教练机飞行信息安全记录与应用技术发展研究

赵清洲，刘 浩

（中航工业陕西千山航空电子有限责任公司，陕西 西安710065）

0 引言

随着航空技术的发展，现代教练机的综合性能不断提升，飞机结构、系统规模、机载设备日趋复杂。在提高飞行训练质量、保障飞行安全、高效率维护支持、缩短维护时间、提高再次出动率、降低全寿命周期使用维护成本等方面提出了新的挑战，传统的飞行训练、安全保障、维护保障模式，已不能适应现代教练机的发展需求。

飞行信息安全记录与应用技术是教练机获取飞机信息的关键技术，能够实时记录教练机飞行数据、飞机状态信息、数字音频/视频、数据链通信数据等信息，并在飞机坠毁时幸存；通过对记录信息的管理和深度挖掘，实现数据综合有效的利用，不仅在飞行事故调查、飞机维护、飞行训练评估三个方面发挥重要作用，同时在航空武器装备质量安全保障体系建设、信息化建设和作战训练模式转变等方面引发变革。

1 国内外教练机的飞行信息安全记录与应用技术的发展情况

1.1 国外发展情况

1.1.1 发展历程

国外的发展主要经历了三个阶段：

第一阶段，50年代～60年代，50年代初，世界各国空军开始普遍装备喷气式战斗机，随后出现了最早专门设计的喷气式教练机。由于事故调查分析的需要，提出了飞行数据记录与坠毁幸存的要求，研制了飞行数据记录设备，具有坠毁保护功能、记录介质为箔带，仅记录航向、高度、空速、垂直过载和时间5个参数。

第二阶段，70年代～80年代，随着飞机造价和训练费用的上涨，一些专家开始用数学和经济学手段，分析、论证教练机和训练体系的费用和效率问题，对教练机体制进行调整，新研制的教练机针对性强、性能全面、设备先进，拓宽了适用范围。在这个阶段，不但对事故调查分析提出了更高的数据资源和防护要求，同时提出了飞行训练和日常维护的数据资源需求，记录的参数从十几个扩展到上百个，提高了坠毁幸存能力，记录介质变更为磁带。

第三阶段，90年代～至今，由于装备更新、军队规模压缩、经费减少等各种原因，部分国家的航校及航空兵训练体系再次面临调整和改革，开始研制下一代教练机。在这个阶段，随着电子信息技术高速发展，极大推动了飞行信息安全记录和应用技术的发展，采用固态记录芯片替代了磁带记录，增加了记录容量，减小了体积重量，提高了可靠性。记录参数提升到数千个，具备更强的模拟、数字和总线信号接口能力，并增加了飞行数据、音频数据、视频数据、数据链通信等信息的记录，提高了坠毁幸存能力。并且，将飞行数据进行了可视化处理，融合了导航数据、气象数据、地理信息数据以及飞行姿态等数据，具有较高的人机交互水平。

1.1.2 标准体系

国外的技术发展十分重视标准体系的建设，在飞行数据安全记录方面，由飞行事故调查机构（如美国国家安全运输管理委员会NTSB）提出的需求为牵引，促使适航法规的制定部门（如美国联邦航空管理局FAA）颁布专门的技术标准和法规，提出具体明确的要求，并且根据需求变化持续更新。其中覆盖了：坠毁幸存指标、不同飞机采集记录参数的数量、参数类型、精度、采样率、记录介质、记录时间、音/视频记录、数据链通信记录、定位与搜寻等各项具体规定。

同时，在参照民机技术标准和适航法规的基础上，为满足军机事故调查需求，指导军机的研制要求，美军方1984年发布了 《MIL-STD-2124A飞行数据记录器功能标准》（2000年被MIL-HDBK-2124标准取代），标准把军机划分为：固定翼多发飞机、固定翼战斗机/攻击机/教练机、旋翼机、垂直和短距离起降飞机等四大类平台；并且针对军机特点，规定了固定式和可分离式军用飞行数据记录器，各自应具备的功能特性、坠毁幸存性试验项目、以及依据划分的四大类飞机平台应采集记录的典型参数等。

表1 民机适航法规和技术标准

续表1

表2 开发与设计规范

表3 抗坠毁性能指标演变情况

1.1.3 技术发展情况

1）信息记录技术

记录的信息由最初的航向、高度、空速、垂直过载和时间5个飞行参数，逐步扩展到飞机姿态、飞行数据、飞机状态、数字总线、飞行员操纵、音视频、数据链、火控/雷达等多种类型的参数，参数的数量从5个逐步发展到几千个，记录介质从磁带发展到固态存储芯片，记录容量从几百K字节发展到上百G字节，目前已经达到1T字节。

2）信息可视化技术

采用计算机的图形处理技术，改变传统的数据报表显示方式，以记录的信息作为数据源，以模拟座舱、三维动画的显示方式，再现飞机的飞行过程。

3）信息应用技术

充分利用记录的信息，建立地面专家系统，利用飞行数据客观评估飞行训练质量；利用飞机状态信息，进行飞机故障诊断，并对重要系统的使用维护进行趋势预测，指导飞机维护维修工作。

4）数据链技术

建立空地数据链，实时交换数据，采用“虚拟教员”方式培训飞行员。教员不上飞机，通过飞机机载和地面台站数据链系统与空中的飞机进行 “链接”，在地面的模拟（或虚拟）座舱内指导和监控学员的训练。目前美国联合攻击机JSF采用了这种技术。

5）坠毁幸存技术

从表3可以看出，随着材料和防护技术的提高，抗毁的性能指标逐步提高，在陆上或海上不同坠毁环境条件下能够幸存。随着飞机性能的提高，对抗强冲击指标提出了更高的要求，如美国F-22飞机的数据记录设备的抗强冲击指标达到5 100 g/5 ms。

在不断提高数据存储介质防护能力的同时，开展了抛放式记录设备的研究，能够在飞机坠毁时与飞机分离，并在空中减速，降低坠毁时的载荷，提高幸存能力。同时，能够发射无线电波，用于快速的搜寻和定位。

1.2 国内发展情况

1.2.1 发展历程

中国教练机的发展经历了引进、仿制、改进改型到自主研制的过程，至今已跻身世界上能独立研制先进教练机国家的行列。1949年从苏联引进了教练机。

1958年，自主设计初教6。受当时技术水平的限制，没有进行信息记录。2010年，随着教练机飞行训练、使用和维护要求的提高，飞行信息记录和应用技术的成熟，提出了信息记录要求，开始加装飞行数据记录设备。

60～80年代初，中国先后改进研制成功歼教5、歼教6、歼教7，适应了战斗机发展的需要。1979年，为满足歼教7飞机信息记录的要求，研制了国内首台飞行参数记录设备，采用磁带记录介质，记录参数27个，地面数据应用采用DOS操作系统，简单报表。

90年代，研制基础教练机教8。在飞机研制时，飞行信息记录和应用技术已经得到了发展，采用了固态存储器技术、数字总线接口技术、计算机控制技术、在线加载技术、坠毁保护组件防护技术；采集记录参数达到50个，坠毁幸存能力达到国际标准TSOC124。地面数据应用由原始DOS版本的简单报表升级到WINDOWS平台的多功能报表、曲线、三维航迹、数字地图和模拟座舱显示。实现了飞行信息安全记录和应用技术的拓展与应用，产品随飞机出口到埃及、巴基斯坦等国家，为飞行员训练提供了数据支持，在2007年和2008年2次埃及飞行事故中，发挥重要作用，为飞行事故分析提供了证据，得到了用户的好评。

2000年后，研制了“猎鹰”高教机。对飞行信息安全记录与应用提出了更高的要求，记录参数达到3000多个，增加了音频、视频、飞行员操纵、航电总线等信息的记录；坠毁幸存能力满足TSO-C124b的要求，其中抗强冲击指标达到5 100 g/5 ms，达到国际先进水平。配置了水下定位信标，飞机在海上坠毁时，能够快速定位和搜寻。在数据应用方面，建立了地面数据处理工作站，采用数据报表、曲线、航迹、模拟座舱和三维动画等多种显示方式，便于不同类型人员对数据的分析和使用；在此基础上，开发专家系统，评估飞行训练质量，监控飞机发动机的工作状态，消除故障隐患。

图1 “猎鹰”高教机

图2 飞行数据记录设备

1.2.2 标准规范

相比国外标准，在民用标准方面紧跟国外先进标准步伐，形成了民用标准体系，在军用标准方面仅编制了通用要求规范，尚未形成标准体系。

1）军用标准2）适航标准

适航标准基本参照国外标准制定，主要形成的标准有9项。如下表5所列。

3）工程化标准

国内这方面的标准有2项。如表6所列。

表4 国内军用标准

表5 国内适航标准

表6 国内工程化标准

1.2.3 技术发展情况

国内教练机的飞行信息与应用技术的发展起步于70年代末，技术发展紧跟国际步伐，由国内教练机的发展需求推动，达到了国际先进水平。经历了从磁带记录到固态记录，从少数参数到海量参数，从无防护到坠毁幸存保护，从事故分析应用功能扩展到飞行训练、日常维护、信息管理等功能的过程。

1）信息记录技术

记录的信息由最初“歼教7”的27个参数发展到“猎鹰”高教机的3 000个参数，包括了飞机姿态、飞行数据、飞机状态、数字总线、飞行员操纵、音视频、数据链等多种类型的参数，记录介质从磁带发展到固态存储芯片，记录容量从1M字节扩展到128 G字节。

2）信息可视化技术

开发地面数据工作站，除了传统的数据报表、曲线、航迹显示方式；采用计算机的图形处理技术对飞机进行建模，以记录信息为数据源，模拟飞机座舱和飞机姿态三维动画显示，叠加数字地图、机场和地形图，动画再现飞机的飞行全过程。

3）信息应用技术

以“猎鹰”高教机为例，主要有以下几个方面：

A、信息共享；将获取的飞行信息上传到航电总线，使飞机其他系统设备共享信息；

B、系统控制；实时监控和分析解算飞机起落架和燃油系统工作状态，建立数学模型，实现起落架收放和燃油供/输油的控制；

C、系统备份；为飞机座舱显示进行余度备份，在控制座舱显示的主计算机失效时，备份提供显示数据，不影响座舱显示功能，有效提高飞机的安全裕度。

D、飞行训练评估；利用飞行数据客观评估飞行训练质量；

E、飞机使用维护；利用飞机状态信息，进行飞机故障诊断，指导飞机维护维修工作。

4）坠毁幸存技术

随着国内材料技术的发展和防护结构研究的深入，抗毁能力逐步提高，满足国际最新标准TSOC124b的要求，其中，抗强冲击能力达到5100g/5ms，达到了国际先进水平。为了满足海上坠毁搜寻的需要，配置了水下定位信标，在水下时工作，通过声纳进行搜寻。这些技术已经应用到国内先进的军机和 “猎鹰”高教机上。

2 教练机对飞行信息安全记录与应用技术的发展需求

教练机的飞行信息安全记录与应用技术的发展需求主要来自飞机的飞行训练、日常维护和事故分析的需求。

1）飞行训练质量考核

中国空军战斗机飞行员的训练体制为四级三机制，需经过飞行院校训练，改装训练和战斗机战术训练三个阶段的飞行训练。先在初级航校的初教-6飞机上训练一年，飞行155个小时；然后改飞教8飞机，训练时间也为一年，飞行130小时；毕业后分配到训练基地，在歼教-7型飞机上再训练一年，飞行110小时，然后再分配到作战部队进行战术训练。从提高飞行训练考核质量出发，主要有以下需求：

（1）建立飞行员电子飞行档案

以飞行数据为基础建立数据库，全过程记录飞行员每次的飞行科目、飞行时间、飞行情况和飞行员生理状况等信息，记载飞行员整个飞行训练的成长历程，为飞行员飞行评价奠定基础。

（2）地面客观评价系统

按照飞行训练计划和科目的要求，制定评价规则，提供丰富的飞行数据资源，通过地面专家系统客观评价飞行训练情况，及时发现飞行问题，指导飞行员训练。

（3）“虚拟教官”培训模式

飞行教官不上飞机，在地面的模拟（或虚拟）座舱内，指导和监控飞行学员的训练。

（4）飞行数据可视化

将飞行数据转换成飞机或仪表的三维动画在屏幕上动态显示出来，同时叠加数字地图和三维地形，便于飞行任务完成后首长、指挥员、飞行员和专家等观看、分析任务完成情况，有助于提高飞行训练质量，评估飞行训练效果，也可为事故分析模拟现场。

2）飞机维护维修

（1）故障快速定位与维修

记录飞机飞行过程中各系统设备的工作状态和BIT信息，通过专家系统对数据的分析和处理，快速对飞机重要系统、设备的工作状态进行判定，缩短飞机起飞前机务准备时间，减少地勤人员工作量，特别是防止机载系统检测过程中，人为的疏忽和系统、设备的瞬态故障被忽略的问题，提升飞机的安全性。

（2）飞行过程实时故障监控

通过空地数据链，实时发送飞机出现的故障，地面提早准备维修备件，实现快速维修。

（3）飞机健康诊断

汇总飞机使用过程中的历史数据，通过地面专家系统进行统计分析和趋势预测，监控飞机重要设备的工作状态和运行情况，按照飞机使用要求，制定健康评价规则，客观评价飞机健康状况，给出维护保养和维修建议，消除故障隐患，显著提升飞机的安全性。

3）飞机事故分析

（1）坠毁幸存和快速定位

能够在飞机不同坠毁情况下，保证记录数据的安全，提供搜寻手段，快速定位和获取。

（2）事故分析和模拟现场

提供足够的信息资源，能够分析查找事故原因，动画模拟再现事故发生的全过程。

3 教练机的飞行信息安全记录与应用技术的发展趋势

以教练机的需求为牵引，飞行信息安全记录与应用技术的发展趋势主要表现为以下几个方面：

1）记录信息的多源化

多源信息包含了飞机飞行信息和状态信息、飞行员语音和座舱环境声音、飞行员操作动作和仪表显示视频、雷达和红外图像、飞行员生理等信息。充分利用这些信息资源，在空间和时间上依据某种优化准则将这些信息结合起来，产生对飞机和飞行员训练情况的一致性描述，提高客观评价的水平。

（1）传感器技术

不断提高飞机传感器的感知精度、数字化和小型化，采用冗余技术，提高信息的准确性和可靠性。

（2）信息采集处理技术

采用大规模集成电路，扩展信息的采集通道数量，减小体积。

采用高性能嵌入式计算机，提高信息的采样率，在飞机异常情况下，可以对重要参数进行突发采样，成倍提高采样率，获取丰富的原始数据资料。

对于视频和图像数据，采用数据压缩，有效降低数据量，目前主流的压缩技术是H.264。

（3）高速总线技术

数据流量的增加，对数据传输总线提出了更高的传输率要求，典型的数字传输总线有：ARINC-429（100 kbps）、RS-422 （10 384 bps）、1 553b （1 Mbps）、HDLC（6 Mbps）、139 4b（100 Mbps、400 Mbps）、AFDX（100 Mbps）、光纤（1G bps）。 其中，ARINC-429、RS-422和HDLC总线主要用于飞机设备间点对点的低速数据交换。而对于飞机航电总线组网和数据传输的需要，目前国外军机主要采用1 553b总线组网，传输飞行数据；采用1 394 b和光纤总线传输视频和图像信息。民机主要采用AFDX总线组网和数据传输。

（4）时间同步技术

为了实现信息的有效利用，必须解决信息的时间同步问题，目前民用标准提出的信息同步要求是1 s，军机提出了更高的要求。由飞机提供统一的时间，信息的采集和处理在统一的时间体系下进行，保证信息的同步采集处理、存储和回放，并支持多机的同步回放。

（5）海量存储技术

随着记录数据数量的快速增长，记录器容量从最初的K字节，逐步增加到M字节、G字节，甚至到T字节。为了有效完成数据的存储，需提高存储器的读写速度和文件系统技术，目前基于SATA接口的存储器读写速度可以达到300 MB/s，基于PCIe接口的存储器读写速度达到4 GB/s，使海量的数据能够被快速的写入与读出。安全的文件系统确保数据能够被正确、完整的存储和索引，在异常中断的情况下可以恢复，确保数据的完整性。

2）信息管理的网络化

（1）基于飞机数字网络的数据管理技术

以飞机数字总线网络为平台，进行信息的交互，实现信息共享；可以作为数据服务器，备份重要数据，提供数据支持，提高飞机的冗余度，增强飞机的安全性。

（2）基于分布式网络数据库的数据管理技术

构建地面分布式网络平台，利用数据仓库技术管理数据，开发基于网络环境的数据处理软件，使得数据共享，达到资源优化、人员协同目的。掌握数据加工和集成技术；海量数据快速存储、快速访问、快速查询以及快速数据显示技术；数据安全技术。

图3 基于分布式网络数据管理

3）信息回放的可视化

提供曲线、报表、驾驶舱仪、电子地图、飞行参数变化曲线图、飞行轨迹图、起飞降落动态仿真等多种信息回放手段。采用计算机的图形处理技术，融合了视频数据、气象数据、地理信息数据以及飞行姿态等数据，实现单机和多机三维动画显示。

4）信息应用的专家化

基于飞行手册的超限监测和记录，利用已有知识建立具有自学习能力的专家系统，制定评估规则，应用于以下几个方面。

（1）实时故障诊断与健康趋势预测

在飞机飞行过程中，实时监视和分析飞机各系统设备的工作状态，基于评估规则进行诊断，及时发现故障，形成故障诊断报告。

在地面数据处理工作站，深度挖掘飞机飞行信息，统计和分析历史工作数据，基于评估规则进行趋势预测，诊断飞机健康情况，消除潜在隐患。

（2）飞行训练质量评估

根据飞行手册和相关飞行技术标准，建立飞行品质评估模型，评估飞行员的训练质量。

5）空地数据的一体化

建立空地数据链，实现空中和地面“连接”，实时交换信息。飞行教官可以在地面的模拟座舱，监控飞行员的飞行情况，指挥飞行员飞行，实现“虚拟教官”的训练模式。

飞机实时故障诊断报告，通过数据链发送给地面，及时发现飞机出现的故障，指挥飞行员采取措施，地勤人员提前准备维修措施。

6）抗毁幸存的最优化

在飞机出现坠毁事故时，能够保证记录的数据被完整的保存下来，不被损坏，并且被快速搜寻。

（1）存储部件的防护技术

加强防护材料和防护结构的研究，能够有效抵御飞机坠毁事故可能出现的损伤工况，确保100%幸存。

（2）抛放式记录器技术

在飞机坠毁时，能够与飞机分离，有效降低飞机坠毁时的载荷，提高坠毁幸存能力。目前主流应用的是水上漂浮记录器和弹射记录器。

（3）快速搜寻定位技术

采用水下声纳定位、无线电定位和卫星定位等多种定位手段，使飞行数据记录器能够被快速搜寻定位。

图4 数据可视化回放

图5 基于规则的推理诊断过程

4 应用前景

飞行信息安全记录与应用技术的快速发展，能够不断提高教练机飞行训练和飞机安全水平，创新飞行训练手段，缩短飞机维护和维修时间，提高出勤率，降低飞行训练、维护和事故处理的成本，推进航空武器装备质量安全保障体系建设、信息化建设和作战训练模式的转变。

1）飞行教官“虚拟”

通过在地面建立模拟座舱训练环境，实现教练员在地面指导飞行学员飞行训练的模式，改变传统单一的教官带飞模式，将大大提高训练效率，降低训练成本。

2）飞行训练客观评价

通过建立飞行员电子履历，记录每个训练科目的飞行数据，实现科学客观评价飞行训练质量，指导飞行员不断提高飞行技术。

3）飞机快速维护维修

通过飞机实时传送的飞机状态信息，地勤维护人员及时掌握飞机状态，提前准备维修工作，能够缩短维修时间，提高飞机出勤率。

通过地面专家系统，建立飞机的电子维修履历，监控和统计飞机重要设备（如发动机）的工作状态，进行故障分析和趋势预测，给出维护和维修建议，改变“猎枪式”维护维修模式，实现事前维护和维修，消除故障隐患。

4）飞机事故快速分析

飞机事故时，通过在数据记录设备上集成声纳、无线电或卫星定位装置，实现记录设备的快速搜寻和飞行事故的快速处理，缩短事故处理的时间，节约事故处理的人、财、物等各项费用。

通过地面数据处理工作站，模拟再现事故现场，分析事故原因。

5）飞行信息共享

通过分布式网络实现飞机信息的共享，飞行员、教官和地勤人员等不同类型人员，可以通过终端查询飞机飞行信息。

5 结论

飞行信息安全记录与应用越来越受到用户的重视，随着教练机需求的逐步提高和电子技术的高速发展，将极大推动飞行信息安全记录与应用技术的发展，为教练机的飞行训练、日常维护和事故分析发挥更大的作用，同时推动航空武器装备质量安全保障体系建设、信息化建设和作战训练模式的转变。

致谢

本文的编制过程得到了公司同仁的大力支持和帮助，特别感谢李俊峰、熊春海、伍奇贤、汪智荣等同志。

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