构示意图 Fig．4 Architecture of system connection 在图4所示的系统结构中，本系统控制通路可以 划分为lO个部件(元件、线路或设备)，无线电接收机 的通路可以划分为9个部件，其各部件故障的组合便 有可能导致整个系统功能的丧失。如以下两种情况： 1)IDCI故障，同时IDC2与IDCI铰链信号故障 (官方故障率A：9．8x10 ／飞行小时，平均作用时间1．6 h)；且IDC2的ARINC429失效(官方故障率A=1．0× 1 0r6／飞行小时，平均作用时间1．6 h)。此故障将导致系 统功能丧失，组合故障概率值为1．OxlO 。 2)IDC1的ARINC429总线故障及IDC2故障(官方 故障率A=2．7xlO ／飞行小时，平均作用时间1．6 h)；且 IDCI交叉控制命令失效(官方故障率A=5．ixl0 ，飞 (下转第29页) 第25卷第3期杜洪增，贾立斌，刘艳红，等：压电热弹性体开口壳的响应分析 29 参考文献： RAY M C，RAO K M，SAMANTA B．Exact analysis of coupled elec· troelastic behavior of a piezoelectric plate under cylindrical bending l J1．Computers＆ Structures，1992，45：667—677． HEYLIGER P，BROOKS S．Exact solutions for laminated piezoelec· tric plates in cylindrical bending]J]．Joumal of Applied Mechanics， 1996，63：903- 910． PAGANO N J．Exact solutions for rectangular bidirectional composi— tes 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