民用飞机快速获取驾驶舱音频记录系统研究

李桦楠

（中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210）

民用航空安全有效运行是民航业发展的基石，航空公司通过飞行数据对驾驶舱运行情况的监控、飞机机队运行的管理和日常事件调查分析的能力要求日益提升[1-4]。目前，飞机上记录驾驶舱语音数据的设备为驾驶舱语音记录器（Cockpit Voice Recorder，CVR），CVR主要用于航空事故的调查，记录时间一般不超过25 h，读取数据需要借助于专用地面处理设备，因此数据不易快速接近和获取，且不宜对CVR进行频繁地拆卸和安装。

为了加强航空公司的日常管理，规范机组人员各项操作，2018年11月，CAAC发布CTSO—2C603关于《快速获取驾驶舱音频记录器》的中国民用航空技术标准规定，提出一种可以长时间记录驾驶舱语音、且数据读取快速方便的机载设备——快速获取驾驶舱音频记录器；2019年西南局发明电〔2019〕411号《关于进一步推进121部运输航空公司QACVR安装工作的通知》。

从国内、国际民航当局还是航空公司的角度考虑，不论是从事故调查出发，还是监控管理出发，在不影响原有CVR功能和性能的基础上，提高驾驶舱音频记录设备及其记录能力是非常有必要的。

1 快速获取驾驶舱音频记录系统概述

快速获取驾驶舱音频记录系统（图1）一般由2大部分组成：机上音频采集记录部分包含快速获取驾驶舱音频记录器装置、驾驶舱设备（如驾驶舱音频控制板、继电器等）；地面管理部分包含音频接收装置（如地面服务器）、数据读取装置及音频处理等应用软件系统。

图1 快速获取驾驶舱音频记录系统架构图

快速获取驾驶舱音频记录机载设备作为一种新的语音记录器，也是该系统的重要组成部分，采集驾驶舱机组成员及环境音的音频信号，连续不间断地进行数字语音循环存储，内置大容量半导体存储器作为存储介质，能提供长时间的录音；并通过有线或无线的形式，将数据快速上传至地面管理系统，航空公司可下载并解析语音，发送至各个相关部门，进行进一步的处理和操作，有利于增强航空公司对驾驶舱运行情况的监控、飞机机队运行的管理和日常事件调查分析的能力，提高航空公司的运营。

快速获取驾驶舱音频记录器装置通过线缆与机上电源、音频数据及其他相关信号的总线相连。典型内部架构如图2所示，主要包括电源模块、数据存储模块、数据传输模块、显示控制模块和扩展模块等，其中，电源模块可接收机上115 V交流或28 V直流电源的输入，并且能保证200 ms的中断；存储模块需要设置为冗余的双存储独立备份存储器，避免因一个存储器损坏而导致全部数据丢失的情况，包括数据存储器和备份数据存储器，存储器一般为固态硬盘，容量可扩展，用于记录音频信息；数据传输模块包含LTE模块和WIFI模块，其中WIFI天线和LTE天线能够支持FDD/TDD/TD-SCDMA/GSM/CDMA/WCDMA等多种网络制式，实现在特定条件下的数据传输；显示控制模块实现对装置自身运行状态的指示、测试监听等；扩展模块包括预留的与其他系统连接的外部接口。驾驶舱设备包括驾驶舱内各通道的声音采集装置、回放/擦除设备、继电器、前置放大器、控制板和电源等。快速获取驾驶舱音频记录器记录的音频数据可通过USB或WIFI形式上传至服务器。

图2 典型的快速获取驾驶舱音频记录器架构

2 快速获取驾驶舱音频记录系统功能研究

快速获取驾驶舱音频记录器装置可以连续不间断地存储主驾驶、副驾驶、观察员及环境等四路语音，正常网络条件下可在半小时内传输完成最近航段的数据（一般为2～5 h），快速获取驾驶舱音频记录系统需要提供的基本功能有音频数据采集、记录和下载、显示控制、健康状态管理及其他部分扩展功能。

2.1 音频数据采集功能

快速获取驾驶舱音频记录器能实现四通道音频数据的采集，并能对驾驶舱通道的数据进行降噪滤波处理。快速获取驾驶舱音频记录器一般具备ARINC 429接口，可支持ARINC 429时间信息的获取及语音通道时间的同步，从而使音频记录时间与飞机保持一致；同时，可将语音进行压缩，以降低存储占用空间，方便无线的快速传输。

2.2 音频数据记录功能

快速获取驾驶舱音频记录器包含双冗余存储装置，ED 112A要求最低记录时间为72 h[5]，但是根据实际情况，一般快速获取驾驶舱音频记录设备能实现超大容量的存储和长达上千小时的连续循环音频记录，并且记录时间及容量可根据实际需要进行扩展；并且存储装置可拆卸，方便数据的获取；对于所记录的数据会有加密措施，保护数据的安全；另外，快速获取驾驶舱音频记录器支持断电保护，能避免因不可控因素导致数据的丢失。

2.3 数据下载功能

通常快速获取驾驶舱音频记录器数据自动下载与否通过代表飞机位置状态的离散信号控制，当飞机落地后合适状态下，数据自动下载传输到地面服务器，飞机起飞状态中关闭该功能，避免对机上其他设备造成干扰。

快速获取驾驶舱音频记录器支持上电自动记录，掉电自动保存。能够将所记录的数据通过某种方式在特定逻辑下自动下载下来，主要包括：有线传输和无线传输，减少人为操作或误操作，使得数据获取更加方便快捷，有线传输可通过U盘实现可控的数据下载，无线传输可通过4G/5G网络自动下载数据，2种方式均需要密钥以达到数据安全保护的目的。数据下载时间根据下载形式及机场信号强弱而定，一般U盘下载不超过3 min，无线下载不超过0.5 h，这会大大缩短飞机维护时间，提高机队管理水平。

快速获取驾驶舱音频记录器还具有断点续传的功能，当无法全部下载航段数据的时候，可在下一次数据下载时继续上一次中断的位置继续工作，避免因机场网络情况或其他因素导致数据的损坏及丢失。

2.4 显示控制功能

快速获取驾驶舱音频记录器装置一般有显示控制功能，实现对装置自身运行状态的指示、测试试验时的监听等。民用飞机机载设备装机前需要大量测试和试验用户可根据需要进行驾驶舱通道语音的监听、回放及设备的测试等。

2.5 机载设备健康状态管理功能

快速获取驾驶舱音频记录器系统包含健康管理功能，可进行上电自检测，装置的运营健康状态（包括自测试、数据下载和故障等状态）可通过前面板状态指示灯显示出来。当地面无法正常接收快速获取驾驶舱音频记录器音频数据时，可通过设备健康状态管理详查设备故障原因。

2.6 扩展功能

快速获取驾驶舱音频记录器机载设备扩展功能包含2方面：一方面，数据存储的容量可扩展，实际应用中，航空公司日常航班运行饱满，因此航班数据量会不断增加，设备存储容量应能根据需求扩展；另一方面，接口可扩展，根据客户需求，能实现与无线/快速转录记录器（Wireless/Quick Access Recorder，QAR）、图像/视频记录设备、卫星及5G ATG等多设备接口[6-7]的连接。

2.7 其他功能

航班过站或者航后落地休整过程中，飞机记载的数据可通过机场网络下传到地面管理系统，方便航安、飞管和飞行等部门的使用，避免了传统人员先上机拆卸设备再下载数据的不便。

地面管理系统中，公司可通过配置工具对快速获取驾驶舱音频记录器进行客户化配置，实现机队的日常化指挥、音频数据的共享、管理和分析，客户化的配置主要涉及飞机尾号、对应的服务器地址及快速获取驾驶舱音频记录器相应的通信和航空公司所需的配置。

地面管理系统接收机上快速获取驾驶舱音频记录器设备传输的数据后，能实现机上原音重现，切实还原机上场景，通过地面译码、检索、搜寻和降噪等普遍性操作，发现飞机运行过程中的状态及机组成员的操作；另外，还可通过对比QAR/WQAR数据和飞行记录系统的EVENT事件点，便于航空公司快速检索、定位，查询航班在各航段关键时间点的录音，监查机队日常运营状态。

3 快速获取驾驶舱语音记录器系统性能研究

快速获取驾驶舱音频记录系统与传统的黑匣子用处不同，快速获取驾驶舱音频记录系统所记录的数据用于航空公司日常事件的管理与查验，并不作为事故调查的手段，因此不考虑抗坠毁、防水和防火等特性，但仍应按照RTCA DO-160（机载设备的环境条件和测试程序）等同的军用标准进行测试以证明符合要求，其他性能如下。

3.1 电源要求

快速获取驾驶舱音频记录器的供电输入应符合机上通用电源要求，可以为115 V交流电源或28 V直流电源或两者兼容，任何一种供电方式均不会对快速获取驾驶舱音频记录器或机上其他设备造成损害。

3.2 记录要求

快速获取驾驶舱音频记录系统是飞机上记录系统的重要子系统之一，机上真实的运行数据提供了各类事件客观的技术依据，按照运行规章CCAR 121 R4中121.359（a），快速获取驾驶舱音频记录器机载设备上电启动，可记录从使用检查单开始，到飞行结束完成最后检查单止阶段内的音频数据[8]。另外，当电源有不超过200 ms的中断时，数据应能被存储在介质中，当电源中断为200 ms～2 s时，快速获取驾驶舱音频记录器恢复数据记录的时间应满足冷启动要求，当电源中断时间大于2 s时，初始供电之后，快速获取驾驶舱音频记录器应于25 s内在记录介质中记录信息，在60 s内完成自检[9]。

3.3 功耗要求

为节省机上资源，快速获取驾驶舱音频记录器在数据传输状态下的功耗应不超过30 W，在飞行阶段记录状态下的功耗不超过15 W。

3.4 其他性能要求

民机机载设备对环境的要求不可忽视，快速获取驾驶舱音频记录器的工作环境为-40～70℃，存储环境温度范围为-55～85℃；另外，根据SAE ARP4754[10]分析，其研制保证等级为E级。

4 结束语

随着航空电子技术的发展，快速获取驾驶舱音频记录系统的功能应用更加广泛，能够有效地提升飞行技术和飞行安全。本文主要研究了快速获取驾驶舱音频记录系统的组成架构，典型功能和性能要求。总而言之，通过对飞行记录系统音频数据的分析，找出飞行的最佳状态，可以客观地评价飞行机组的操作状态和飞行技术，进而不断提升公司日常管理水平及专业人员技术水平，从而提升民航安全。

随着航空业的发展，未来民机上快速获取驾驶舱音频记录系统的应用在不影响CVR功能的前提下，可配合QAR/WQAR进行飞行品质监控，为航空公司日常运行提供更加方便、快捷和客观的数据依据，对飞机持续飞行、民航安全的运行有着重大意义。