电子飞行仪表系统与大气和惯性基准系统的集成

季小琴

（上海飞机设计研究院综合航电设计研究部指示/记录室，上海 200235）

考虑到AC25－11A的建议，一般民用飞机的飞机级FHA中均将“驾驶舱所有姿态/空速/气压高度/航向（包括备用仪表）的丧失”及“两侧主姿态、空速（伴随失速或过速告警丧失）、气压高度错误指示”的危害性等级定义为灾难级；将正副驾驶两侧主姿态、空速、气压高度及航向的丧失危害性等级定义为主要或者危险的。另外，对于采用传统控制系统的飞机，要求姿态数据的显示延迟（包括传感器）不应超过100 ms的一阶系统的等效时间常数。这就使大气数据和惯性基准系统与综合显示系统之间交联构架的可用性、完整性和延时特性成为航电集成的至关重要的问题。

1 系统简述

电子飞行仪表系统（EFIS）一般通过 ARINC429和ARINC664总线从飞机大气数据和惯性基准系统接收飞机姿态、航向、空速、高度、温度等飞行和导航数据，并通过一定的计算把相关的飞行和导航信息提供给正、副驾驶，作为两侧主显示。同时，考虑到两侧关键数据错误指示的危害性，显示系统会对这些关键的数据进行对比监控，并将结果通报给飞行员，以便在非正常状态下，飞行员能够及时知晓并采取相关动作，将危害降到最低。

2 相关条款要求

美国联邦航空管理局（FAA）和中国民航当局（CAAC）在其适航规章FAR25和CCAR25部的1303条款“飞行和导航仪表”（b）中均要求“每一驾驶员工作位置处必须安装空速表、高度表（灵敏型）、升降速度表（垂直速度）、带有侧滑指示器（转弯倾斜仪）的陀螺转弯仪、倾斜俯仰指示器（陀螺稳定的）、航向指示器（陀螺稳定的磁罗盘或非磁罗盘）。其中，按有关营运条例装有在360度俯仰和滚转姿态中均可工作的第三套姿态仪表系统的大型飞机，只需有侧滑指示器”。在1333条款“仪表系统”中要求“1303（b）要求的，各驾驶员工作位置处的仪表，其工作系统应符合：（a）必须有措施，能使正驾驶员工作位置处的仪表与独立的工作系统相连接（独立于其他飞行机组工作位置处的工作系统或其它设备）。”

3 物理和功能构架分析

从相关失效安全性等级要求和延时要求可以看出，大气数据和惯性基准系统与综合显示系统之间构架的可用性、完整性和延时对飞机来说是至关重要的，同时为了满足要求，我们应该采用正副驾驶数据源相对独立的构架。以下就几种典型的支线和干线飞机构架进行相关分析：

3.1 传统支线和干线飞机

3.1.1 传统支线飞机构架

目前，在航的传统支线飞机（如庞巴迪CRJ）均采用2套大气数据和惯性基准/姿态航向源。

正常情况下，机身左右两侧大气和惯性基准数据均同时发送给正副驾驶显示系统，正驾驶使用左侧数据源，副驾驶使用右侧数据源（满足§25.1333（a）的要求）。同时，正副驾驶会对左右两侧数据分别进行对比（一般主要包括姿态 PTT、空速IAS、高度ALT、航向HDG）。当任何一侧比较发现两侧数据超出一定的范围时，均会给同侧飞行员提供一个黄色（带边框的）“比较不一致”的警告旗，通告飞行员当前的状态。此时，正副驾驶可以通过与备用仪表的对比，发现超出范围的一侧。当发现一侧数据错误（或一侧失效）时，飞行员可以通过转换选择板（RSP）手动转换，选择使用对侧数据。此时，正副驾驶共用一套有效数据源，对侧比较将不起作用，但如果此时出现危险的错误信息飞行员将不易察觉，可能造成灾难性的后果，为了避免这种情况，往往要求在这种情况下要显示相关的共用源通告，时刻提醒正副驾驶要注意，并与备用仪表对比相关信息。

3.1.2 A320传统干线飞机构架

A320系列是欧洲空中客车工业公司研制的，1988年取证的，最为经典的双发中短程150座级干线客机。它采用6个全色阴极射线管显示器，配置了 3套大气数据惯性基准系统（ADIRS）。真正意义上，它的每个ADIRU可以分成2个部分，大气数据基准（ADR）和惯性基准（IR）两部分，如果其中一个故障了，另一个仍可以独立工作。

正常情况下，正驾驶显示ADIRU 1的相关数据，副驾驶显示ADIRU 2的相关数据。姿态、高度、航向三个主要参数由飞行告警计算机（FWC）监控。比较不一致时，正副驾驶PFD上均会出现“CHECK ATT”、“CHECK ALT”、“CHECK HDG”琥珀色“比较不一致”警告，并出现相关的CAS警戒信息。此时，正副驾驶可以通过与备用仪表的对比，发现超出范围的一侧，并通过位于中央操纵台的转换板手动选择，使用备用的第三套数据源。

3.1.3 延时性考虑

虽然传统飞机适航取证时，适用的 AC25－11对延时没有相关的建议和要求，但由于一般姿态数据均直接采用 A429总线将数据传输给显示系统，从传感器到显示终端的延时时间基本均能控制在100 ms左右。

3.2 较先进的支线和干线飞机

除了从安全性考虑，FAR/CCAR25条款和AC25－11和11A要求给正副驾驶的姿态、航向、空速等数据源要相对独立，但考虑到随着航电和显示技术的快速发展，航电显示系统综合程度越来越高，发生组合性故障同时要求飞行员立即采取动作的可能性也增多，为了减轻飞行员的操作负担，2007年6月发布的新版AC25－11A的第6章的36.e（2）“传感器选择及通告”中“建议采用自动传感器数据转换”。

3.2.1 较先进的支线飞机构架

ERJ170和190是巴西航空在其ERJ145的基础上全新研制，并分别于2004和2005年取证交付使用的新型支线机。

在这里需要说明的是，虽然ERJ170和190的取证交付时间早于AC25－11A的发布时间，但在其显示和大气惯导系统的集成中已初步考虑了传感器数据源（大气数据）的自动选择，这主要得益于其先进的航电供应商Honeywell。

ERJ179/190飞机的主显示系统与3套大气数据软件（ADA）交互，ADA通过模块化航电设备（MAU）底板发送大气数据给网络接口控制器（NIC）。NIC通过ASCB（航电标准通信总线）传输大气数据给其他航电系统。

正常情况下，正驾驶使用 ADS1，副驾驶使用 ADS2。当ADS1或ADS2故障时，受影响侧的大气数据显示丢失，同时会给飞行员一个故障指示。这时，受影响侧会自动转换（或者飞行员手动转换）选择剩下的两套ADS中的一套作为数据源。自动转换逻辑主要取决于ASCB总线上的当前大气数据源、空速或者高度是否有效。自动转换发生后，如果仍没有有效的大气数据源可用，将回到默认状态（ADS1给正驾驶，ADS2给副驾驶）。如果找到有效的备用源，即使原先的数据源恢复正常，也将不再使用。正副驾驶手动和自动转换逻辑为：

正驾驶：

• ADS 1（正常情况）

• ADS 3（第一次转换）

• ADS 2（第二次转换）

副驾驶：

• ADS 2（正常情况）

• ADS 3（第一次转换）

• ADS 1（第二次转换）

ERJ179/190飞机的主显示系统集成了2套惯性导航源。每套惯性基准系统通过A429将数据发送给3个MAU，MAU的I/O通过ASCB将数据发送给显示系统。数据源的使用与传统支线机一致。

3.2.2 B787先进的干线飞机构架

B787是波音新研的双发、双通道干线飞机，目前正处于最终的取证交付阶段。B787的大气数据基准系统（ADRS）通过3套独立驻留于通用处理模块（GPM）中ADA软件为所有用户系统提供单套高完整性的（经过表决的）气压高度、计算空速、马赫数、真空速、修正过的 AOA、总温、静温等数据。B787中显示和机组告警系统从飞控电子装置（FCE）接收惯性数据，而惯性基准系统直接通过A429间数据传送给FCE。正副驾驶两侧显示系统对于ADRS提供的表决过的大气数据和FCE提供的惯性导航数据直接进行自动选择。当所有可用的数据源失效时，飞行员可以通过位于同侧仪表板角板的大气数据/姿态转换选择旋钮选择备用（ALTN）源，此时主显示系统将显示备用仪表的姿态和全球定位系统（GPS）的空速、高度等数据。

这种使用投票表决的方案，在出现故障或者错误时，计算机能够自动的排除故障数据，在故障条件下，尤其是组合故障时，能够有效的减轻机组工作量。这样的方案更好的考虑了AC25－11A的第6章的36.e（2）“传感器选择及通告”中建议的自动传感器数据转换，可靠性高，且能更好的符合人为因素相关要求。但也不难看出，这样的设计构架显然不能满足FAR/CCAR1333（a）的条款要求。这种情况下，需要制定相关的问题纪要，进行等效安全（ELOS）符合性说明，申请人必须向审查方表明“这样的信号传送系统和显示系统的设计特征能够达到与独立的信号源等效的完整性和可用性”。主制造商和系统供应商需要给审查方提供系统描述文件、鉴定试验报告、取证飞行试验报告、系统级和飞机级安全分析报告，证明当前架构能够达到甚至超过CFR/CAR25.1333（a）要求的安全性级别。

4 结束语

本文仅从已适航飞机的角度简要分析了现有的显示和大气数据及惯性基准系统。对于飞机系统设计来说，由于技术的快速发展，相关的操作、显示、数据的处理可能并不会完全按照规章和咨询通报已有的要求来做，但对于安全性来说，自始至终都是最重要的，在前期的设计中就应做好足够的分析，保证系统构架的完整性和可用性，这也是适航当局最为关心的问题。

1 中国民航总局.中国民用航空规章（第25部）：运输类飞机适航标准，2001.5