通用飞机卫星导航/大气数据/捷联航姿基准系统试飞验证研究

通用飞机卫星导航 /大气数据 /捷联航姿基准系统试飞验证研究

张宏志

中航通飞华南飞机工业有限公司 广东珠海 519040

中文摘要：本文件通过对通用型飞机装备的卫星导航/大气数据/捷联航姿基准系统(以下简称“GPADAHRS”)需求中的功能、性能及审定试飞需求进行分析，识别出系统的试飞验证科目，明确了试飞结果分析评估要求，并提出试飞包线要求，为后续GPADAHRS试飞工作的开展提供指导和借鉴作用。

关键字：通用飞机；试飞；大气数据

1. 系统介绍

   1. 系统概述

卫星导航/大气数据/捷联航姿基准系统综合了飞机GPS、ADS和AHRS系统，减少了三个独立系统的相同模块，采用大气数据组件，将大量机上全静压管路变成了线缆，而且系统的航姿模块采用数字化、小型化、智能化的微机电技术，并通过融合GPS和ADS数据，保证了系统性能。

GPADAHRS系统减少了系统LRU数量，不仅极大地降低了系统总重量和成本，还降低了机上工作量和节省了安装空间；同时，系统采取“双GNSS天线测向技术”，取消了磁传感器，直接测量飞机的真航向，不仅避免了机上繁琐的罗差校正程序，还能使系统航向不受电磁环境的影响。由于其在成本、重量等方面的巨大优势，GPADAHRS系统对通用飞机具有很大吸引力，尤其是中小型通用飞机、无人机和需要在大型平台上起降的直升机。

1. 2. 系统组成

GPADAHRS系统组成主要包括1台卫星大气航姿计算机、2部GNSS天线、2台大气数据模块和1台智能型多功能探头。

1. 3. 系统功能

GPADAHRS系统不仅具备GPS、ADS和AHRS三种独立系统的全部功能，还可以通过数据融合扩展系统功能，系统具体功能如下：

1. 大气模块功能

1. 提供飞机静压、动压；

2. 提供飞机总温、静温；

3. 提供飞机空速，空速包括校正空速和真空速；

4. 提供飞机马赫数；

5. 提供飞机气压高度和升降速度；

2. GPS模块功能

1. 提供飞机位置；

2. 提供飞机地速和地理系速度；

3. 提供UTC时间；

4. 具备接收SBAS信号功能；

3. 航姿模块功能

1. 提供飞机三轴加速度和角速率；

2. 提供飞机姿态功能；

3. 提供飞机航向，包括真航向与磁航向；

4. 提供飞机转弯速率；

4. 综合功能

1. 提供飞机风速、风向；

2. 航姿模块应具备两种模式：正常模式和基本模式。正常模式要求大气模块或GPS模块正常，航姿模块融合大气数据或GPS数据，修正航姿陀螺和加速度的误差，提高系统性能；当大气数据和GPS数据均失效，航姿模块自动转入基本模式，提供基本的姿态和陀螺航向（在限定的时间内）；

3. 航姿模块具备DG模式，即当航向源数据失效（GPS模块、一个或两个GNSS天线失效）时，依靠陀螺继续提供陀螺航向（在限定的时间内）；

4. 当GPS可用卫星数量不足时，应结合大气数据辅助GPS进行定位、完好性监视和失效探测和排除；

5. 系统硬件应兼容北斗导航系统，方便后续进行功能扩展。

2. 试飞验证需求

   1. 试飞验证目的

试飞是民用飞机和系统/设备适航符合性验证的一种方法。适航符合性验证是为了保障民用航空器的运营安全，采用不同的说明和验证方法以获得所需的证据资料向审查方表明产品的研制质量和对适航条款的符合性。适航符合性验证始终贯穿于民用飞机和系统/设备的整个研制过程中，只有全面完成符合性验证才能取得适航证。试飞验证是通过飞机在飞行条件下进行相关试验，从而验证有关设计对于相关适航要求的符合性，它能客观全面地反映飞机和系统/设备的可靠性与安全性，其结论具有权威性，是综合检查飞机和系统/设备设计、制造和使用质量的最后关口。对于航空电子系统，由于试飞验证成本高、周期长，在实际工作中应尽量采用非试飞手段完成符合性验证，以加快系统的研制进度和降低研制成本。

对于系统的功能和静态性能，通过分析说明、试验室试验和设备鉴定试验可充分地验证。但设备装机后的功能、性能无法在地面完成综合验证，因为飞行状态下的动态环境无法通过地面静态测试进行模拟，因此需要进行试飞验证，以评估设备的功能性能的完备性。

1. 2. 试飞验证标准及条款

GPADAHRS系统试飞验证需求来源于飞机和系统的适航标准及条款，主要包括以下三方面：

1. 系统及其各设备的CTSO标准及其相应的MOPS

系统及其设备的CTSO和MOPS通常会规定设备功能与性能的验证方法，需要通过飞行评估的需求会特别指出。

2. 系统及其各设备的咨询通告（AC）

虽然AC是系统或设备在飞机上安装的适航指南，但涉及到系统功能和性能需求的验证要求可以供参考。如果AC中要求进行的试飞验证的需求，在系统或设备的适航鉴定期间已经进行了确认和验证，可确保系统的装机符合性，对设备在预期飞机上的适应性很有帮助，这将在市场上占得先机。

3. 系统预期的安装机型的适航条款

虽然CCAR-23-R3是针对23部飞机的适航规章，更多是针对飞机的要求，比如对飞机系统配置、安装和显示等的要求，同AC一样，其中与系统自身的功能、性能有关的条款也需要设备满足。可从中筛选出与GPADAHRS有关的条款，结合AC23-8C《23部审定的各类飞机飞行试验指南》和AC25-7D《运输类飞机合格审定飞行试验指南》，确定需要采用试飞验证方法的需求，具体如表1所示。

表1 AC25-7D中与GPADAHRS相关的试飞要求

1. 3. 试飞验证项目

      1. 功能验证

1. 验证系统在预期飞行包线内不同速度、各种机动下，系统功能正常，信号稳定；

1. 空速、气压高度在机动状态，如起飞和转弯过程中无跳变、反转现象；

2. 位置、地速在转弯过程中，尤其是大坡度转弯，无信号跳变、丢失现象；

3. 姿态、航向在爬升、下降和转弯等机动下，姿态无跳变；

2. 通过试飞试验，验证系统能在飞行中完成航姿空中对准；

3. 通过试飞试验，验证系统能在飞行中完成卫星信号捕获和定位。

1. 1. 1. 性能验证

1. 验证系统航姿模块正常模式下姿态性能；

5. 验证系统航姿模块基本模式下姿态性能；

6. 验证系统航姿模块正常模式下航向性能；

7. 验证系统航姿模块DG模式下航向性能，即每小时航向飘移误差；

8. 验证系统航姿模块空中对准下姿态性能，同时验证GPS空中冷启动寻星定位所需时间；

9. 验证系统位置性能；

10. 验证系统东向、北向、天线和地速性能；

11. 通验证系统指示空速性能；

12. 验证系统气压高度性能。

1. 1. 3. 干扰影响验证

通过试飞试验，验证系统在空中飞行状态下是否不受其他机上系统干扰，也不干扰机上其他系统的工作。

1. 1. 4. 功能可靠性验证

通过各种试飞状态及长时间的试飞试验，验证系统及其各部件能否可靠地工作。

1. 1. 5. 强度和刚度验证

通过试飞试验，验证系统在预期飞行包线内各种机动产生的不同方向、不同大小的过载下，系统的机械和电气接口可靠连接。

3. 试飞验证前准备要求

   1. 验证机要求

1. 试飞验证机已取得型号合格证；

2. 试飞验证机应具备高精度的GNSS系统（如差分GPS系统）、姿态航向基准系统（如惯性基准系统或激光/光纤捷联航姿基准系统）和大气数据系统，以作为数据分析的基准；

3. 为方便试飞数据分析，试飞验证机的试飞参数记录设备的数据记录频率理论上应不小于GPADAHRS系统数据更新率。

1. 2. 系统要求

      1. 系统改装要求

由于需要验证航姿模块的基本模式和DG模式，而其工作模式完全由系统自动控制和切换，且辅助数据全由系统内部提供，飞行中无法人为使其失效，故试飞前应对系统的线缆进行合理设计，以方便地进行验证各种工作模式。系统改装要求如下：

1. 如果卫星大气航姿计算机或GNSS天线在试飞验证机上的位置可达性好，可通过插拔射频线缆使系统GPS无效和进入DG模式。否则，应在两路射频信号线设置通断开关；

2. 接入卫星大气航姿计算机的全静压数据的接线应设置通断开关，方便使大气数据无效，以使航姿模块进入基本模式；

3. 接入卫星大气航姿计算机的电源线应设置通断开关，以在空中使系统重新上电，验证航姿模块空中对准功能、性能和GPS空中寻星定位时间。

1. 1. 1. 系统安装要求

1. 系统已按照安装要求在验证机上安装，并完成安装校准和地面通电检查；

2. 系统各设备在机上安装位置的实际环境条件应与设备的环境试验等级相适应；

3. 系统各大气数据传感器安装位置误差影响小，卫星大气航姿组件已装订静压源误差曲线；如果条件允许，建议直接借用验证机上的总压、静压和温度信息，并装订其静压源误差曲线；

4. GNSS天线在机上安装位置应保证信号无遮挡。

1. 1. 试飞场地和环境要求

1. 为提供高精度的位置信号，试飞场地应有差分GPS地面台站；

2. 除非另有要求，试飞环境天气晴朗，风向稳定。

4. 试飞剖面要求

姿态和航向功能的试飞剖面应包括直线和平飞，左右方向的各种坡度角转弯，长时间的加速和减速，高度的显着变化，以及左右方向的横向加速度的不协调机动（如侧滑），以验证系统在各种试飞状态下功能、性能。可参考表2的飞行包线。

由于姿态和航向功能的试飞剖面包含飞机各种姿态和不同机动，GPS功能和性能验证可包含在姿态和航向功能的试飞剖面中，同样可利用该飞行数据进行大气数据功能、性能的验证和数据分析。

表2 系统试飞包线示例

5. 试飞结果分析

   1. 功能及可靠性分析

试飞数据可接受的判据：

1. 整个试飞过程中，系统工作正常，数据输出连续、正确，无中断、振荡和跳变现象；

2. 系统航姿模块模块能完成空中对准，且性能正常；

3. 在俯仰姿态迅速变化时（例如起飞转弯），气压高度和升降速度无反转现象；

4. 系统不影响其他系统的正常工作，也不受其他系统的影响；

5. 系统各部件与机体连接牢固可靠，无松动。

1. 2. 性能分析

使用飞行参数记录系统记录的GPADAHRS系统和机上参考系统的数据，来分析和确定GPADAHRS系统各输出参数的性能分析。所有参数的性能应标明误差表示方法，如2RMS、2σ和95%CEP等。其中，位置性能按95%CEP来确定，姿态、航向按2RMS来确定，其余参数建议按照2σ来确定。

通过分析得到姿态、航向和转弯速率性能，按照RTCA/DO-334要求使用六位字符串来确定系统航姿模块各工作模式的类别。

6. 总结

卫星导航、大气数据、捷联航姿基准系统是通用飞机十分重要的导航系统，随着电子技术的发展，将三个系统综合成GPADAHRS，减少了重量、空间和经费的成本，从而提高了飞机的品质。通过飞行试验能够对GPADAHRS系统综合后是否满足适航的符合性提供强有力的试验数据支撑，为GPADAHRS系统在广大通用飞机的装机推广应用提供十分重要的借鉴意义。

个人简介： 张宏志 （ 1981.7 ）男 、辽宁、本科 、 高级工程师 、满族、主要研究方向： 航空电子。

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