教練機飛行信息安全記錄與應用技術發展研究

趙清洲，劉 浩

（中航工業陜西千山航空電子有限責任公司，陜西 西安710065）

0 引言

隨著航空技術的發展，現代教練機的綜合性能不斷提升，飛機結構、系統規模、機載設備日趨復雜。在提高飛行訓練質量、保障飛行安全、高效率維護支持、縮短維護時間、提高再次出動率、降低全壽命周期使用維護成本等方面提出了新的挑戰，傳統的飛行訓練、安全保障、維護保障模式，已不能適應現代教練機的發展需求。

飛行信息安全記錄與應用技術是教練機獲取飛機信息的關鍵技術，能夠實時記錄教練機飛行數據、飛機狀態信息、數字音頻/視頻、數據鏈通信數據等信息，并在飛機墜毀時幸存；通過對記錄信息的管理和深度挖掘，實現數據綜合有效的利用，不僅在飛行事故調查、飛機維護、飛行訓練評估三個方面發揮重要作用，同時在航空武器裝備質量安全保障體系建設、信息化建設和作戰訓練模式轉變等方面引發變革。

1 國內外教練機的飛行信息安全記錄與應用技術的發展情況

1.1 國外發展情況

1.1.1 發展歷程

國外的發展主要經歷了三個階段：

第一階段，50年代～60年代，50年代初，世界各國空軍開始普遍裝備噴氣式戰斗機，隨后出現了最早專門設計的噴氣式教練機。由于事故調查分析的需要，提出了飛行數據記錄與墜毀幸存的要求，研制了飛行數據記錄設備，具有墜毀保護功能、記錄介質為箔帶，僅記錄航向、高度、空速、垂直過載和時間5個參數。

第二階段，70年代～80年代，隨著飛機造價和訓練費用的上漲，一些專家開始用數學和經濟學手段，分析、論證教練機和訓練體系的費用和效率問題，對教練機體制進行調整，新研制的教練機針對性強、性能全面、設備先進，拓寬了適用范圍。在這個階段，不但對事故調查分析提出了更高的數據資源和防護要求，同時提出了飛行訓練和日常維護的數據資源需求，記錄的參數從十幾個擴展到上百個，提高了墜毀幸存能力，記錄介質變更為磁帶。

第三階段，90年代～至今，由于裝備更新、軍隊規模壓縮、經費減少等各種原因，部分國家的航校及航空兵訓練體系再次面臨調整和改革，開始研制下一代教練機。在這個階段，隨著電子信息技術高速發展，極大推動了飛行信息安全記錄和應用技術的發展，采用固態記錄芯片替代了磁帶記錄，增加了記錄容量，減小了體積重量，提高了可靠性。記錄參數提升到數千個，具備更強的模擬、數字和總線信號接口能力，并增加了飛行數據、音頻數據、視頻數據、數據鏈通信等信息的記錄，提高了墜毀幸存能力。并且，將飛行數據進行了可視化處理，融合了導航數據、氣象數據、地理信息數據以及飛行姿態等數據，具有較高的人機交互水平。

1.1.2 標準體系

國外的技術發展十分重視標準體系的建設，在飛行數據安全記錄方面，由飛行事故調查機構（如美國國家安全運輸管理委員會NTSB）提出的需求為牽引，促使適航法規的制定部門（如美國聯邦航空管理局FAA）頒布專門的技術標準和法規，提出具體明確的要求，并且根據需求變化持續更新。其中覆蓋了：墜毀幸存指標、不同飛機采集記錄參數的數量、參數類型、精度、采樣率、記錄介質、記錄時間、音/視頻記錄、數據鏈通信記錄、定位與搜尋等各項具體規定。

同時，在參照民機技術標準和適航法規的基礎上，為滿足軍機事故調查需求，指導軍機的研制要求，美軍方1984年發布了 《MIL-STD-2124A飛行數據記錄器功能標準》（2000年被MIL-HDBK-2124標準取代），標準把軍機劃分為：固定翼多發飛機、固定翼戰斗機/攻擊機/教練機、旋翼機、垂直和短距離起降飛機等四大類平臺；并且針對軍機特點，規定了固定式和可分離式軍用飛行數據記錄器，各自應具備的功能特性、墜毀幸存性試驗項目、以及依據劃分的四大類飛機平臺應采集記錄的典型參數等。

表1 民機適航法規和技術標準

續表1

表2 開發與設計規范

表3 抗墜毀性能指標演變情況

1.1.3 技術發展情況

1）信息記錄技術

記錄的信息由最初的航向、高度、空速、垂直過載和時間5個飛行參數，逐步擴展到飛機姿態、飛行數據、飛機狀態、數字總線、飛行員操縱、音視頻、數據鏈、火控/雷達等多種類型的參數，參數的數量從5個逐步發展到幾千個，記錄介質從磁帶發展到固態存儲芯片，記錄容量從幾百K字節發展到上百G字節，目前已經達到1T字節。

2）信息可視化技術

采用計算機的圖形處理技術，改變傳統的數據報表顯示方式，以記錄的信息作為數據源，以模擬座艙、三維動畫的顯示方式，再現飛機的飛行過程。

3）信息應用技術

充分利用記錄的信息，建立地面專家系統，利用飛行數據客觀評估飛行訓練質量；利用飛機狀態信息，進行飛機故障診斷，并對重要系統的使用維護進行趨勢預測，指導飛機維護維修工作。

4）數據鏈技術

建立空地數據鏈，實時交換數據，采用“虛擬教員”方式培訓飛行員。教員不上飛機，通過飛機機載和地面臺站數據鏈系統與空中的飛機進行 “鏈接”，在地面的模擬（或虛擬）座艙內指導和監控學員的訓練。目前美國聯合攻擊機JSF采用了這種技術。

5）墜毀幸存技術

從表3可以看出，隨著材料和防護技術的提高，抗毀的性能指標逐步提高，在陸上或海上不同墜毀環境條件下能夠幸存。隨著飛機性能的提高，對抗強沖擊指標提出了更高的要求，如美國F-22飛機的數據記錄設備的抗強沖擊指標達到5 100 g/5 ms。

在不斷提高數據存儲介質防護能力的同時，開展了拋放式記錄設備的研究，能夠在飛機墜毀時與飛機分離，并在空中減速，降低墜毀時的載荷，提高幸存能力。同時，能夠發射無線電波，用于快速的搜尋和定位。

1.2 國內發展情況

1.2.1 發展歷程

中國教練機的發展經歷了引進、仿制、改進改型到自主研制的過程，至今已躋身世界上能獨立研制先進教練機國家的行列。1949年從蘇聯引進了教練機。

1958年，自主設計初教6。受當時技術水平的限制，沒有進行信息記錄。2010年，隨著教練機飛行訓練、使用和維護要求的提高，飛行信息記錄和應用技術的成熟，提出了信息記錄要求，開始加裝飛行數據記錄設備。

60～80年代初，中國先后改進研制成功殲教5、殲教6、殲教7，適應了戰斗機發展的需要。1979年，為滿足殲教7飛機信息記錄的要求，研制了國內首臺飛行參數記錄設備，采用磁帶記錄介質，記錄參數27個，地面數據應用采用DOS操作系統，簡單報表。

90年代，研制基礎教練機教8。在飛機研制時，飛行信息記錄和應用技術已經得到了發展，采用了固態存儲器技術、數字總線接口技術、計算機控制技術、在線加載技術、墜毀保護組件防護技術；采集記錄參數達到50個，墜毀幸存能力達到國際標準TSOC124。地面數據應用由原始DOS版本的簡單報表升級到WINDOWS平臺的多功能報表、曲線、三維航跡、數字地圖和模擬座艙顯示。實現了飛行信息安全記錄和應用技術的拓展與應用，產品隨飛機出口到埃及、巴基斯坦等國家，為飛行員訓練提供了數據支持，在2007年和2008年2次埃及飛行事故中，發揮重要作用，為飛行事故分析提供了證據，得到了用戶的好評。

2000年后，研制了“獵鷹”高教機。對飛行信息安全記錄與應用提出了更高的要求，記錄參數達到3000多個，增加了音頻、視頻、飛行員操縱、航電總線等信息的記錄；墜毀幸存能力滿足TSO-C124b的要求，其中抗強沖擊指標達到5 100 g/5 ms，達到國際先進水平。配置了水下定位信標，飛機在海上墜毀時，能夠快速定位和搜尋。在數據應用方面，建立了地面數據處理工作站，采用數據報表、曲線、航跡、模擬座艙和三維動畫等多種顯示方式，便于不同類型人員對數據的分析和使用；在此基礎上，開發專家系統，評估飛行訓練質量，監控飛機發動機的工作狀態，消除故障隱患。

圖1 “獵鷹”高教機

圖2 飛行數據記錄設備

1.2.2 標準規范

相比國外標準，在民用標準方面緊跟國外先進標準步伐，形成了民用標準體系，在軍用標準方面僅編制了通用要求規范，尚未形成標準體系。

1）軍用標準2）適航標準

適航標準基本參照國外標準制定，主要形成的標準有9項。如下表5所列。

3）工程化標準

國內這方面的標準有2項。如表6所列。

表4 國內軍用標準

表5 國內適航標準

表6 國內工程化標準

1.2.3 技術發展情況

國內教練機的飛行信息與應用技術的發展起步于70年代末，技術發展緊跟國際步伐，由國內教練機的發展需求推動，達到了國際先進水平。經歷了從磁帶記錄到固態記錄，從少數參數到海量參數，從無防護到墜毀幸存保護，從事故分析應用功能擴展到飛行訓練、日常維護、信息管理等功能的過程。

1）信息記錄技術

記錄的信息由最初“殲教7”的27個參數發展到“獵鷹”高教機的3 000個參數，包括了飛機姿態、飛行數據、飛機狀態、數字總線、飛行員操縱、音視頻、數據鏈等多種類型的參數，記錄介質從磁帶發展到固態存儲芯片，記錄容量從1M字節擴展到128 G字節。

2）信息可視化技術

開發地面數據工作站，除了傳統的數據報表、曲線、航跡顯示方式；采用計算機的圖形處理技術對飛機進行建模，以記錄信息為數據源，模擬飛機座艙和飛機姿態三維動畫顯示，疊加數字地圖、機場和地形圖，動畫再現飛機的飛行全過程。

3）信息應用技術

以“獵鷹”高教機為例，主要有以下幾個方面：

A、信息共享；將獲取的飛行信息上傳到航電總線，使飛機其他系統設備共享信息；

B、系統控制；實時監控和分析解算飛機起落架和燃油系統工作狀態，建立數學模型，實現起落架收放和燃油供/輸油的控制；

C、系統備份；為飛機座艙顯示進行余度備份，在控制座艙顯示的主計算機失效時，備份提供顯示數據，不影響座艙顯示功能，有效提高飛機的安全裕度。

D、飛行訓練評估；利用飛行數據客觀評估飛行訓練質量；

E、飛機使用維護；利用飛機狀態信息，進行飛機故障診斷，指導飛機維護維修工作。

4）墜毀幸存技術

隨著國內材料技術的發展和防護結構研究的深入，抗毀能力逐步提高，滿足國際最新標準TSOC124b的要求，其中，抗強沖擊能力達到5100g/5ms，達到了國際先進水平。為了滿足海上墜毀搜尋的需要，配置了水下定位信標，在水下時工作，通過聲納進行搜尋。這些技術已經應用到國內先進的軍機和 “獵鷹”高教機上。

2 教練機對飛行信息安全記錄與應用技術的發展需求

教練機的飛行信息安全記錄與應用技術的發展需求主要來自飛機的飛行訓練、日常維護和事故分析的需求。

1）飛行訓練質量考核

中國空軍戰斗機飛行員的訓練體制為四級三機制，需經過飛行院校訓練，改裝訓練和戰斗機戰術訓練三個階段的飛行訓練。先在初級航校的初教-6飛機上訓練一年，飛行155個小時；然后改飛教8飛機，訓練時間也為一年，飛行130小時；畢業后分配到訓練基地，在殲教-7型飛機上再訓練一年，飛行110小時，然后再分配到作戰部隊進行戰術訓練。從提高飛行訓練考核質量出發，主要有以下需求：

（1）建立飛行員電子飛行檔案

以飛行數據為基礎建立數據庫，全過程記錄飛行員每次的飛行科目、飛行時間、飛行情況和飛行員生理狀況等信息，記載飛行員整個飛行訓練的成長歷程，為飛行員飛行評價奠定基礎。

（2）地面客觀評價系統

按照飛行訓練計劃和科目的要求，制定評價規則，提供豐富的飛行數據資源，通過地面專家系統客觀評價飛行訓練情況，及時發現飛行問題，指導飛行員訓練。

（3）“虛擬教官”培訓模式

飛行教官不上飛機，在地面的模擬（或虛擬）座艙內，指導和監控飛行學員的訓練。

（4）飛行數據可視化

將飛行數據轉換成飛機或儀表的三維動畫在屏幕上動態顯示出來，同時疊加數字地圖和三維地形，便于飛行任務完成后首長、指揮員、飛行員和專家等觀看、分析任務完成情況，有助于提高飛行訓練質量，評估飛行訓練效果，也可為事故分析模擬現場。

2）飛機維護維修

（1）故障快速定位與維修

記錄飛機飛行過程中各系統設備的工作狀態和BIT信息，通過專家系統對數據的分析和處理，快速對飛機重要系統、設備的工作狀態進行判定，縮短飛機起飛前機務準備時間，減少地勤人員工作量，特別是防止機載系統檢測過程中，人為的疏忽和系統、設備的瞬態故障被忽略的問題，提升飛機的安全性。

（2）飛行過程實時故障監控

通過空地數據鏈，實時發送飛機出現的故障，地面提早準備維修備件，實現快速維修。

（3）飛機健康診斷

匯總飛機使用過程中的歷史數據，通過地面專家系統進行統計分析和趨勢預測，監控飛機重要設備的工作狀態和運行情況，按照飛機使用要求，制定健康評價規則，客觀評價飛機健康狀況，給出維護保養和維修建議，消除故障隱患，顯著提升飛機的安全性。

3）飛機事故分析

（1）墜毀幸存和快速定位

能夠在飛機不同墜毀情況下，保證記錄數據的安全，提供搜尋手段，快速定位和獲取。

（2）事故分析和模擬現場

提供足夠的信息資源，能夠分析查找事故原因，動畫模擬再現事故發生的全過程。

3 教練機的飛行信息安全記錄與應用技術的發展趨勢

以教練機的需求為牽引，飛行信息安全記錄與應用技術的發展趨勢主要表現為以下幾個方面：

1）記錄信息的多源化

多源信息包含了飛機飛行信息和狀態信息、飛行員語音和座艙環境聲音、飛行員操作動作和儀表顯示視頻、雷達和紅外圖像、飛行員生理等信息。充分利用這些信息資源，在空間和時間上依據某種優化準則將這些信息結合起來，產生對飛機和飛行員訓練情況的一致性描述，提高客觀評價的水平。

（1）傳感器技術

不斷提高飛機傳感器的感知精度、數字化和小型化，采用冗余技術，提高信息的準確性和可靠性。

（2）信息采集處理技術

采用大規模集成電路，擴展信息的采集通道數量，減小體積。

采用高性能嵌入式計算機，提高信息的采樣率，在飛機異常情況下，可以對重要參數進行突發采樣，成倍提高采樣率，獲取豐富的原始數據資料。

對于視頻和圖像數據，采用數據壓縮，有效降低數據量，目前主流的壓縮技術是H.264。

（3）高速總線技術

數據流量的增加，對數據傳輸總線提出了更高的傳輸率要求，典型的數字傳輸總線有：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）、光纖（1G bps）。 其中，ARINC-429、RS-422和HDLC總線主要用于飛機設備間點對點的低速數據交換。而對于飛機航電總線組網和數據傳輸的需要，目前國外軍機主要采用1 553b總線組網，傳輸飛行數據；采用1 394 b和光纖總線傳輸視頻和圖像信息。民機主要采用AFDX總線組網和數據傳輸。

（4）時間同步技術

為了實現信息的有效利用，必須解決信息的時間同步問題，目前民用標準提出的信息同步要求是1 s，軍機提出了更高的要求。由飛機提供統一的時間，信息的采集和處理在統一的時間體系下進行，保證信息的同步采集處理、存儲和回放，并支持多機的同步回放。

（5）海量存儲技術

隨著記錄數據數量的快速增長，記錄器容量從最初的K字節，逐步增加到M字節、G字節，甚至到T字節。為了有效完成數據的存儲，需提高存儲器的讀寫速度和文件系統技術，目前基于SATA接口的存儲器讀寫速度可以達到300 MB/s，基于PCIe接口的存儲器讀寫速度達到4 GB/s，使海量的數據能夠被快速的寫入與讀出。安全的文件系統確保數據能夠被正確、完整的存儲和索引，在異常中斷的情況下可以恢復，確保數據的完整性。

2）信息管理的網絡化

（1）基于飛機數字網絡的數據管理技術

以飛機數字總線網絡為平臺，進行信息的交互，實現信息共享；可以作為數據服務器，備份重要數據，提供數據支持，提高飛機的冗余度，增強飛機的安全性。

（2）基于分布式網絡數據庫的數據管理技術

構建地面分布式網絡平臺，利用數據倉庫技術管理數據，開發基于網絡環境的數據處理軟件，使得數據共享，達到資源優化、人員協同目的。掌握數據加工和集成技術；海量數據快速存儲、快速訪問、快速查詢以及快速數據顯示技術；數據安全技術。

圖3 基于分布式網絡數據管理

3）信息回放的可視化

提供曲線、報表、駕駛艙儀、電子地圖、飛行參數變化曲線圖、飛行軌跡圖、起飛降落動態仿真等多種信息回放手段。采用計算機的圖形處理技術，融合了視頻數據、氣象數據、地理信息數據以及飛行姿態等數據，實現單機和多機三維動畫顯示。

4）信息應用的專家化

基于飛行手冊的超限監測和記錄，利用已有知識建立具有自學習能力的專家系統，制定評估規則，應用于以下幾個方面。

（1）實時故障診斷與健康趨勢預測

在飛機飛行過程中，實時監視和分析飛機各系統設備的工作狀態，基于評估規則進行診斷，及時發現故障，形成故障診斷報告。

在地面數據處理工作站，深度挖掘飛機飛行信息，統計和分析歷史工作數據，基于評估規則進行趨勢預測，診斷飛機健康情況，消除潛在隱患。

（2）飛行訓練質量評估

根據飛行手冊和相關飛行技術標準，建立飛行品質評估模型，評估飛行員的訓練質量。

5）空地數據的一體化

建立空地數據鏈，實現空中和地面“連接”，實時交換信息。飛行教官可以在地面的模擬座艙，監控飛行員的飛行情況，指揮飛行員飛行，實現“虛擬教官”的訓練模式。

飛機實時故障診斷報告，通過數據鏈發送給地面，及時發現飛機出現的故障，指揮飛行員采取措施，地勤人員提前準備維修措施。

6）抗毀幸存的最優化

在飛機出現墜毀事故時，能夠保證記錄的數據被完整的保存下來，不被損壞，并且被快速搜尋。

（1）存儲部件的防護技術

加強防護材料和防護結構的研究，能夠有效抵御飛機墜毀事故可能出現的損傷工況，確保100%幸存。

（2）拋放式記錄器技術

在飛機墜毀時，能夠與飛機分離，有效降低飛機墜毀時的載荷，提高墜毀幸存能力。目前主流應用的是水上漂浮記錄器和彈射記錄器。

（3）快速搜尋定位技術

采用水下聲納定位、無線電定位和衛星定位等多種定位手段，使飛行數據記錄器能夠被快速搜尋定位。

圖4 數據可視化回放

圖5 基于規則的推理診斷過程

4 應用前景

飛行信息安全記錄與應用技術的快速發展，能夠不斷提高教練機飛行訓練和飛機安全水平，創新飛行訓練手段，縮短飛機維護和維修時間，提高出勤率，降低飛行訓練、維護和事故處理的成本，推進航空武器裝備質量安全保障體系建設、信息化建設和作戰訓練模式的轉變。

1）飛行教官“虛擬”

通過在地面建立模擬座艙訓練環境，實現教練員在地面指導飛行學員飛行訓練的模式，改變傳統單一的教官帶飛模式，將大大提高訓練效率，降低訓練成本。

2）飛行訓練客觀評價

通過建立飛行員電子履歷，記錄每個訓練科目的飛行數據，實現科學客觀評價飛行訓練質量，指導飛行員不斷提高飛行技術。

3）飛機快速維護維修

通過飛機實時傳送的飛機狀態信息，地勤維護人員及時掌握飛機狀態，提前準備維修工作，能夠縮短維修時間，提高飛機出勤率。

通過地面專家系統，建立飛機的電子維修履歷，監控和統計飛機重要設備（如發動機）的工作狀態，進行故障分析和趨勢預測，給出維護和維修建議，改變“獵槍式”維護維修模式，實現事前維護和維修，消除故障隱患。

4）飛機事故快速分析

飛機事故時，通過在數據記錄設備上集成聲納、無線電或衛星定位裝置，實現記錄設備的快速搜尋和飛行事故的快速處理，縮短事故處理的時間，節約事故處理的人、財、物等各項費用。

通過地面數據處理工作站，模擬再現事故現場，分析事故原因。

5）飛行信息共享

通過分布式網絡實現飛機信息的共享，飛行員、教官和地勤人員等不同類型人員，可以通過終端查詢飛機飛行信息。

5 結論

飛行信息安全記錄與應用越來越受到用戶的重視，隨著教練機需求的逐步提高和電子技術的高速發展，將極大推動飛行信息安全記錄與應用技術的發展，為教練機的飛行訓練、日常維護和事故分析發揮更大的作用，同時推動航空武器裝備質量安全保障體系建設、信息化建設和作戰訓練模式的轉變。

致謝

本文的編制過程得到了公司同仁的大力支持和幫助，特別感謝李俊峰、熊春海、伍奇賢、汪智榮等同志。

[1]韓崇昭，朱紅艷，段戰勝.多源信息融合（第二版）.北京：清華大學出版社，2010年9月.

[2]李航航，高宏建，楊建元.飛行訓練體制與飛行訓練大綱，航空科學技術，2007年第2期.

[3]TSO-C124b FLIGHT DATA RECORDER SY STEM ，Federal Aviation Administration，2007.4.

[4]朱攀蓉.飛行數據綜合記錄分析技術研究[D]，西安，西北工業大學，2004.

[5]李朝輝.數字圖像處理及應用[M]，北京：機械工業出版社，2004.

[6]黃永葵.光纖通道標準及在航空電子中的應用[Z].2003，P46-P65.