飞行品质监控的基础—记录参数解析

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飞行品质监控的基础—记录参数解析
民航总局航空安全技术中心李斌山东航空股份有限公司王群宁引言
迄今为止航空公司开展飞行品质监控（Flight Operational Quality Assurance，以下简称FOQA）工作已有多年，FOQA在航空公司的日常运营、安全管理和飞行部队的技术管理等方面发挥着重要作用。FOQA的核心内容是应用实际飞行产生的飞行数据，按照设定的项目与标准，对飞行操纵、飞机性能等进行监控。目前国内航空公司使用的 FOQA监控软件主要是FLIDRAS、AGS、GRAF、LOMS等。无论航空公司使用哪一种监控软件，一个必须完成的基础前提工作就是在监控软件上建立译码参数库。
飞行数据以二进制数据流的形式记录于FDR或 QAR中，在监控软件上按照波音或空客的记录参数定义规范建立译码参数库，就可以把二进制数据转换为工程值数据。译码参数库的准确性将直接影响飞行品质监控的结果。因此，从事飞行品质监控工作的人员必须对记录参数有准确的理解和认识，包括参数的定义、数据来源、记录精度、记录频率、转换方法等内容，还要及时总结建立译码参数库的注意事项。
记录参数的发展
记录参数的发展经历了从 5参数～11参数～17参数～28参数～34参数～57参数～88参数的过程，这里所指的参数是强制性参数，即必须记录的参数。
按照 ARINC542记录器规范，数据采集和记录组成一个部件，即数据记录器。模拟参数直接传输到记录器，数据量很小。昀初只记录五个参数：高度、空速、航向、垂直加速度和时间计数。
1991年10月国际民航组织（ICAO）、美国联邦航空局（FAA）等一些民航组织机构提高了记录参数标准，强制性要求在 1991年以前生产的飞机上安装的记录器至少要记录 11个（类）参数，1991年以后生产的飞机上安装的记录器至少要记录 28个（类）参数。记录参数增加了俯仰、滚转、纵向加速度、发动机推力和驾驶杆位置等，但这些参数还都是模拟信号，即从机载传感器直接获得信号。
按照 ICAO和FAA的要求,波音公司为以后生产的B737、B757和B767飞机建立了标准记录器字帧格式，以满足不同国家和地区的飞行数据记录器的规范要求，并称为 91规则。例如：B737-300飞机，737-1字帧格式是 FAA和 ICAO标准；737-2字帧格式是英国民用航空管理局（CAA）、FAA和欧洲民用航空电子标准（EUROCAE）；737-I字帧格式是 ICAO标准。
为了充分发挥飞行数据在事故调查的作用，ICAO和 FAA接受 NTSB提出的建议（No.A-95-25/A-95-26/A-95-27），于 1997年再次修改了对飞行数据记录器的记录参数规范要求，并称为 97规则。参考资料 1对记录参数进行了如下说明：对于没有安装飞行数据获得组件的飞机，在 2001年 8月 20日前，参数要增加到 17/18个(类)；2000年 8月 18日以后制造的飞机要记录57个(类)参数；在 2002年8月 19日以后制造的飞机要记录 88个(类)参数等。
随后一些飞机制造公司纷纷新增或改进记录器的字帧格式。以 B737型飞机为例：
z新增 737-3系列的字帧格式（针对 B737-600/-700/-700C/-800/-900飞机）

z新增 737-4/-4A的字帧格式（55参数或 88参数，针对 B737-300/-400/-500飞机）

z将 737-1/-2字帧格式改进为 737-5字帧格式

z将 737-I字帧格式改进为 737-6字帧格式

随着电子技术的飞速发展，许多机载电子系统实现了数字化和微机化，如大气数据计算机（ADC）、飞行控制计算机（FCC）、飞行管理计算机（FMC）等。80年代初期，产生了全数字化的记录系统，该系统属于 ARINC717规范。该系统采用了数字式飞行数据获得组件（DFDAU），利用 ARINC429数据总线进行数据传输，可以直接采集数字信息，记录的参数可达到 2000多个。参数的记录速度也大大加快，从每秒 64字到 128字、256字、512字甚至更高。
记录参数的基础知识一． ARINC规范
Aeronautical Radio Inc.（简称 ARINC）：为了使航空电子设备的技术指标、电气性能、外形和插件等规范统一，由美国各航空电子设备制造商、定期航班的航空公司、飞机制造商以及其他一些国家的航空公司联合成立了一个航空无线电公司。由该公司制定的一系列统一的工业标准和规范，称为 ARINC规范。
ARINC429数字信息传输规范是为航空电子设备之间传输数据信息指定的航空运输工业标准。还有 ARINC542记录器规范、ARINC573飞机综合数据系统规范及其替代规范ARINC717规范等。
数据在数据传输总线上按开环方式进行（单向数据总线），数据传输以电脉冲的形式发送，一个电脉冲是一位（bit）。一个数据字有 32位，分为五部分：标识码（LABLE/1-8位）、源／目的地识别码（SDI/9-10位）、数据区（DATA/11-28位）、符号状态码（SSM/29-21位）和奇偶校验位（PAR/32位）。更为详细的说明见参考资料4或其它ARINC规范定义。二．二进制数据流
FDR或 QAR把输入的数据流以帧（frame）为单位记录下来。帧是指数据记录的一种单位，记录数据的编排格式称为帧结构。每帧分为4个副帧(subframe)，每个副帧的时间是 1秒，一帧为 4秒。每个副帧包括64、128、256、512个或更多个字槽(word)。每个字槽长度为 12位。每个副帧的第一个字槽用来记录该副帧的同步字(sync word)，其余字槽记录飞行参数。目前普遍使用的同步字有以下两种类型（十六进制）：
. TELEDYNE：247，5b8，a47，db8

. HAMILTON：e24，1da，e25，1db

同步字的作用：一是提高数据的准确性和可靠性；二是如果没有找到某帧的同步字，则认为这一帧的数据有错误，根据译码软件不同，可以删除错误帧或者用“0”把帧填满。 三．参数类别
记录参数可以分为以下几种类别：
按参数来源区分

. 模拟量参数（Analog），如三个轴向加速度、各操纵舵面、杆位、盘位、刹车手柄位置、刹车压力等；

. 数字型参数（Digital），如发动机参数、飞机姿态参数等，95%以上的参数都是数

字型参数；
按参数类型区分

. 数值型参数（Numerical），如气压高度、无线电高度、地速、俯仰角等；

. 开关型参数（Discrete），如空地开关、自动驾驶仪、反推、各类警告；

. 日期型参数（Date），如日期、GMT等；

z信息型参数（Doc），如飞机号、航班号、机场代码等
按参数采集方式区分

. 普通型参数，如气压高度、空速、N1/N2等；

z超级帧参数，如日期、航班号、机场代码等变化频率很小的参数；

建立不同类型参数的注意事项
目前记录器可以记录上千个参数，参数库的建立和校验是一项繁琐的工作。在建库的过程中有许多经验性的内容，需要及时总结。下面举例说明建立参数库的几个注意事项，仅供参考。一． 同步角参数（Synchro）
同步角参数是模拟量参数的一种，这种参数的译码原理是：首先将二进制源码值转换为0°～360°范围的同步角，然后按照同步角与工程值的对应关系转换为工程值。参考波音译码资料的注释部分（NOTE），多数情况下同步角与工程值是点对点的对应关系（如左图），但有时同步角与工程值也是线性关系。
此类参数可以使用 Excel或 Mathematica软件按照对应关系回归成多项式，然后再把同步角与二进制源码值的关系代入到多项式中即可。除非同步角与工程值是线性关系，否则不要轻易使用译码资料里的（OUT RES）值
作为线性转换的一阶系数。 二． 超级帧参数（Superframe）
一些记录参数变化频率很小，或者是整个航段都不变化，如日期、航班号等。为了节约记录空间，一般情况下把这类参数定义为超级帧参数。超级帧参数的详细定义见参考资料3。在建超级帧参数时，需要定义超级帧计数（S/F CYCLE COUNT）和超级帧循环数（SUPF）。超级帧循环数从0～15或 1～16变化，在填写该值时需要明确其记录范围；有些机型单独记录超级帧计数，如737-900（737-3C帧结构）。对于没有明确定义超级帧计数的机型，可以使用帧计数（Frame Counter）的昀高四位作为超级帧计数。 三．高位、低位合成参数
有些记录参数分别记录在高低两位（ MSB/LSB）的两个参数上，如气压高度、经纬度等。在译码软件上，可以分别建成两个参数，这样比较容易，但是在浏览工程值时需要把这两个参数加起来，数据显示不够直接。
现在大多数译码软件都具有把两个参数合成为一个参数的功能。在合成参数时，一定要从昀低有效位顺序排列低位参数和高位参数记录位，符号位一定在昀高有效位上（如右图）。需要注意的是低位参数和高位参数的记录位可能存在重复记录位，在合成时把重复位删除。转换方法参考低位参数。 四． ILS/VOR/DME频率

ILS/VOR/DME频率参数一般按照十位、个位、小数点后一位、小数点后二位来记录，记录范围昀大是 99MHZ。为了满足参数工程值范围的要求（一般是一百多兆赫兹），需要在记录数值上人为增加100MHZ。另外，小数点后二位 0表示0MHZ，1表示0.05MHZ。 五．多数据来源的参数
在记录参数中，同一种参数可能有不同的数据源。以 737-3C的无线电高度为例，左无线电高度来源于DEU（显示电子组件），右无线电高度来源于LRRA（低读数无线电高度表）。按照常规参数建法即把左右无线电高度合成为一个参数，如下图中的 5号参数，但在浏览工程值时发现，左无线电高度记录在1、3副帧，右无线电高度记录在2、4副帧，从工程值来看左右无线电高度在时间上没有必然的先后联系。如果合成到一起，就会造成锯齿状的爬升曲线，在这种情况下无线电高度就必须建为左无线电高度和右无线电高度两个参数。

参考资料
《Revisions to Digital Flight Data Recorder Rules》
《Digital Flight Data Acquisition Unit 737-300/400/500 Databases Interface Control
and Requirements》
《Flight Data Replay & Analysis System – Technical Reference Manual》
《ARINC Protocol Tutorial》
《为航空安全提供可靠信息》

 

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