在大数据、云计算、互联网+轮番登场的时代，作为高端制造业支柱产品的民用飞机与誉有工业之花的飞机发动机，如何借助数据的力量改善产品性能、提升运行品质、提高安全管理水平，是值得产业链上制造、运营、维修等环节的每一个专业技术人员认真思考的主题。

飞行数据记录器（黑匣子，FDR）

提到飞机的黑匣子，大家肯定都不陌生，这个神秘的小家伙实际上是由飞行数据记录器（FDR）和舱音记录器（CVR）组成的。CVR记录飞机上的各种通话，仪器上的四条音轨分别记录飞行员与航空管制员的通话，正、副驾驶员在驾驶舱内的对话、驾驶员、空服员对乘客的广播，以及驾驶舱内各种声音，包括各种警报器发出的声音。FDR可以记录多种飞行信息，包括飞行姿态、飞行轨迹(航迹)、飞行速度、加速度、经纬度、航向、起落架状态、发动机工作参数等。FDR可保留25小时以上的数据，这些FDR记录的数据主要用于事故调查的情景重现，并可为维修定检时飞机和发动机的视情维修提供重要的参考信息。

通过对多起事故的调研分析得出结论，航空器的机尾部分在事故中不容易损坏，因此，FDR大多安装在飞机尾部，且不易拆卸。FDR具有极强的抗破坏性，包括极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水（或煤油）浸泡、抗磁干扰等能力，保证飞机在事故发生后依然能准确读取FDR中的数据信息。

FDR在飞机发生事故后可发射定位信号，发射的定位信号在陆地上会比较强，能够达到十几公里的范围，但它的信号在海面上或水中则会受到很大影响，由于海水的阻碍，信号强度极大下降。2009年6月1日，法国航空公司一架从里约热内卢飞往巴黎的航班在大西洋上空失事，由于黑匣子沉入4000米海底，调查人员历时两年才打捞出黑匣子。

FDR的启动一般是通过关联控制开关实现的，比如停留刹车电门、发动机点火电门、发动机滑油压力传感器等，如果这个控制开关失效了，备份的启动开关可以由空地开关实现。

美国和欧洲对飞行参数的记录要求

中国对飞行参数的记录要求

飞行数据获取

飞行数据来源于多种航空电子系统，主要包括推力系统、飞机操纵系统、电传飞行控制系统、惯性传感器与姿态测量系统、导航系统、大气数据系统、自动驾驶仪和飞行管理系统等。

推力系统的参数主要包括低压压气机转数N1，高压压气机转数N2，发动机排气温度EGT，燃油流量，油门杆位置等。

飞机操纵系统实现飞机相对三维坐标轴的运动，既包括线运动也包括角运动。在非电传飞机中，飞行员通过操纵杆控制平尾/升降舵的角运动，为在俯仰平面内机动，控制平尾/升降舵的偏转角度，改变平尾受到的升力，产生绕重心的俯仰力矩，通过绕重心的转动改变机翼迎角，从而控制机翼升力，产生俯仰角速度。飞机在侧向平面内操纵的主要方法是控制副翼，副翼差动偏转，一侧机翼的升力增加，另一侧的机翼升力减小，产生滚转力矩，使飞机倾斜转弯。进行无侧滑的协调转弯需要操纵副翼、平尾（或升降舵）和方向舵，其中方向舵只需进行很小的操作，同时还需要调节发动机油门以控制推力。

机械式飞行操纵系统

直升机靠旋翼翼面上空气流动产生的气动升力实现飞行，对飞行路径的操纵通过操纵每个桨叶相对气流的迎角来获得，即靠旋转斜盘机构实现对桨叶角的控制。飞行员通过总距杆改变旋翼的总距角来操纵直升机的垂直运动，周期变距杆来改变桨叶的周期桨叶角，来操纵直升机的纵向和横向运动，通过操作脚蹬控制可变尾桨的桨叶角，产生偏航力矩和侧力。

旋转斜盘机构的原理图

电传飞行控制系统取消了复杂的机械操纵和连接部件，所有控制指令和信号由电缆传输，在飞行员指令与舵面作动器直接设置计算机，飞行运动传感器为计算机提供飞机线运动和角运动相关参数信息，大气数据传感器为计算机提供高度和空速信息。系统采用多路时分串行数据传输方式，通过数字数据总线互相连接。

电传飞行控制系统的基本组成

惯性传感器包括陀螺仪和加速度计，捷联式惯性导航系统将陀螺和加速度计固定安装在机体的刚性框架上，测量飞机相对于机体坐标系的角运动和线运动，用计算机根据飞机的速度信息计算出欧拉角。

捷联系统示意图

导航系统的姿态和航向分别描述飞机相对于水平面的俯仰角、滚转角以及在水平面内相对于北向的航向，包括推算DR导航系统和定位导航系统。推算导航系统是连续估计变化的位置并相应更新对当前位置估计的增量过程，导航精度与时间有关，按导航精度递增顺序可分为大气数据DR导航系统、多普勒/航向关联系统、惯性导航系统INS、多普勒惯性组合导航系统。定位导航系统利用外部参考物获得飞机位置，定位误差与时间和位置无关，包括无线电测向和测距辅助导航系统、卫星导航系统GPS、地形参考导航TRN系统。

从惯性传感器系统、大气数据系统和无线电导航定位系统至用户系统的信息流程如下图所示。

导航系统至用户系统的信息流程

大气数据系统提供大量精确信息，如气压高度、上升速度、修正空速、真空速、马赫数、大气静温和大气密度比等。民用飞机至少有两个互相独立的大气数据计算系统。

基本大气数据系统

飞行管理系统可提供飞行引导和飞机飞行轨迹的横向及纵向控制；监测飞机飞行包线，计算飞行阶段最优速度，使最小速度和最大速度有一定安全裕度；自动控制发动机推力，以控制飞机速度。

飞行管理系统框图

来自不同航电系统的飞行数据进入飞行数据获取单元Flight Data Acquisition Unit（FDAU），常常安放在驾驶员座舱下的电子设备隔离舱中，数据采集编码后输入各类飞行数据记录器，完成飞行数据的存储。

数字式飞行数据获取单元DFDAU获取的参数包括模拟量、离散量和429数字量。

DFDAU对飞行数据进行接收、处理、编译、封装后形成特定格式的数据帧，然后数据帧将传输至多个记录器中。

典型的DFDAU是双处理器单元结构，系统既可提供强制性参数的获取和处理，也为实现客户定制化的飞机监控，这些客户定制化系统可能包括AIDS，AIMS，ACMS，ADAS，HUMS，HOMP等。

强制性参数经DFDAU处理器后存储在FDR中，强制性参数和附加参数进入数据处理单元后存储在QAR/DAR中。DMU与多功能控制与显示单元MCDU，Multi-function Control and Display Unit具有交互接口，用于驾驶舱系统的控制和显示。另外，可编程DMU可以与ADL（Airborne Data Loader）或PDL(Portable Data Loader)进行数据交互。多口打印机可自动输出硬盘拷贝报告，也可由机组或机务人员手动设置输出。

地面支持设备接收飞行数据后，需要通过专门的软件系统对数据进行编译解码。

在航空公司实际运行过程中产生的飞行数据量较大，单个参数的利用率低，一般采用程序探测方法进行事件监测，统计分析，或采用其他数据处理工具进行进一步的趋势分析。数据分析的结果可用于分析飞机、发动机、机载设备，以及机组人员操作在空中的实际工作过程，评估飞机、发动机、机载设备的工作性能，为进一步完善飞机、发动机、机载设备的设计、制造、运行、维修定检等提供科学依据，同时，飞行品质监控FOQA可有效识别运行风险，提升飞行员训练的针对性和有效性，降低飞机运行成本。

数字存取记录器（DAR）

DAR是数字存取记录仪Digital Access Recorder的缩写，DAR由飞机状态监控系统（ACMS）软件驱动，可以根据用户特定的要求记录需要关注的参数，也可以对已经记录的参数修改其频度，精度等等。习惯上也经常称DAR为QAR，只有在具体数据接口选择时才区分。

快速存取记录器QAR

QAR，是快速存取记录器Quick access recorder的缩写，主要用于飞机的日常机务维护、飞行检查、性能监控及飞行品质监控等需要。在FDR的强制性参数基础上，QAR扩大了记录参数的范围，存储介质便于拆装，不带保护装置。早期的QAR 设备普遍都是MO光盘或PCMCIA 卡等储存介质类型的， 需要航后由维护人员拆换储存介质，随着无线传输技术的发展，近年来无线快速存取记录器WQAR得到广泛的应用。无线QAR在空中像普通固态QAR一样工作，把飞行数据记录到内置的PCMCIA卡固态缓存中，飞机落地关车后WQAR首先对数据进行压缩加密，再通过手机网络自动发送数据到航空公司的无线QAR地面基站。

飞行数据采集、传输与存储协议

航电系统输出的飞行数据，主要包括3种形式：模拟量、离散量和数字量。数字信号具有方便采集，记录，计算，误差不累积等优点。但是飞机上的数字信号是通过对模拟信号的模数转换而产生，即对于模拟信号传感器采集的信号进行数字化，这些信号的模数转换一般在机载计算机内完成。例如，从皮托管和静压孔以及总压孔采集的模拟信号，在大气数据计算机内完成模数转换，再输入至下游的IRU等功能部件。

模拟信号是利用电压、电流、相位、电阻等物理量来表征数值，一个端口一般对应一个参数，传感器线路直接和采集组件相连。DFDAU对所有模拟信号输入进行采样转为数字量，采样按照ARINC 573和ARINC 717定义的格式进行，这些模拟量转换为12位数字量。模拟量通过测量传感器的电压、电流或相位等得出参数的值，根据传感器电压、电流或相位等特性分为：低电平直流电、高压直流电、同步角等类型，常见的参数有：操纵舵面位置、驾驶杆位置、油门杆角度等。

离散信号的输出值是离散状态，用离散字表示，可以利用一个或多个bit位来存储输出字。

数字信号采集和传输按照ARINC429协议标准进行，它的全称是数字式信息传输系统Digital Information Transfer System（DITS），协议标准规定了航空电子设备及有关系统间的数字信息传输要求，ARINC429广泛应用在先进的民航飞机中。

该通讯协议采用单向传输方式，信息只能从通信设备的发送口输出，经传输总线传至与它相连的需要该信息的其他设备的接口。

但信息不能倒流至已规定为发送信息的接口中，在两个通信设备间需要双向传输时，则每个方向上各用一个独立的传输总线，每条总线上可以连接不超过20个的接收器；由于设备较少，信息传递有充裕的时间保证。

该协议采用双极型归零的三态码调制方式。传输速率分高低两档，高速工作状态的位速率为100Kb/s。系统低速工作状态的位速率应用在12Kb/s~14.5Kb/s范围内。选定内容后的位速率其误差范围应在1%之内。高速率和低速率不能在同一条传输总线上传输。

ARINC429协议传输的基本单位是字，每个字由32位组成。位同步信息是在双极归零码信号波形中携带着，字同步是以传输同期间至少4位的零电平时间间隔为基准，紧跟该字间隔后要发送的第一位的起点即为新字的起点。

按照ARINC 429 总线规定，每个字格式由32位bit组成。

1-8位是标号位LABEL。它标记出包括在这个传送字内的信息的类型，也就是传送的代码的意义是什么。如传送的是VHF信息，则标号为八进制数030；若是DME数据，则标号为八进制数201等。

9-10位是源终端识别SDI。它指示信息的来源或信息的终端，例如一个控制盒的调谐字要送至3个甚高频收发机，就需要标示出信息的终端，即把调谐字输送至哪个甚高频接收机。

11-28或29位是数据组Data Field，根据字的类型可确定为是11到28还是11到29。它所代表的是所确定的特定数据。ARINC429数据字的格式包括二进制BNR、二-十进制BCD和离散量DISC等等。

如标号为030，则11到29位为频率数据，使用的是BCD编码数据格式，即位11到29。

30到31位为符号状态矩阵位SSM，它指出数据的特性，如南、北、正、负等或它的状态。

32位为奇偶校验位P，它用于检查发送的数据是否有效。检查方法是当由1位到31位所出现的高电平的位数（即1的数）的总和为偶数时，则在第32位上为“1”。如果为奇数，则显示为“0”。

ARINC 573飞行数据获取单元按序采集参数，每个数据字采样周期是15.6ms（64wps），这些数据经量化后传输至DFDR或QAR中。数据流写入FDR后给数据获取系统发送反馈，这种“先写入再读取反馈”的机制用于确认写入数据的正确性。

ARINC 573输出数据按数据帧进行组织，每个数据帧对应的时间周期是4秒，每个数据帧包括4个子帧，对应的每个数据子帧采样周期为1秒，每个子帧包括64个数据字，每个字有12个bit。

每个子帧有惟一的同步字，同步字位于每个子帧的第一个字。

每个制造商的同步字定义不同。

ARINC 717是由ARINC 573发展而来的，对输入参数添加了更严格的标准，将ARINC 429加入到输入参数中，ARINC 717已发展成为目前通行的数据标准。

例如，当输入参数为ARINC 429时，参数中第18到28位数据位对应存储为ARINC 717的1到11位，符号位对应在第12位。ARINC 429参数的11到17数据位信息可设为0或者存储为其他参数。

飞行品质监控（FOQA）的设计与实施

为提高航空安全水平，飞行品质监控（FOQA）逐渐在全球范围内广泛应用，通过QAR/FDR数据记录日常飞行数据，有效识别和降低运行风险。按照规章要求，我国运输飞机已强制安装快速存取记录器QAR，记录飞行过程中的一系列参数，并利用这些参数进行超限管理，有效提高了安全管理水平。2012年，中国民航局颁布了《飞行品质监控（FOQA）实施与管理》（AC-121/135-FS-2012-45）咨询通告，明确了最大起飞全重在20000千克以上，按照CCAR135部运行的多发涡轮喷气飞机应开展飞行品质监控。

国际民用航空组织飞行数据分析方案手册（ICAO Doc10000）提供了FDM方案通常由什么构成的通用指导，什么是有效FDM方案的前提条件，以及如何建立它。英国民用航空管理局的CAP 739，飞行数据监控（2013年6月第二版），这个文件概况了关于第一次建立，以及之后从运营商的飞行数据监控方案处取得有价值的安全效益的好方法。美国联邦民航管理局的指导材料是FAA的AC-120-82号，这个AC提供了“发展，实施，以及运行一个飞行运行品质保证（FOQA）程序”的指导。飞行运行品质保证FOQA是FAA用作FDM的一个术语。全球直升机飞行数据监控指导委员会的指导材料是直升机数据监控，产业最佳实践（2012年4月），这个文件明确的为直升机运营商提供了FDM的指导。（飞机维修砖家）