基于ARINC429總線的飛行模擬器DME音頻激勵(lì)方法研究

孔令帥 周標(biāo) 王瑞 姚瑤

摘 要：【目的】使用諸多機(jī)載真件的高等級(jí)飛行模擬器存在無法通過傳統(tǒng)模擬音頻方案產(chǎn)生DME導(dǎo)航音頻的問題，提出一種適用于ARINC429設(shè)備的數(shù)字音頻解決方案。【方法】通過采集機(jī)載DME—4 000設(shè)備與RIU之間的數(shù)據(jù)，解析DME輸出到RIU的ARINC429格式數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)序及導(dǎo)航音頻的L044數(shù)據(jù)位組字規(guī)則。【結(jié)果】以浦東導(dǎo)航臺(tái)為例，將對(duì)應(yīng)的莫爾斯電碼按本研究提出的方法轉(zhuǎn)換成0-1字符串，并以20位為一組分割打包成L044數(shù)據(jù)字，再按真機(jī)時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行傳輸，最終產(chǎn)生的DME導(dǎo)航音頻與真機(jī)真實(shí)聲音要保持一致。【結(jié)論】試驗(yàn)證明，本研究提出的基于ARINC429總線法能有效解決某民用客機(jī)飛行模擬器在采用RIU、ACP真機(jī)設(shè)備和真機(jī)鏈路時(shí)DME數(shù)字音頻的激勵(lì)問題，從而達(dá)到預(yù)期的仿真效果。

關(guān)鍵詞：飛行仿真；機(jī)載音頻系統(tǒng)；測(cè)距器；飛行模擬器；數(shù)字音頻；ARINC429；總線激勵(lì)

中圖分類號(hào)：TP336 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0009-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.002

DME Audio Excitation Method of Flight Simulator Based on ARINC429 Bus

KONG Lingshuai1 ZHOU Biao2 WANG Rui2 YAO Yao1

（1.Beijing Lantian Aviation Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China;

2.Qingdao Lantian Aviation Technology Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract： [Purposes] The problem that the high-level flight simulator using many airborne real parts cannot generate DME navigation audio through the traditional analog audio scheme， this paper proposes a digital audio solution suitable for ARINC429 equipment. [Methods] By collecting the data between the airborne DME-4 000 equipment and the RIU， the transmission timing of ARINC429 format data output from DME to the RIU and the L044 data bit grouping rules for navigation audio are analyzed. [Findings] Taking Pudong Navigation Station as an example， this study transformed the corresponding Morse code into 0-1 string in the way mentioned in this article， and then divided and packed it into L044 data words in 20 bits， and then transmitted it according to the real time sequence. The final DME navigation audio is consistent with the real voice of the real machine. [Conclusions] The test shows that the method based on ARINC429 bus mentioned in this study can effectively solves the problem of DME digital audio excitation of a flight simulator using real RIU， ACP equipment and real aircraft link， and achieves the expected simulation effect.

Keywords： flight simulation; airborne audio system; DME; flight simulator; digital audio; ARINC429; bus excitation

0 引言

測(cè)距器系統(tǒng)（distance measuring equipment，DME）主要是由兩部分組成的，即安裝在航空器上的DME詢問機(jī)和位于地面的DME地面信標(biāo)臺(tái)［1］。DME詢問機(jī)通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差，可計(jì)算出飛機(jī)到地面站臺(tái)的斜距，通過測(cè)量斜距的變化率可計(jì)算出飛機(jī)接近或離開信標(biāo)臺(tái)時(shí)的速度。DME地面信標(biāo)臺(tái)是民用航空器常用的無線電導(dǎo)航設(shè)備信號(hào)發(fā)生器，安裝于機(jī)場和航路上。DME系統(tǒng)不僅為機(jī)組提供到臺(tái)距離和到臺(tái)時(shí)間，還可將DME地面信標(biāo)臺(tái)轉(zhuǎn)換為莫爾斯音頻進(jìn)行播報(bào)，是主要的航路導(dǎo)航方式之一［2］。

在飛行模擬器［3］中，往往采用軟件方式來對(duì)包括DME系統(tǒng)在內(nèi)的航電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行仿真［4-6］，從而為飛行員提供逼真的飛行數(shù)據(jù)顯示和聲音提示。在飛行模擬器中，通過建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫，保存DME地面信標(biāo)臺(tái)的位置、有效范圍等信息，可用于模擬DME地面信標(biāo)臺(tái)。在DME仿真軟件中運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，通過接收其他仿真軟件輸出的飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、駕駛艙調(diào)諧頻率、工作模式等信息，根據(jù)調(diào)諧頻率和DME地面信標(biāo)臺(tái)的有效范圍，在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中查詢有效的DME地面信標(biāo)臺(tái)，從而獲取DME地面信標(biāo)臺(tái)信息，包括臺(tái)站緯度、經(jīng)度、標(biāo)高、工作頻率、識(shí)別碼、臺(tái)站類型等。根據(jù)飛機(jī)位置來實(shí)時(shí)解算飛機(jī)相對(duì)選定的DME地面信標(biāo)臺(tái)的距離、地速、到臺(tái)時(shí)間，通過駕駛艙指示記錄系統(tǒng)來顯示相關(guān)信息。同時(shí)，將臺(tái)站識(shí)別碼轉(zhuǎn)換成莫爾斯電碼后輸出到后端音頻設(shè)備中，并以音頻形式輸出。

機(jī)載音頻系統(tǒng)主要有兩種架構(gòu)［7］，一是基于模擬音頻的傳統(tǒng)架構(gòu)，二是基于數(shù)據(jù)總線的數(shù)字音頻架構(gòu)。

飛行員通過模擬音頻系統(tǒng)［8-9］的音頻控制板（audio control panel，ACP）將控制命令發(fā)送到音頻管理單元中，音頻管理單元與話筒耳機(jī)等可采用模擬信號(hào)線連接在一起，并通過模擬信號(hào)線將音頻信號(hào)發(fā)送到外部通道。

在數(shù)字音頻系統(tǒng)［10-11］中，飛行員通過ACP發(fā)送控制命令來對(duì)各個(gè)通道的通斷進(jìn)行控制。與模擬音頻系統(tǒng)不同的是，來自話筒的模擬音頻信號(hào)通過ACP轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，或通過其他系統(tǒng)直接產(chǎn)生數(shù)字音頻信號(hào)發(fā)送給ACP。ACP通過數(shù)據(jù)總線將其發(fā)送給音頻管理單元，音頻管理單元將接收到的數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻后發(fā)送給外部通道。

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（digital signal processing，DSP）的發(fā)展，數(shù)字音頻系統(tǒng)因靈活性好、便于修改、便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于民航飛機(jī)上，并逐漸取代模擬音頻系統(tǒng)。

某民用客機(jī)音頻通信系統(tǒng)采用的數(shù)字音頻系統(tǒng)由2個(gè)無線電接口單元（radio interface unit，RIU）、3個(gè)ACP 和若干通信導(dǎo)航收發(fā)機(jī)等組成。ACP與RIU、RIU與收發(fā)機(jī)間均采用ARINC429總線［12-13］來傳輸數(shù)字音頻信息。

在飛行模擬器中對(duì)導(dǎo)航音頻仿真時(shí)，傳統(tǒng)方法采用的是模擬音頻，對(duì)ACP及后端聲音設(shè)備，可采用仿真件將提前錄制或采集到的清晰真機(jī)音頻轉(zhuǎn)換成音頻文件并保存，再根據(jù)機(jī)載邏輯觸發(fā)音頻來播放，使用靈活。以某民用客機(jī)高等級(jí)飛行模擬器為例，為提高逼真度，ACP和RIU均采用機(jī)載真件和真機(jī)鏈路，采用ARINC429信號(hào)接口，仿真時(shí)要觸發(fā)導(dǎo)航音頻就要研究相關(guān)的ARINC429總線信號(hào)傳輸時(shí)序，并解析導(dǎo)航音頻相關(guān)的Label字組字規(guī)則。

本研究以某民用客機(jī)高等級(jí)飛行模擬器DME系統(tǒng)仿真方案為例，研究DME系統(tǒng)相關(guān)ARINC429總線信號(hào)的傳輸時(shí)序，通過解析DME導(dǎo)航音頻相關(guān)的Label字組字規(guī)則，推導(dǎo)在ACP和RIU均采用機(jī)載真件和真機(jī)鏈路時(shí)的DME導(dǎo)航音頻激勵(lì)法，為飛行模擬器DME系統(tǒng)導(dǎo)航音頻仿真提供全新的數(shù)字音頻解決方案。

1 某飛行模擬器DME系統(tǒng)仿真方案

某民用客機(jī)的DME系統(tǒng)采用的是DME—4000接收機(jī)。DME—4 000接收機(jī)是從RIU來接收調(diào)諧信號(hào)，通過發(fā)送詢問信號(hào)來獲取DME地面信標(biāo)臺(tái)的信息，依次計(jì)算到臺(tái)距離、地速和到臺(tái)時(shí)間，以ARINC429總線形式將其輸出到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元（remote data interface unit，RDIU）中，RDIU將ARINC429信號(hào)轉(zhuǎn)換為ARINC664信號(hào)［14-15］，并在駕駛艙主飛行顯示器上顯示。同時(shí)，將DME地面信標(biāo)臺(tái)的識(shí)別碼以ARINC429信號(hào)的形式輸出到RIU中，RIU將其傳輸給ACP控制聲音設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)DME導(dǎo)航音頻播放。

某民用客機(jī)飛行模擬器DME系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)方案如下。①使用仿真軟件來實(shí)現(xiàn)DME—4 000接收機(jī)的內(nèi)部邏輯；②DME通過建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)臺(tái)的模擬；③DME仿真軟件通過接口系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)與物理電氣鏈路的交互；④ACP、RIU、RDIU、聲音設(shè)備均采用機(jī)載真件，物理電器鏈路按真機(jī)鏈路進(jìn)行連接。

DME仿真軟件通過接口系統(tǒng)從RIU來接收頻率、工作模式等調(diào)諧信號(hào)，通過共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（shared data network，SDN）從其他仿真軟件中接收當(dāng)前飛機(jī)位置、速度、姿態(tài)、供電等信息，并通過查詢導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫來獲取相應(yīng)的信標(biāo)臺(tái)信息，通過數(shù)學(xué)建模和邏輯建模，依次計(jì)算出到臺(tái)距離、地速、到臺(tái)時(shí)間、音頻標(biāo)志，并輸出到接口系統(tǒng)中，由接口系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)與RIU、RDIU的交互。某飛行模擬器DME系統(tǒng)仿真原理如圖1所示。圖中，DME為仿真軟件，RDIU、RIU、ACP、飛行顯示器均為真實(shí)的機(jī)載設(shè)備。

2 某機(jī)載DME設(shè)備音頻時(shí)序

通過研究某機(jī)載DME—4 000設(shè)備接口可知，DME—4 000輸出至RIU的參數(shù)見表1。

機(jī)載DME—4 000設(shè)備為三通道，能連續(xù)提供飛機(jī)和3個(gè)DME地面信標(biāo)臺(tái)間的距離信息。3個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸采用循環(huán)發(fā)送方式。

通過采集分析機(jī)載DME—4 000設(shè)備與RIU間的數(shù)據(jù)，得到DME輸出到RIU的信號(hào)時(shí)序，見表2。

由表2可知，完整的DME數(shù)據(jù)序列是由CH1（035、201、202、002、012、044）、CH2（035、202、002、012、044）、CH3（035、202、002、012）、CH1（035、201、202、300、300、350）、CH2（035、202、300、300、350）、CH3（035、202、300、300、350）組成的。以完整傳輸3個(gè)通道為一個(gè)周期，表2中包含兩個(gè)周期，分別定義為第一個(gè)周期和第二個(gè)周期。以上述兩個(gè)周期為單位，循環(huán)傳遞，即在200 ms內(nèi)完成傳輸。此外，只有頻率字包含信道代碼位。

ARINC 429總線［16］上傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)字有32位，分為5個(gè)部分，即標(biāo)識(shí)號(hào)（Label）、源/目的識(shí)別碼（SDI）、數(shù)據(jù)組（Data）、符號(hào)/狀態(tài)標(biāo)志（SSM）、奇偶校驗(yàn)位（P），1個(gè)數(shù)據(jù)字傳輸1個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)或1組離散量信號(hào)數(shù)據(jù)。ARINC429協(xié)議的基本格式見表3。

DME導(dǎo)航音頻信息是通過Octal Label 044（DME Identity Presence）進(jìn)行傳遞的。在ARINC429協(xié)議中，Octal Label 044數(shù)據(jù)的定義見表4。

由表4可知，每一幀Octal Label 044包含32位。其中，第1～8位Octal Label為標(biāo)號(hào)位，即label號(hào)；第9～10位SDI為源/目的識(shí)別位，用于表征設(shè)備；第11位Channel Identifier為表征通道；第12～31位Ident Sample為數(shù)據(jù)位，每幀長度為20 bit，主要承載著DME導(dǎo)航音頻的主要內(nèi)容；第32位為奇偶校驗(yàn)位。

可用唯一的一組莫爾斯電碼來表示DME輸出的臺(tái)站識(shí)別碼［17］。通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，L044中數(shù)據(jù)位取值所組成的01字符串與該莫爾斯電碼是固定對(duì)應(yīng)的。莫爾斯電碼與01字符串的對(duì)應(yīng)規(guī)則見表5。

將產(chǎn)生的01字符串以20為一組進(jìn)行分割，并按高低位重新進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)與Octal Label 044中Ident Sample的數(shù)據(jù)長度相匹配。

3 DME音頻激勵(lì)

以上海地區(qū)浦東導(dǎo)航臺(tái)為例，通過將識(shí)別碼轉(zhuǎn)換成莫爾斯電碼，并建立其與L044中Ident Sample數(shù)據(jù)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。導(dǎo)航臺(tái)的名稱是浦東、頻率為116.9 MHz、識(shí)別碼為PUD，中間點(diǎn)和線段的組合是該導(dǎo)航臺(tái)的莫爾斯電碼，波道為CH116X。浦東導(dǎo)航臺(tái)在航圖上的標(biāo)志如圖2所示，由一個(gè)VOR信標(biāo)臺(tái)和DME信標(biāo)臺(tái)組合而成。圖中的符號(hào)為一個(gè)正方形（DME）里面加一個(gè)六邊形（VOR）。

由圖2可知，浦東導(dǎo)航臺(tái)的莫爾斯電碼為“.--. ..- -..”（點(diǎn)橫橫點(diǎn) 點(diǎn)點(diǎn)橫 橫點(diǎn)點(diǎn)）。按照表5中莫爾斯電碼與01字符串的對(duì)應(yīng)規(guī)則，浦東導(dǎo)航臺(tái)的莫爾斯電碼對(duì)應(yīng)的01字符串見表6。

按照ARINC429協(xié)議，每一幀Octal Label 044都包含20位數(shù)據(jù)位，將表6中的01字符串以20位為一組進(jìn)行截取，截取后放到整型數(shù)組中，并發(fā)送給接口系統(tǒng)，由接口系統(tǒng)完成對(duì)ARINC429數(shù)據(jù)的打包。浦東導(dǎo)航臺(tái)對(duì)應(yīng)的ARINC429格式的L044數(shù)據(jù)位見表7。

經(jīng)工程驗(yàn)證，在RIU、ACP及后端音響采用真機(jī)設(shè)備時(shí)，按L044組字規(guī)則和表2所示的整體信號(hào)傳輸時(shí)序，能成功激勵(lì)出DME導(dǎo)航音頻。

4 結(jié)語

本研究闡述了民用航空DME方式、機(jī)載兩種音頻架構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)，通過引入DME導(dǎo)航音頻來進(jìn)行仿真研究。針對(duì)某飛行模擬器要使用大量真件的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬音頻架構(gòu)無法滿足DME導(dǎo)航音頻仿真需求，因此，提出基于ARINC429總線的數(shù)字音頻解決方案。某飛行模擬器上DME系統(tǒng)采用仿真軟件進(jìn)行分析，RIU、ACP及后端音響采用真機(jī)設(shè)備和真機(jī)鏈路，所以只能采用基于ARINC429總線的數(shù)字音頻進(jìn)行激勵(lì)。通過采集機(jī)載DME—4 000設(shè)備與RIU間的傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)DME輸出到RIU的ARINC429數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)序及導(dǎo)航音頻的L044數(shù)據(jù)位組字規(guī)則進(jìn)行解析。以浦東導(dǎo)航臺(tái)為例，通過介紹其導(dǎo)航音頻與ARINC429總線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)出L044數(shù)據(jù)位的組字方式。在RIU、ACP采用真機(jī)設(shè)備和真機(jī)鏈路的情況下，給出基于ARINC429總線的DME導(dǎo)航音頻激勵(lì)法，其能有效解決某飛行模擬器系統(tǒng)DME導(dǎo)航音頻仿真問題，為高等級(jí)飛行模擬器系統(tǒng)導(dǎo)航音頻激勵(lì)提供全新的數(shù)字音頻解決方案。

參考文獻(xiàn)：

［1］羅科堅(jiān).DVOR臺(tái)選址分析與研究［J］.電子世界，2020（3）：37-38，41.

［2］沈笑云，褚世超，焦衛(wèi)東，等.DME/DME區(qū)域?qū)Ш降膶?dǎo)航臺(tái)優(yōu)選算法［J］.中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）：31-36.

［3］黃晶，宋宏川，鐘明華，等.飛行模擬器最新發(fā)展研究［J］.飛航導(dǎo)彈，2019（1）：69-73.

［4］黃金明，王立文，田靜.飛行模擬器近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)建模與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007（2）：282-285.

［5］李會(huì)茹，陳又軍，黃歡.關(guān)于飛行模擬訓(xùn)練器電子儀表組件仿真模型研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2020（5）：1-5.

［6］李璐，周濤.基于某民機(jī)工程模擬器無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［C］//中國航空學(xué)會(huì)：第五屆中國航空科學(xué)技術(shù)大會(huì)論文集.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2021：1033-1037.

［7］王洪濤.民用機(jī)載音頻系統(tǒng)模擬器的研究及實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［8］王恒亮，劉文龍，胡興平.飛行模擬器聲音仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2015（12）：47-52.

［9］林亞軍，劉劍超，王偉.飛行模擬器音響系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019（2）：94-95.

［10］羅寧娟.民航機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［11］羅斌，李華，雒嘉，等.機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵要素符合性研究［J］.長江信息通信，2021（2）：95-98.

［12］孫毅剛，梅傲雪，崔海青.ARINC429總線發(fā)送任務(wù)數(shù)據(jù)防沖突算法研究［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2019（4）：93-98.

［13］張穎，羅云，林劍祥，等.ARINC429總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)［J］.集成電路應(yīng)用，2021（12）：4-7.

［14］賈世偉，何向棟，張志平.一種千兆AFDX端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.信息通信，2020（2）：108-110.

［15］FINZI A，MIFDAOUI A.Worst-case Timing Analysis of AFDX networks with multiple TSN/BLS Shapers［J］.IEEE Access，2020（8）：106765-106784.

［16］唐亮，于海勛，房文，等.ARINC429信號(hào)收發(fā)軟件的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008（3）：27-28，31.

［17］王行仁.飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.