基于ARINC429總線的飛行模擬器DME音頻激勵方法研究

孔令帥 周標 王瑞 姚瑤

摘 要：【目的】使用諸多機載真件的高等級飛行模擬器存在無法通過傳統模擬音頻方案產生DME導航音頻的問題，提出一種適用于ARINC429設備的數字音頻解決方案?！痉椒ā客ㄟ^采集機載DME—4 000設備與RIU之間的數據，解析DME輸出到RIU的ARINC429格式數據的傳輸時序及導航音頻的L044數據位組字規則?！窘Y果】以浦東導航臺為例，將對應的莫爾斯電碼按本研究提出的方法轉換成0-1字符串，并以20位為一組分割打包成L044數據字，再按真機時序對其進行傳輸，最終產生的DME導航音頻與真機真實聲音要保持一致?！窘Y論】試驗證明，本研究提出的基于ARINC429總線法能有效解決某民用客機飛行模擬器在采用RIU、ACP真機設備和真機鏈路時DME數字音頻的激勵問題，從而達到預期的仿真效果。

關鍵詞：飛行仿真；機載音頻系統；測距器；飛行模擬器；數字音頻；ARINC429；總線激勵

中圖分類號：TP336 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

測距器系統（distance measuring equipment，DME）主要是由兩部分組成的，即安裝在航空器上的DME詢問機和位于地面的DME地面信標臺［1］。DME詢問機通過測量發射信號與接收信號的時間差，可計算出飛機到地面站臺的斜距，通過測量斜距的變化率可計算出飛機接近或離開信標臺時的速度。DME地面信標臺是民用航空器常用的無線電導航設備信號發生器，安裝于機場和航路上。DME系統不僅為機組提供到臺距離和到臺時間，還可將DME地面信標臺轉換為莫爾斯音頻進行播報，是主要的航路導航方式之一［2］。

在飛行模擬器［3］中，往往采用軟件方式來對包括DME系統在內的航電系統設備進行仿真［4-6］，從而為飛行員提供逼真的飛行數據顯示和聲音提示。在飛行模擬器中，通過建立導航數據庫，保存DME地面信標臺的位置、有效范圍等信息，可用于模擬DME地面信標臺。在DME仿真軟件中運行實時仿真系統，通過接收其他仿真軟件輸出的飛機實時位置、駕駛艙調諧頻率、工作模式等信息，根據調諧頻率和DME地面信標臺的有效范圍，在導航數據庫中查詢有效的DME地面信標臺，從而獲取DME地面信標臺信息，包括臺站緯度、經度、標高、工作頻率、識別碼、臺站類型等。根據飛機位置來實時解算飛機相對選定的DME地面信標臺的距離、地速、到臺時間，通過駕駛艙指示記錄系統來顯示相關信息。同時，將臺站識別碼轉換成莫爾斯電碼后輸出到后端音頻設備中，并以音頻形式輸出。

機載音頻系統主要有兩種架構［7］，一是基于模擬音頻的傳統架構，二是基于數據總線的數字音頻架構。

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

在數字音頻系統［10-11］中，飛行員通過ACP發送控制命令來對各個通道的通斷進行控制。與模擬音頻系統不同的是，來自話筒的模擬音頻信號通過ACP轉換成數字信號，或通過其他系統直接產生數字音頻信號發送給ACP。ACP通過數據總線將其發送給音頻管理單元，音頻管理單元將接收到的數字音頻信號轉換成模擬音頻后發送給外部通道。

隨著數字信號處理技術（digital signal processing，DSP）的發展，數字音頻系統因靈活性好、便于修改、便于大規模集成等優點，被廣泛應用于民航飛機上，并逐漸取代模擬音頻系統。

某民用客機音頻通信系統采用的數字音頻系統由2個無線電接口單元（radio interface unit，RIU）、3個ACP 和若干通信導航收發機等組成。ACP與RIU、RIU與收發機間均采用ARINC429總線［12-13］來傳輸數字音頻信息。

在飛行模擬器中對導航音頻仿真時，傳統方法采用的是模擬音頻，對ACP及后端聲音設備，可采用仿真件將提前錄制或采集到的清晰真機音頻轉換成音頻文件并保存，再根據機載邏輯觸發音頻來播放，使用靈活。以某民用客機高等級飛行模擬器為例，為提高逼真度，ACP和RIU均采用機載真件和真機鏈路，采用ARINC429信號接口，仿真時要觸發導航音頻就要研究相關的ARINC429總線信號傳輸時序，并解析導航音頻相關的Label字組字規則。

本研究以某民用客機高等級飛行模擬器DME系統仿真方案為例，研究DME系統相關ARINC429總線信號的傳輸時序，通過解析DME導航音頻相關的Label字組字規則，推導在ACP和RIU均采用機載真件和真機鏈路時的DME導航音頻激勵法，為飛行模擬器DME系統導航音頻仿真提供全新的數字音頻解決方案。

1 某飛行模擬器DME系統仿真方案

某民用客機的DME系統采用的是DME—4000接收機。DME—4 000接收機是從RIU來接收調諧信號，通過發送詢問信號來獲取DME地面信標臺的信息，依次計算到臺距離、地速和到臺時間，以ARINC429總線形式將其輸出到遠程數據接口單元（remote data interface unit，RDIU）中，RDIU將ARINC429信號轉換為ARINC664信號［14-15］，并在駕駛艙主飛行顯示器上顯示。同時，將DME地面信標臺的識別碼以ARINC429信號的形式輸出到RIU中，RIU將其傳輸給ACP控制聲音設備，最終實現DME導航音頻播放。

某民用客機飛行模擬器DME系統的仿真實現方案如下。①使用仿真軟件來實現DME—4 000接收機的內部邏輯；②DME通過建立導航數據庫來實現對信標臺的模擬；③DME仿真軟件通過接口系統來實現與物理電氣鏈路的交互；④ACP、RIU、RDIU、聲音設備均采用機載真件，物理電器鏈路按真機鏈路進行連接。

DME仿真軟件通過接口系統從RIU來接收頻率、工作模式等調諧信號，通過共享數據網絡（shared data network，SDN）從其他仿真軟件中接收當前飛機位置、速度、姿態、供電等信息，并通過查詢導航數據庫來獲取相應的信標臺信息，通過數學建模和邏輯建模，依次計算出到臺距離、地速、到臺時間、音頻標志，并輸出到接口系統中，由接口系統來實現與RIU、RDIU的交互。某飛行模擬器DME系統仿真原理如圖1所示。圖中，DME為仿真軟件，RDIU、RIU、ACP、飛行顯示器均為真實的機載設備。

2 某機載DME設備音頻時序

通過研究某機載DME—4 000設備接口可知，DME—4 000輸出至RIU的參數見表1。

機載DME—4 000設備為三通道，能連續提供飛機和3個DME地面信標臺間的距離信息。3個通道的數據傳輸采用循環發送方式。

通過采集分析機載DME—4 000設備與RIU間的數據，得到DME輸出到RIU的信號時序，見表2。

由表2可知，完整的DME數據序列是由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個通道為一個周期，表2中包含兩個周期，分別定義為第一個周期和第二個周期。以上述兩個周期為單位，循環傳遞，即在200 ms內完成傳輸。此外，只有頻率字包含信道代碼位。

ARINC 429總線［16］上傳輸的每個數據字有32位，分為5個部分，即標識號（Label）、源/目的識別碼（SDI）、數據組（Data）、符號/狀態標志（SSM）、奇偶校驗位（P），1個數據字傳輸1個參數數據或1組離散量信號數據。ARINC429協議的基本格式見表3。

DME導航音頻信息是通過Octal Label 044（DME Identity Presence）進行傳遞的。在ARINC429協議中，Octal Label 044數據的定義見表4。

由表4可知，每一幀Octal Label 044包含32位。其中，第1～8位Octal Label為標號位，即label號；第9～10位SDI為源/目的識別位，用于表征設備；第11位Channel Identifier為表征通道；第12～31位Ident Sample為數據位，每幀長度為20 bit，主要承載著DME導航音頻的主要內容；第32位為奇偶校驗位。

可用唯一的一組莫爾斯電碼來表示DME輸出的臺站識別碼［17］。通過對采樣數據進行分析，L044中數據位取值所組成的01字符串與該莫爾斯電碼是固定對應的。莫爾斯電碼與01字符串的對應規則見表5。

將產生的01字符串以20為一組進行分割，并按高低位重新進行組合，從而實現與Octal Label 044中Ident Sample的數據長度相匹配。

3 DME音頻激勵

以上海地區浦東導航臺為例，通過將識別碼轉換成莫爾斯電碼，并建立其與L044中Ident Sample數據位的對應關系。導航臺的名稱是浦東、頻率為116.9 MHz、識別碼為PUD，中間點和線段的組合是該導航臺的莫爾斯電碼，波道為CH116X。浦東導航臺在航圖上的標志如圖2所示，由一個VOR信標臺和DME信標臺組合而成。圖中的符號為一個正方形（DME）里面加一個六邊形（VOR）。

由圖2可知，浦東導航臺的莫爾斯電碼為“.--. ..- -..”（點橫橫點 點點橫 橫點點）。按照表5中莫爾斯電碼與01字符串的對應規則，浦東導航臺的莫爾斯電碼對應的01字符串見表6。

按照ARINC429協議，每一幀Octal Label 044都包含20位數據位，將表6中的01字符串以20位為一組進行截取，截取后放到整型數組中，并發送給接口系統，由接口系統完成對ARINC429數據的打包。浦東導航臺對應的ARINC429格式的L044數據位見表7。

經工程驗證，在RIU、ACP及后端音響采用真機設備時，按L044組字規則和表2所示的整體信號傳輸時序，能成功激勵出DME導航音頻。

4 結語

本研究闡述了民用航空DME方式、機載兩種音頻架構及其優缺點，通過引入DME導航音頻來進行仿真研究。針對某飛行模擬器要使用大量真件的特點，發現傳統模擬音頻架構無法滿足DME導航音頻仿真需求，因此，提出基于ARINC429總線的數字音頻解決方案。某飛行模擬器上DME系統采用仿真軟件進行分析，RIU、ACP及后端音響采用真機設備和真機鏈路，所以只能采用基于ARINC429總線的數字音頻進行激勵。通過采集機載DME—4 000設備與RIU間的傳輸數據，對DME輸出到RIU的ARINC429數據的傳輸時序及導航音頻的L044數據位組字規則進行解析。以浦東導航臺為例，通過介紹其導航音頻與ARINC429總線的對應關系，推導出L044數據位的組字方式。在RIU、ACP采用真機設備和真機鏈路的情況下，給出基于ARINC429總線的DME導航音頻激勵法，其能有效解決某飛行模擬器系統DME導航音頻仿真問題，為高等級飛行模擬器系統導航音頻激勵提供全新的數字音頻解決方案。

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