張 琛

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院綜合航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海 200436)

多年來，民用運(yùn)輸類飛機(jī)以300 m垂直間隔在FL290～FL410之間的飛行高度層運(yùn)營［1］。隨著交通密度的增加，已證明這樣的垂直間隔成為最繁忙空域的不利因素。因此引入了RVSM，以增加此高度區(qū)間的可用高度層數(shù)量。在RVSM誤差分析中，機(jī)型總的誤差由飛機(jī)設(shè)計(jì)制造商確定［2］，其中航電設(shè)備誤差(AVE)占了相當(dāng)大的一部分。

1 航電設(shè)備RVSM適航要求

根據(jù)AC91－85，某一機(jī)型要獲得RVSM運(yùn)行適航批準(zhǔn)，其安裝的最低設(shè)備要求如下:(1)兩套獨(dú)立的滿足RVSM性能要求的高度測量系統(tǒng)。(2)一部具有高度報(bào)告能力的的二次監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)答機(jī)(SSR)。(3)一套高度警告系統(tǒng)。(4)一套自動高度控制系統(tǒng)。

為獲得適航批準(zhǔn)RVSM運(yùn)行，對飛機(jī)高度測量系統(tǒng)有以下要求［3］:(1)基本RVSM飛行包線，高度測量系統(tǒng)誤差平均值 ASEmean≤80 ft(1 ft=0.304 8 m);完全RVSM飛行包線，ASEmean≤120 ft。(2)基本RVSM飛行包線，ASE平均值加上3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)SE3SD≤200 ft;完全RVSM飛行包線，ASE3SD≤245 ft。(3)自動高度控制系統(tǒng)的高度保持能力精度在±65 ft以內(nèi)［4］。

2 航電設(shè)備

某新型民機(jī)的高度測量系統(tǒng)由全靜壓探頭(PSP)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)(ADC)及兩者之間相連的管路組成［5］。其高度測量誤差可以分為兩部分:機(jī)身誤差和航電系統(tǒng)設(shè)備誤差。全靜壓探頭的靜壓端口及其連接的管路是高度測量誤差的一個(gè)主要來源，其中一部分誤差是固定的，可以通過在ADC軟件中裝訂靜壓源誤差修正曲線(SSEC)進(jìn)行修正。靜壓測量中的其它誤差將通過全靜壓探頭及相關(guān)系統(tǒng)的安裝和維護(hù)程序減至最小。

現(xiàn)今新出廠的機(jī)型，航電設(shè)備傳輸?shù)男盘柧菙?shù)字信號，僅有的模/數(shù)轉(zhuǎn)換僅發(fā)生在用于測量全/靜壓的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)(ADC)內(nèi)的壓力傳感器輸入端，這部分誤差已經(jīng)考慮在ADC的精度預(yù)算中。

2.1 最低設(shè)備要求

表1描述了某新型民機(jī)的航電設(shè)備配置，這是RVSM要求的基本配置。

表1 飛機(jī)航電設(shè)備配置符合性

2.2 高度測量誤差源

圖1為高度誤差的組成部分。

圖1 高度誤差組成部分

2.2.1 航電設(shè)備誤差(AVE)

如圖1所示，航空電子設(shè)備誤差主要可分為高度計(jì)算誤差、SSEC計(jì)算誤差、壓力傳感器誤差、氣壓基準(zhǔn)設(shè)置(Baro Set)計(jì)算誤差以及高度顯示誤差。

(1)一般高度計(jì)算誤差、SSEC計(jì)算誤差、壓力傳感器誤差，都合并到大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)(ADC)設(shè)備精度中。在RVSM高度層(FL290－FL410)，ADC的高度測量精度為±40 ft。

(2)Baro Set用來設(shè)置高度顯示的氣壓基準(zhǔn)，是一項(xiàng)數(shù)字式的計(jì)算功能，其設(shè)置旋鈕的分辨率最小為0.01 inHg或1 mbar(0.01 inHg=1 mbar=100 Pa)，導(dǎo)致計(jì)算誤差最大為±7 ft。在RVSM高度層，一般應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)海平面氣壓設(shè)置，直接顯示標(biāo)準(zhǔn)海平面氣壓高度，這樣可以忽略Baro Set造成的計(jì)算誤差。但Baro Set也有可能被飛行員設(shè)置為29.92 inHg或1 013 mbar，而不是STD(29.921 26 inHg或1 013.25 mbar)，導(dǎo)致有最大7 ft的誤差產(chǎn)生。

(3)ADC測得的氣壓高度，經(jīng)ARINC 429總線傳輸?shù)街黠w行顯示器上顯示，在數(shù)據(jù)傳輸過程中無任何計(jì)算誤差。二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼最多可能造成≤1 ft的誤差。

2.2.2 高度控制系統(tǒng)

根據(jù)AC 91－85，在沒有顛簸和陣風(fēng)的情況下，直線平飛階段控制航空器在要求高度±65 ft(20 m)以內(nèi)。如有高度選擇/獲取功能，則機(jī)組選擇的值與輸出到控制系統(tǒng)的值之間的差值不超過±25 ft(8 m)。

RVSM要求主飛行顯示器(PFD)顯示的高度與自動飛行控制系統(tǒng)(AFCS)使用的高度數(shù)據(jù)之差的絕對值要＜25 ft。飛機(jī)PFD和AFCS使用的高度參量均來自ADC輸出的氣壓修正高度(Baro Altitude)，是同一個(gè)數(shù)據(jù)源，兩者之間差值為0，因此能滿足RVSM要求。

飛機(jī)的高度保持能力取決于航電自動飛行控制設(shè)備和飛機(jī)控制系統(tǒng)。自動飛行控制系統(tǒng)高度保持能力的設(shè)計(jì)指標(biāo)是在30 000 ft以下最大誤差為20 ft，在30 000 ft以上最大為25 ft。通過飛機(jī)自動飛行系統(tǒng)調(diào)參飛行試驗(yàn)，更新自動飛行增益參數(shù)，在29 000 ft和35 000 ft高度進(jìn)行了高度保持性能的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明能夠滿足設(shè)計(jì)要求，也符合RVSM高度控制的要求。

2.2.3 高度告警

根據(jù)AC 91－85要求，當(dāng)顯示給飛行機(jī)組的高度偏離預(yù)定高度一個(gè)標(biāo)稱值時(shí)，高度偏離警告系統(tǒng)應(yīng)給出一個(gè)告警信號。這個(gè)標(biāo)稱值不應(yīng)大于±200 ft，在應(yīng)用此標(biāo)稱門限值時(shí)，總設(shè)備誤差不應(yīng)超過±50 ft。

飛機(jī)的高度告警功能在主飛行顯示器(PFD)軟件中實(shí)現(xiàn)。顯示器接收ADC發(fā)出的高度數(shù)據(jù)，與飛行控制板(FCP)預(yù)設(shè)的預(yù)選高度進(jìn)行比較。因?yàn)樾盘栔g通信都是通過數(shù)字接口，在告警狀態(tài)的計(jì)算中產(chǎn)生的誤差≤1 ft。飛機(jī)有兩套PFD，當(dāng)飛行高度偏離預(yù)選高度200 ft和1 000 ft時(shí)，會觸發(fā)PFD高度告警功能。當(dāng)一套PFD失效時(shí)，將會自動切換使用第二套PFD的高度告警功能。

2.2.4 應(yīng)答機(jī)

AC 91－85要求一部具有高度報(bào)告能力的二次監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)答機(jī)(SSR)。如果只安裝了一部，它必須具有轉(zhuǎn)換到任意一個(gè)高度測量系統(tǒng)的能力。按照121部規(guī)則實(shí)施運(yùn)行的飛機(jī)應(yīng)當(dāng)配備有批準(zhǔn)的ACAS II機(jī)載防撞系統(tǒng)。

飛機(jī)安裝有2套空中交通管制應(yīng)答機(jī)，為TCAS 7.0版本，滿足RVSM要求，并且具有將使用高度源轉(zhuǎn)換到任意一個(gè)高度測量系統(tǒng)(ADC)的能力。在S模式下，應(yīng)答機(jī)的分辨率是25 ft;在C模式下，應(yīng)答機(jī)的分辨率是100 ft，與指定高度的偏差A(yù)AD主要是由應(yīng)答機(jī)的分辨率引起的。

2.2.5 SSEC分析

氣壓高度由機(jī)載全靜壓探頭測得的靜壓加上SSEC修正后計(jì)算得出。

進(jìn)行RVSM驗(yàn)證的飛機(jī)一般通過加裝拖錐系統(tǒng)進(jìn)行試飛驗(yàn)證。SSEC曲線是一組Mi～ΔP/Ps的曲線。其中Mi為ADC計(jì)算出的未修正M數(shù)。Psi為ADC感受到的全靜壓探頭傳輸過來的靜壓，Ps為未經(jīng)擾動的真實(shí)靜壓。在試飛中將已校準(zhǔn)的拖錐靜壓作為真實(shí)靜壓Ps。相應(yīng)的計(jì)算公式為

高度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)流走向如圖2所示。

圖2 高度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)流走向

飛機(jī)空機(jī)重量為29 t，最大起飛重量為43 t，按照RVSM要求，飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的重量范圍必須覆蓋適合RVSM空域運(yùn)行的所有重量。圖3為飛機(jī)空速校準(zhǔn)獲得的原始高度誤差，以及在RVSM空域檢飛獲得的剩余高度誤差。

圖3 高度誤差曲線

從圖中可以看出，該機(jī)型高度測量系統(tǒng)誤差均值A(chǔ)SEmean均符合RVSM要求。綜合其它航電設(shè)備誤差，其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值 ASE3SD也能滿足 RVSM要求。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多高精度的高度測量設(shè)備相繼出現(xiàn)，加之全球空管水平不斷提高，縮小民機(jī)垂直飛行間隔成為可能。對于新設(shè)計(jì)的民機(jī)，申請RVSM批準(zhǔn)時(shí)，申請人應(yīng)制定適航批準(zhǔn)所需要的表明符合RVSM設(shè)備性能要求的數(shù)據(jù)，對航電設(shè)備誤差進(jìn)行分解和預(yù)算，從統(tǒng)計(jì)的角度獲得臨界飛行條件下的最大誤差數(shù)據(jù)，表明民機(jī)RVSM航電設(shè)備初始適航符合性。

［1］ALTITUDE A，MACH N，et al.Table 2 － excerpt airspeed versus impact pressure，form NASA technical note D －822［M］.US Dept of Commerce:NASA's Washington Available from NTIS，1961.

［2］NASA U S.Standard atmosphere，1976，NOAA － S/T 76 －1562［S］.USA:NASA，U.S.，1976.

［3］International Civil Aviation Organization.ICAO Document 9574－ AN/934，Manual on Implementation of a 300 m(1 000 ft)Vertical.Separation Minimum Between FL 290 and FL 410 inclusive［M］.2nd ed.USA:International Civil Aviation Organization，2004.

［4］FAA.AC 91 －85 authorization of aircraft and operators for flight in reduced vertical separation minimum airspace［M］.USA:FAA UAS Certification Status，2009.

［5］IAN M，ALLAN S.民用航空電子系統(tǒng)［M］.范秋麗，譯.北京:航空工業(yè)出版社，2009.