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 飛機(jī)航姿系統(tǒng)與機(jī)載防撞系統(tǒng)的交聯(lián)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(自動(dòng)化)

                        田建學(xué)，張鵬明，賈紹文，于潞

                    （海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

摘要：為了減少和避免飛機(jī)相撞的危險(xiǎn)，飛機(jī)上需要加裝機(jī)載防撞系統(tǒng)。然而機(jī)栽防撞系統(tǒng)需要的航向姿態(tài)信號(hào)與飛機(jī)的航姿系統(tǒng)所提供的航向姿態(tài)信號(hào)不一致，因此通過設(shè)計(jì)航姿信號(hào)變換系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航姿系統(tǒng)與機(jī)載防撞系統(tǒng)的交聯(lián)。設(shè)計(jì)的航向姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多型運(yùn)輸機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)改裝工程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載防撞系統(tǒng)與機(jī)載設(shè)備的交聯(lián)，提高了飛機(jī)空中防撞能力。

關(guān)鍵詞：航姿系統(tǒng)；機(jī)載防撞系統(tǒng)；接口；信號(hào)；交聯(lián)

中圖分類號(hào)：V243  文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 06 - 0020 - 04

0  引言

    為了符合國(guó)際民航組織(ICAO)和中國(guó)民用航空總局關(guān)于空中交通管制的要求，提高飛機(jī)空中防撞能力，國(guó)內(nèi)多型飛機(jī)需要加裝機(jī)載防撞系統(tǒng)。機(jī)載防撞系統(tǒng)需要飛機(jī)的無線電高度、氣壓高度、航向／姿態(tài)信息，但是載機(jī)上這些信息源提供的信號(hào)格式與機(jī)載防撞系統(tǒng)的需求不一致，因此不能直接實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，需要對(duì)有關(guān)信號(hào)進(jìn)行變換才能滿足機(jī)載防撞系統(tǒng)的要求。

本文就飛機(jī)加裝機(jī)載防撞系統(tǒng)的航向／姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)進(jìn)行討論，

1  航姿信號(hào)變換原理

    綜合考慮飛機(jī)航向、姿態(tài)系統(tǒng)信號(hào)的輸出格式和機(jī)載防撞系統(tǒng)的接口要求，實(shí)施信號(hào)變換時(shí)將載機(jī)的航向信號(hào)、姿態(tài)（包括俯仰和橫滾）信號(hào)經(jīng)同步機(jī)信號(hào)／數(shù)字信號(hào)（或模／數(shù)）變換、編程等，合成處理為一路高速ARINC429信號(hào)。航向／姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于維修。

1.1 A型飛機(jī)航姿信號(hào)變換原理

    A型飛機(jī)航向、姿態(tài)（俯仰和橫滾）三路同步機(jī)信號(hào)變換到ARINC429數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其基本原理是通過同步機(jī)／數(shù)字信號(hào)變換單元把航向、俯仰和橫滾三路同步機(jī)信號(hào)變換成角度數(shù)字信號(hào)，并輸入到51單片機(jī)控制單元，在單片機(jī)中把這三路角度數(shù)字信號(hào)合成ARINC429格式的數(shù)據(jù)，并寫入ARINC429控制器，以一路高速( 100 kbit/s)的ARINC429數(shù)據(jù)流從ARINC429發(fā)送器發(fā)送至機(jī)載防撞系統(tǒng)。

    該變換系統(tǒng)共分為八個(gè)模塊：±15 V、+5 V電源單元，51單片機(jī)控制單元，CPLD邏輯譯碼單元，航向同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元，俯仰同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元，橫滾同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元，ARINC429控制器單元，ARINC429發(fā)送器單元。

1.2 B型飛機(jī)航姿信號(hào)變換原理

    B型飛機(jī)的航向信號(hào)是通過環(huán)形滑線變阻器輸出的X、Y、Z直流信號(hào)，而不是同步機(jī)信號(hào)，這樣對(duì)于該型飛機(jī)的航向姿態(tài)信號(hào)變換不僅包括同步機(jī)信號(hào)到ARINC429數(shù)據(jù)的變換，還包括環(huán)形滑線變阻器輸出的X、Y、Z信號(hào)到ARINC429數(shù)據(jù)的變換。

    圖2是B型飛機(jī)航向、俯仰和橫滾信號(hào)變換到ARINC429數(shù)據(jù)的原理框圖，其基本原理是通過同步機(jī)／數(shù)字信號(hào)變換單元把俯仰和橫滾兩路同步機(jī)信號(hào)變換成角度數(shù)字信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理緩沖單元把環(huán)形滑線變阻器輸出的X、Y、Z直流航向信號(hào)變換成AD可以采集的模擬信號(hào)，并進(jìn)行AD采集，把采集結(jié)果和變換完成的角度數(shù)字信號(hào)一并輸入到51單片機(jī)控制單元，在單片機(jī)中對(duì)航向的X、Y、Z信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的角度同俯仰和橫滾兩路角度數(shù)字信號(hào)合成ARINC429格式的數(shù)據(jù)，并寫入ARINC429控制器，以一路高速(100 kbit/s)的ARLNC429數(shù)據(jù)流從ARINC429發(fā)送器發(fā)送至機(jī)載防撞系統(tǒng)。

    該變換系統(tǒng)共分為九個(gè)模塊：±15 V、+5 V電源單元，51單片機(jī)控制單元，CPLD邏輯譯碼單元，航向X、Y、Z信號(hào)調(diào)理緩沖單元，航向X、Y、Z信號(hào)AD采集單元，俯仰同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元，橫滾同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元，ARINC429控制器單元，ARINC429發(fā)送器單元。

2  航姿信號(hào)變換系統(tǒng)的單元設(shè)計(jì)

    A型飛機(jī)和B型飛機(jī)航姿信號(hào)變換原理基本一致，主要差別是由于航向信號(hào)格式不一致導(dǎo)致的航向信號(hào)處理方式不同。A型飛機(jī)航姿信號(hào)變換系統(tǒng)中的航向同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元，在B型飛機(jī)航姿信號(hào)變換系統(tǒng)中由兩個(gè)單元進(jìn)行替代，即航向X、Y、Z信號(hào)調(diào)理緩沖單元，航向X、Y、Z信號(hào)AD采集單元。下面分別就各個(gè)單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

2.1  +15 V、+5 V電源單元

    電源單元為整個(gè)變換系統(tǒng)提供所需±15 V和+5 V電源。航向X、Y、Z信號(hào)調(diào)理緩沖單元需要±15 V電源；航向X、Y、Z信號(hào)AD采集單元需要±15 V和+5 V電源；同步機(jī)／數(shù)字信號(hào)變換單元需要±15 V和+5 V電源；51單片機(jī)控制單元需要+5 V電源；CPLD邏輯譯碼單元需要+5 V電源；ARINC429控制器單元需要+5 V電源；ARINC429發(fā)送器單元需要±15 V電源。±15 V和+5 V電源使用DC/DC技術(shù)把28 V機(jī)載直流電變換為±15 V和+5 V，并使用1T型網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出電源進(jìn)行濾波，大大降低電源噪聲。

2.2    51單片機(jī)控制單元

    A型飛機(jī)航姿信號(hào)變換系統(tǒng)中，51單片機(jī)控制單元控制三路同步機(jī)／數(shù)字信號(hào)變換單元的變換，并讀取變換后的角度信號(hào)；B型飛機(jī)航姿信號(hào)變換系統(tǒng)中，51單片機(jī)控制單元控制航向X、Y、Z信號(hào)的AD采集和兩路同步機(jī)／數(shù)字信號(hào)變換單元的變換，并讀取變換后的角度信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)讀取的角度信號(hào)，計(jì)算出航向、俯仰和橫滾的實(shí)際角度值，合成ARINC429格式的數(shù)據(jù)，然后寫入ARINC429控制器進(jìn)行發(fā)送。

2.3    CPLD邏輯譯碼單元

    CPLD邏輯譯碼單元實(shí)現(xiàn)單片機(jī)到AD采集單元、同步機(jī)／數(shù)字信號(hào)變換單元和ARINC429控制器等的控制信號(hào)的邏輯譯碼，保證單片機(jī)數(shù)據(jù)總線工作正確、可靠。

2.4航向／俯仰／橫滾同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元

    航向同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元把航向系統(tǒng)輸出的模擬同步機(jī)角度信號(hào)變換成數(shù)字形式的角度信號(hào)，使用同步機(jī)／數(shù)字變換模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)位寬設(shè)定為12位，對(duì)應(yīng)的角度分辨率為0. 087 890。

    俯仰同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元把姿態(tài)系統(tǒng)輸出的俯仰模擬同步機(jī)角度信號(hào)變換成數(shù)字形式的角度信號(hào)，使用同步機(jī)／數(shù)字變換模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)位寬設(shè)定為12位，對(duì)應(yīng)的角度分辨率為0. 087 890。

    橫滾同步機(jī)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)變換單元把姿態(tài)系統(tǒng)輸出的橫滾模擬同步機(jī)角度信號(hào)變換成數(shù)字形式的角度信號(hào)，使用同步機(jī)／數(shù)字變換模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)位寬設(shè)定為12位，對(duì)應(yīng)的角度分辨率為0. 087 890。

2.5航向X、Y、Z信號(hào)調(diào)理緩沖單元

    為了降低變換電路對(duì)原電路的影響，需要對(duì)航向X、Y、Z信號(hào)進(jìn)行緩沖，但考慮到從環(huán)形滑線變阻器輸出的航向X、Y、Z信號(hào)電壓變化范圍從0到電源電壓，使用緩沖電路必然需要比電源電壓27 V還要高的輔助電源，將會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度。因此，考慮使用對(duì)航向X、Y、Z信號(hào)進(jìn)行電阻分壓，先降低信號(hào)的幅度再使用運(yùn)算放大器緩沖的方法。但是，該方法使用的分壓電阻會(huì)對(duì)原先信號(hào)產(chǎn)生影響，必須予以考慮。下面就電阻分壓對(duì)性能的影響進(jìn)行分析。

    圖3給出了直接電阻分壓方法的示意圖。設(shè)滑線變阻器W₁的上半部分電阻為R_上，下半部分電阻為R_下。

    當(dāng)滑線變阻器W₁沒有R₁和R₂進(jìn)行分壓時(shí)，滑動(dòng)端輸出的電壓為：

    當(dāng)滑線變阻器W₁使用R₁和R₂進(jìn)行分壓時(shí)，滑動(dòng)端輸出的電壓為：

    可見，加入分壓電阻R₁和R₂后對(duì)原先影響可忽略。

    考慮到環(huán)形滑線變阻器輸出的航向X、Y、Z信號(hào)的輸出阻抗與環(huán)形滑線變阻器的阻值密切相關(guān)，環(huán)形滑線變阻器的阻值約為500 Q，也就是說航向X、Y、Z信號(hào)的輸出阻抗在0~ 500 Q之間變化，也就是RW= R_上+R_下

2.6航向X、Y、Z信號(hào)AD采集單元

2.6.1航向角的計(jì)算

    AD采集單元完成航向X、Y、Z信號(hào)從模擬量到數(shù)字量的變換。根據(jù)環(huán)形滑線變阻器的特性可以分析得出航向X、Y、Z信號(hào)在00—3600內(nèi)的電壓波形曲線，而且在一個(gè)確定的角度時(shí)，對(duì)應(yīng)的航向X、Y、Z信號(hào)電壓也是確定和唯一的，根據(jù)這一特征，若得知航向X、Y、

Z信號(hào)的電壓就可以計(jì)算得出此時(shí)的航向角。航向X、Y、Z信號(hào)電壓波形如圖4所示。

2.6.2航向X、Y、Z信號(hào)補(bǔ)償算法

    航向X、Y、Z信號(hào)電壓變化范圍從0到電源電壓。由于電源電壓的不穩(wěn)定就會(huì)使航向X、Y、Z信號(hào)電壓相應(yīng)發(fā)生變化，為了有效彌補(bǔ)電源電壓的波動(dòng)影響，需要對(duì)電源電壓也進(jìn)行AD采集，在51單片機(jī)控制單元內(nèi)對(duì)航向X、Y、Z信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，提高航向角的計(jì)算精度。因此，在計(jì)算航向角時(shí)，不使用航向X、Y、Z信號(hào)的絕對(duì)電壓，而是把航向X、Y、Z信號(hào)的絕對(duì)電壓相對(duì)于電源電壓歸一化，使用歸一化的電壓計(jì)算飛機(jī)的航向角。

2.7     ARINC429控制器單元

    ARINC429控制器單元實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)的打包發(fā)送和接收以及與外圍控制器的接口邏輯等功能。

2.8    ARINC429發(fā)送器單元

    ARINC429發(fā)送器單元實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)從TTL電平到±12 V的電平變換、輸出驅(qū)動(dòng)，以及串行數(shù)據(jù)邊沿斜率的控制等。

3  航向姿態(tài)系統(tǒng)與機(jī)載防撞系統(tǒng)的交聯(lián)實(shí)現(xiàn)

    在A型飛機(jī)上，航姿系統(tǒng)輸出的航向、姿態(tài)信號(hào)為同步器信號(hào)，為便于維護(hù)和施工，航向、姿態(tài)信號(hào)集中取自HZX-1中的EJ-7繼電器盒，其中航向通道信號(hào)取自EJ-7繼電器盒E插頭，俯仰和傾斜通道信號(hào)取自EJ-7繼電器盒T插頭。飛機(jī)的航向、姿態(tài)同步器信號(hào)經(jīng)航向姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為ARINC429（高速）格式后提供給機(jī)載防撞系統(tǒng)。

    在B型飛機(jī)上，從5—6框間的rI/IK-1型磁羅盤接線盒中的2679接線排將環(huán)形電位器輸出的三相模擬磁航向信號(hào)取出，送至航向姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)；從18—19框地板下2379、2382、2383、2419、2435接線排上取出具有應(yīng)急供電的供正駕駛員使用的（左）遠(yuǎn)讀地平儀的飛機(jī)姿態(tài)信號(hào)，送至航向姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)；航向姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)將航向、姿態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為ARINC429（高速）格式后提供給機(jī)載防撞系統(tǒng)。

4結(jié)束語

    通過航向姿態(tài)信號(hào)變換系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)的航向、俯仰和橫滾信號(hào)進(jìn)行變換處理后，就可以在機(jī)載防撞系統(tǒng)和原機(jī)航姿系統(tǒng)都不改變自己原有接口的情況下實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，可大大降低系統(tǒng)（設(shè)備）改進(jìn)的技術(shù)難度和經(jīng)費(fèi)成本，也可加快機(jī)載防撞系統(tǒng)改裝的周期和進(jìn)度。本文所述航姿系統(tǒng)與機(jī)載防撞系統(tǒng)的交聯(lián)關(guān)系已經(jīng)在A、B兩型運(yùn)輸機(jī)上得到驗(yàn)證，研制的航姿信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口機(jī)載防撞系統(tǒng)與原機(jī)航姿系統(tǒng)的交聯(lián)關(guān)系，該型運(yùn)輸機(jī)的空中防撞能力得到有效提高。