引言
随着当今世界信息化技术的飞速发展，机载航电设备也需要将飞机信息融入到航空公司的服务、运营与维护等业务流程当中，机载信息系统满足了飞机信息化发展的需求，为飞机实现信息化提供保障[1]。同时随着研制技术的不断提高，机载信息系统的功能也变得越来越完善，视频监视、飞行实时监控等应用的研究发展不仅为航空公司的运营实现了便利，同时还提高了飞行的安全性。各国民航管理当局都要求所有飞机需安装FDR（Flight Data Recorder），并依据各国规章要求进行定检和数据检测，以确保FDR正常工作，数据可满足规章的最低标准。
美国航空无线电通用公司（Aeronautical Radio Inc.）公司成立于1929年12月2日，由当时的四家航空公司共同投资组建，被当时的联邦无线电管理委员会FRC（后更名为联邦通信管理委员会）授权负责“独立于政府之外唯一协调管理和认证航空公司的无线电通信工作”。ARINC公司利用自身的技术标准和在机载设备领域的优势，制定了各种航空通信标准并在业内被广泛采用，现有民航客机的机载无线电系统均为ARINC公司。ARINC 717最早就是由ARINC制定，也是民用航空领域飞行数据记录方面的最新标准[2]。
目前国内民用航空业内通常采用ARINC717标准规定的数据帧格式存储飞行数据，基于此我们设计一种通用、高效、保密的飞行数据存储结构，适用于机载信息系统，对于飞行数据分析和飞行安全具有重大意义。
1 ARINC717规范
飞行数据记录装置经历了从模拟式FDR（Flight Data Recorder）到数字式DFDR（Digital Flight Data Recorder），以及快速存取记录器QAR（Quick Access Recorder）光盘记录到无线存取记录器WQAR（Wireless Quick Access Recorder）无线自动下传数据的历程，对应的飞行数据记录标准也经历了从ARINC 542到 ARINC 573 最终到ARINC 717的过程[3]。
ARINC 542规范采用比较简单的帧结构记录格式，把有限的几个飞行参数按曲线形式记录在纸条或金属箔上。ARINC 542规范主要用于早期的B737/747、A300等飞机的模拟设备，目前已经过时不用了。ARINC 573规范采用每帧四个副帧的帧结构的记录格式和Hamilton/Teledyne两种标准副帧同步字的固定编码，把模拟数据或转换后的数字信号记录在磁介质上。由于美国联邦航空局（FAA）新的飞行数据记录要求，ARINC 573无法再满足记录的数量和容量问题，因此，在ARINC 573的基础上发展出了ARINC 717。
ARINC 717规定的数据记录或传输也是以数据帧的方式进行，飞机每四秒钟记录数据为一帧，并且将1个（主）帧拆分成了4个子（副）帧，帧的标识与界定为每帧的首个数据字，并选择特定的伪随机巴克（Barker）码用作每帧的首个数据字，即帧同步字，以确保数据记录的正确性。
ARINC717规范增加了FDR的记录速率，从原先的64字每秒增加到了512字每秒，并且可以根据设计需要拓展到1024字每秒甚至更多。此外，ARINC717规范还采用了超级帧（super frame），使用一个字槽记录多个参数的方法扩大记录容量，对比原先一个或多个字槽记录一个参数的方法有了很大的提升。
2 飞行数据存储方法设计
2.1 数据帧结构设计
数据帧是进行飞行数据存储的基本单元，因此我们在满足ARINC717标准规范的前提下，定义一种具有通用性的字或位以及填写方式。每个数据帧由四个子帧构成，子帧每一秒产生64、128、256或更多个字，字的大小为12位，每四秒产生一个数据帧。
子帧中同步字主要功能用于在数据传输中对齐数据，判断数据是否正确，可以是一个字节或者多个字节；有效性字中的第一位代表子帧的有效性，第二位到第九位标记错误数据的位置，第十位到第十二位是错误代码，方便用户捕获错误原因，具体定义方法可根据用户实际需求自主设计；每个数据帧子帧1中的第三个字为帧计数字（Frame Counter），每产生一个新数据帧则该字加1，该字由十进制数0到4095循环计数，向用户反馈一定时间内的丢帧情况，子帧中其他的数则用来存储飞行参数，如图1所示。
图1数据帧结构设计图
另外，在每个子帧中，最右端为最低位有效字，最左端为最高位有效字，当出现一个参数占位大于12位时，根据本文设计的方法，将该参数与所占位低位对齐写入，高位部分用0进行补充，直至该参数补齐后占位为12的整数倍。在我们实际的工作中，由于数据帧每四秒产生一个，若我们的采样周期规定为12秒，则只需要将第4秒、第8秒、第16秒等时刻的子帧参数有效性位设置为无效，而第12秒、第24秒等时刻的子帧参数有效性位则设置为有效，记录参数值。
2.2 飞行数据存储结构
除了对数据帧的结构作出了设计外，我们还定义了数据的存储方法，通过本文设计的方法对飞行记录文件进行处理，记录文件分为密钥部分和数据部分，如图2所示。
密钥部分随机生成对称加密密钥将数据进行加密处理，将加密后的密钥写入飞行记录文件的最前端，对称加密技术具有加密解密效率高的特点，且只有航空公司才可以使用解密文件看到密钥内容，保障了电子信息的安全性。对称加密采用AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）算法，由美国国家标准与技术研究院于2000年提出，并已广泛应用于各个行业之中[4]。AES使用128、192、256位密钥，并用128位分组对数据进行处理，AES算法使用同一个密钥加密解密数据，易于实现且效率较高。
数据部分按照设计结构分为块头、数据和块尾三部分，数据块头包括CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）校验和以及数据长度信息，CRC校验和占4个字节，方便用户验证数据是否完整，对所属数据块的数据进行校验；数据长度信息占4个字节，对所属数据块的数据长度进行记录，方便用户了解块头后数据的大小信息。数据部分由加密后的数据帧组成，使用对称加密技术对数据进行加密和解密，解密时使用的密钥与加密时相同，具有效率高速度快的特点。数据块尾可以防止数据传输发生错误时影响用户对前后数据的解析，作为数据块与数据块之间的间隔存在。
图2飞行数据存储结构示意图
3 结语
本文通过对数据帧结构的定义以及对数据存储方法的分析设计，采用符合ARINC717规范要求的数据帧，并定义了特殊的字或位的填写方式，提出了一种基于此规范的飞行数据存储方法，该方法便于解析且易于实现，具有通用、高效、安全的特点。经过实验验证，模拟飞行数据并进行存储记录，将生成的数据文件解密并进行比对，发现记录参数准确，符合要求。该飞行数据存储方法稳定简洁，具有一定的实际应用价值。
参考文献：
[1]张军才,茹伟,胡宇凡.机载信息系统演进路线分析[J].航空计算技术,2019,49(03):122-124+129.
[2]张迪,周家正,魏则一,王迪,林茂.飞行数据记录系统模拟平台的设计与实现[J].科学技术创新,2018(16):80-81.
[1]卢永强, 李宁, 赵晶晶. 民机飞行数据记录系统——ARINC717规范发展历程[C].2013年度标准化学术研究论文集. 2013.
[4]杨静.一种AES算法加密传输系统的设计与实现[J].电子设计工程,2019,27(03).
