民用飞机增强型飞行记录器数据存储标准介绍
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2022-12-22 17:30
山东
“ 本文分析了先进民航客机机型所采
用的飞行记录系统数据存储标准 ARINC 767，
以及基于 ARINC 647A 标准生成的记录器电子化记录文件（FRED）。对采用 ARINC 767 标准
记录的飞行数据相应的译码原理进行深入研究，为记录器译码工作奠定技术基础。”
目前民航领域最新的机型均是基于全双工以太网（AFDX）航电的新一代飞机，其航电系统与传统民航客机机型的航电系统有本质不同。特别是记录器飞行数据记录规范也完成升级：传统机型基于 ARINC 429 总线数据传输规范到 ARINC 717 飞行数据记录规范，新机型基于 ARINC 664 总线数据传输规范到 ARINC 767 飞行数据记录规范。新机型飞行记录器为新一代增强型机载飞行记录器（EAFR，ENHANCED AIRBORNE FLIGHT RECORDER），本文主要从以下三个 方面论述 EAFR 的数据译码技术： 基于 ARINC 767 的 EAFR 数据存储技术；
基于 ARINC 664 的飞机传输技术
随着航空电子系统的高速发展，飞机中电子设备呈现出多样化、复杂化的趋势。飞机上传统的通信网络技术通讯速率低、电缆使用量大，越来越不能满足现代航空电子系统的需求，制约了航空电子设备的更新换代。因此，使用新型通信网络优化航空通信网络性能，改善航空电子设备结构成为了研发新一代航空数据网络航空电子全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet
Network，AFDX）。ARINC Specification 664定义了一个确定性的以太网网络。航空电子全双工交换以太网（AFDX）。EAFR将使用AFDX作为飞机系统的主要接口。飞行数据、数字音频、CNS/ATM、数据加载和OMS，以及可选的视频图像都可以使用AFDX接口。![]()
AFDX 系统由航空电子子系统、AFDX 终端系统、AFDX 互连网络三个部分组成。各个部分的功能具体如下：航空电子子系统（Avionics Subsystem）：飞机上完成飞行任务的传统航空电子系统和服务任务的新型航空电子系统，如飞机控制计算机（FCC）、全球定位系统（GPS）等。航空电子子系统通过 AFDX 终端系统接入 AFDX 网络，是飞机上的功能模块。AFDX 终端 (AFDX End System)：主要有两个功能。第一个是提供航空电子系统和 AFDX
通信链路之间的接口，确保各航空电子子系统和其他航空电子系统之间的安全、可靠的数据交换。第二个是将航空电子子系统中可能存在的不同类型的数据转化成统一的电气标准，使其能相互识别。AFDX 互联网络（AFDX Interconnect）：全双工交换式网络。有至少一个交换机作为数据中继器将数据传送到正确的目的地址，是
AFDX 组成网络结构，摆脱点对点通讯制约的关键。AFDX 互联网络还能通过虚拟链路技术提高系统的可靠性，提高通信速率。知识点1：与普通以太网的主要区别就是AFDX是一个确定性的网络，其传输速率可以达到100 Mb/s。AFDX 第一次在大型航空电子系统上实现了，由传统的分立式电缆连接或共享介质的总线构架信息传输网络，向交换式网络的转变，率先在大中型航空电子系统中扩大了互连信息传输网络的规模。目前已经应用于新型的大型客机外，在军用运输机、战斗机上的应用也越来越广泛。知识点2：在航电系统，AFDX终端一定需要通过一个VL进行以太网帧的交换，可以说VL是AFDX通讯的基础。虚拟链路（Virtual Link，VL）：一条虚拟链路就是一个概念化的通信对象，定义了了一个逻辑上的单向连接，从一个源到一个或多个目的端系统。每个虚链路都被指定一个最大带宽，该带宽由系统集成者分配。![]()
增加了“确定性网络”的实时性，能保证机制和冗余管理的可靠性机制等措施，使得AFDX能够满足航空电子的要求。知识点3：与ARINC429、ARINC629相比，AFDX系统节点规模有更大提高，每个交换机最多能连接24个中终端，而交换机又可以通过级联来构建更大的网络，AFDX最多可支持1024个端系统。
2 基于ARINC 767 的EAFR 数据存储技术
EAFR帧由帧头（Frame Header）、 帧数据（Frame Data）、帧尾（Frame Trailer）构成。其中，帧头包括： a ) 帧起始信标（Starting Frame Marker）：16bits 固定的编码，译码软件通过识别起始信标来判断是否是新的一帧，类似于 ARINC 717
内各子帧的同步字； b ) 帧长度（Frame Length）：用于标示帧总长度，用于判断各帧定位；c ) 时间签（Time Tag）：用于标示该帧形成时相对于开始记录的时间，译码软件通过读取该值，判断各帧数据的先后顺序。该值不同于帧储存到 EAFR 时间，这是因为 EAFR 在储存数据时可能将各个帧的数据先存在寄存器里，再一起记录到 EAFR 内。因此该值是各帧相对顺序的唯一标识； d ) 帧 ID（Frame ID）：用于标示不同类型数据帧的编号，但一般第 1、2 位保留（如
1HZ 参数帧为 3；4Hz 参数帧为 4）。a ) 数据位：该位置记录的是采集频率相同的飞行参数（如 Baro Altitude、Airspeed）。由于每一类帧（如 1Hz 与 4Hz 帧）或同类帧的不同帧（如 1Hz 帧前后两秒）的数据可能不同（如包含 Event 参数），因此数据大小未定
（Var），但数据位至少包括一个参数。一类帧内一次可以同时传输多个采集频率相同的参数，类似于 ARINC 429 的 Bus 概念，
同一个 Bus 可以同时传输多个 Label； b ) 数据对齐位：特殊编码，用于数据位的末位对齐。最后是帧尾，采用特殊编码，用于标示数据帧已结束。各类飞行数据在以 EAFR 帧储存在 EAFR
之前，都会先储存在数据获取系统的接收缓存器内，也就是消息池（Message Pool）。EAFR会按从消息池内采集该类帧（即同频率）需要记录的全部参数的最新数据，一起封装在帧结构的数据位内。EAFR 采集参数的规则和顺序会如实地记录在 FRED（Flight Recorder
Electronic Documentation）文件内，用于译码。由于飞行数据来自不同的系统，因此这些数据到达消息池的时间不同。因此，存储在 EAFR 的帧数据是以该帧建立的时间做为时间签（Time Tag），标记该帧内全部数据的记录时间。即 EAFR 帧内的数据可能并不是同一时刻产生的，但时间延迟很小，可以认为是同时的。EAFR 储存流程见图1。 ![]()
图1：EAFR 帧储存流程
当各个系统以AFDX或者ARINC 429形式将数据传递至消息池，先储存在缓存器内。当在 TS1 时刻，采集了如 Alt、IAS、Nz 等参数，封装在 FL1 帧内。同时，采集了如 N1、WoW、Roll 等参数封装在 FL2 内；TS2 时刻，FL1 同样采集与 TS1时刻一样的参数；同时，采集N2、Yaw、Flap
等参数封装在FL3 内。这就意味着 FL1 是个高频率帧，FL2 和 FL3 是低频率帧，且 FL2 和
FL3 的频率不同。EAFR 每个帧时刻（Time Tick）建立的帧数量是不定的，这跟EAFR设计原理相关。图
2 显示了一种可能的帧排列情况。![]()
图2 一种可能的EAFR帧排列
如该 EAFR 记录的最高频率为 16Hz，则
在每个 1/16 秒都会建立一个 16Hz 帧。在第
1/16 秒、3/16 秒、5/16 秒、7/16 秒、第 9/16 秒、11/16 秒、13/16 秒、15/16 秒建立 1 个 8Hz 帧；在 第 2/16 秒、6/16 秒、10/16 秒、15/16 秒 建
立 1 个 4Hz 帧；在第 4/16 秒、12/16 秒建立一
个 2Hz 帧；在 8/16 秒建立 1 个 1Hz 帧。这样在每一个帧时刻（Time Tick）都会建立 2 个帧。
3 飞行记录器电子记录文件
Flight Recorder Electronic Documentation
（FRED）文件是专用于 EAFR 帧数据译码的电子文件，记录了 EAFR 的构型信息及各参数的储存规则，可以帮助分析人员迅速完成数据译码工作。一般该文件同飞行数据一起储存在记录器
的 CSMU 内（防冲击储存单元），但不与数据混存，即存储空间不同，是一个单独的文件。QAR 记录器一般属于 ACMS（飞机状态监控系统），其数据译码文件一般称之为 CPL
（Continuous Parameter Logging）文件。FRED 文件需按照 ARINC 647A 规范的要求编写为 .xml 文件格式，这样可以方便译码软件通过导入该文件迅速建立译码库，而不需
要在地面再建立和维护一套译码库。FRED 文件是以 ASCII 文本形式编写的程序，不但可导入软件，人工也可以读懂。由于 FRED 文件如实记录了 EAFR 存储规则，有效性好，可避免事故调查时由于译码文件缺失或译码库信息过时等原因造成的无法译码情况的发生。FRED 文件并不是数据采集组件进行数据储存的控制文件，而是专用于 EAFR 数据译码的指导文件。因此一般当数据采集组件的采集逻辑发生变化后，需要在数据采集组件和
EAFR 上同时更新 FRED 文件，以保证译码的准确性。图 3 显 示 了 FRED 文 件 的译码原理。![]()
图3 FRED文件译码原理
EAFR 译码过程非常简单：直接从 EAFR 上下载原数据（Raw Data）和 FRED 文件，将两者导入专用译码软件。译码软件将先读取 FRED
文件迅速建立一个译码库，通过这个译码库对原数据进行译码。FRED 文件可以通过译码软件进行编辑和修改工作，用于更加全面的译码数据。如对原
FRED 文件增加对于参数的注释，虽然不改变核心的译码规则，增加的注释会方便分析人员对于数据的理解。 a ) 头文件：FRED 的第一节，有固定的格
式。主要表示了 FRED 文件的构型信息，如
FRED 版本、适用的机型、机号、EAFR 件号、
采集组件件号等；b ) 帧定义：FRED 的第二节，有特定编写
要求。主要对 EAFR 帧进行定义，如帧名、帧
列表、帧类型、帧 ID 等；c ) 参数定义：FRED 的第二节，有特定编
写要求。主要对帧内参数进行定义，如参数名、
简称名、参数位长、转换系数等。![]()
4 结束语
本文通过对 ARINC 664、ARINC 767、
ARINC 647A 规范的研究，梳理了飞行参数从航电系统至 EAFR 的传输过程，分析了 ARINC
767 数据存储标准，研究了 EAFR 数据的译码方法，可为增强型飞行记录器数据译码工作提
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