CAA-99-FS01


                          飛航軌跡重建與飛航動畫之模擬技術探討


                                官文霖、蘇水灶、 林沛達
                                 航空器飛航安全委員會
                             台北市 105 復興北路 99 號 16F


                 摘要
   任何失事後尋獲的飛航記錄器,會馬上送往實驗室                         所謂「黑盒子」其實應該稱為飛航記錄器(Flight
解讀。座艙語音記錄記錄器外殼拆除後,將磁帶或固態                              。飛航記錄器包括:(1)座艙語音記錄器
                                              Recorder)                  (Cockpit
記憶體取出。處理後會獲得四通道的語音訊號。實驗室                      Voice Recorder – 簡稱 CVR)是把駕駛艙裡的聲音記錄下
會以專業的設備與軟體處理聲音,常見的技術包括:時                      來,包括與地面航管單位無線電通信與機艙內駕駛員的
間同步處理、濾除雜音、頻譜分析、混音與等化等。飛                      通話,甚至連艙內調整旋紐、艙外引擎的聲音都能錄下,
航資料記錄器也分磁帶式及固態記憶體兩類,由於飛機                      錄音長度為 30 分鐘。(2)飛 航 資 料 記 錄 器(Flight Data
上的原始數據是經過類比-數位轉換,以不同取樣速率將                     Recorder – 簡稱 FDR)則是記錄各項飛航數據,例如高
資料轉成 ARINC-542/542A/573/717/747 格式寫入磁帶或       度、空速、垂直地表方向加速度、時間、航向等參數,
固態記憶。解讀飛航資料記錄器原始資料(Raw Data)                  最少可記錄五種參數,最多可記錄數百種以上之參數。
須比對製造廠商提供的資料庫,將原始數據轉換及校正                      資料記錄長度為 25 小時。為了方便水底搜尋及打撈,黑
成各種飛航資料。因此,製作動畫時飛航資料記錄器提                      盒 子 都 附 有 水 下 定 位 發 報 器 ( Underwater Location
供之資料應包含:時間、飛航軌跡(經度、緯度、高度)
                        、                     Beacon – 簡稱 ULB),飛航記錄器落水以後,水下定位
飛航姿態(航向角、俯仰角、滾轉角)、駕駛桿與操作舵                     發報器會自動發出 37.5KHz 低頻的訊號,透過水下超音
面位置等。飛安委員會的飛航記錄器實驗室歷經一年的                      波接收儀器偵測 ULB 訊號源,再以全球衛星定位系統測
努力,已擁有解讀、分析飛航記錄器能力。製作動畫與                      定記錄器的位置,再進行打撈作業。
展示動畫有兩套平台:RAPS 與 DTFAS。本文將探討飛
航軌跡重建技術與飛航動畫之模擬技術。                            二、飛航記錄器解讀與分析技術
                                              2.1 飛航記錄器實驗室簡介
一、前言                                              自從去年飛安委員會成立後,即積極派員參訪澳洲
   每次空難發生後,關心的人總是問道「黑盒子找到                     (BASi)、美國(NTSB)、加拿大(TSB)等國之記錄器
沒?」
  ,橘紅色外表的它經歷火燒、撞擊與泡水後,它到                      實驗室,並派兩名工程師接受專業的飛航記錄器訓練。
底能告訴我們什麼呢?它非常堅固,能夠防火又防震,美                     吸取這些國家的技術後,飛安委員會著手建置我國的飛
國聯邦航空總署的規格要求飛航記錄器必須在 6.5 微秒                   航記錄器實驗室(簡稱 CVR/FDR LAB)。目前能解讀國
內能承受三千倍地球重力(3,400 G)之撞擊,能夠承受                  內 96.6%的飛航記錄器,因為國內飛機所裝的記錄器有少
攝氏一千度一百度的高溫燃燒 60 分鐘,而且內部所記錄                   量屬於非普及型式,必須等到解讀設備採購之架設完成
的資料不致損壞,詳細規範參閱請美國聯邦航空總署發                      後,才能完全解讀。
布的 TSO-C123&124 文件。CVR 與 FDR 多半裝設在飛機
尾部,因為依據分析顯示飛機失事墜毀時,尾部所受撞                          飛安委員會建置飛航記錄器實驗室的目有三:(1)落
擊通常較其他位置要小。為確保失事發生後黑盒子資料                      實本土化飛航記錄器判讀技術,將可大量縮短解讀與分
的儲存與解讀,未來飛機必須裝置兩套黑盒子,各自裝                      析時間。(2)發展時間同步與波型處理技術,重建逼真的
在機首與機尾,並且有 10 分鐘的獨立電源。                        飛航軌跡。(3)結合台灣衛星地圖與真實飛機 3D 模組,製
                                          1
作失事調查用途的飛航動畫。因此,飛安委員會的飛航                      濾波器,濾除不想要的聲音。頻譜分析儀除了可看到每
記錄器實驗室具有解讀與分析各式飛航記錄器以及動畫                      一瞬間頻譜的分布協助聲音處理外,也提供磁帶機運轉
製作的能量,圖一是飛航資料記錄器從解讀、分析到動                      速度的同步控制訊號。以上是座艙語音記錄器解讀之基
畫製作之流程示意圖。1986 年加拿大運輸安全委員會研                   本流程。
發的 FDR 解讀系稱為 RAPS(Recovery、Analysis and           固態記憶體式座艙語音記錄器解讀方式與磁帶式最
                   ,它是全世界的失事調查機關通用的
Presentation System)                          大不同在於,固態記憶體式之記憶裝置因其電路控制方
FDR 解讀、分析與動畫製作系統 工作平台是 HP UNIX。
                ,                             式不同,不同的廠家製造的記憶裝置必須裝上原廠家製
另外,數位地圖與飛航動畫播放系統(簡稱 DTFAS)則                   造,而且可用的座艙語音記錄器,並使用也是原廠商的
是開發台灣衛星地圖、儀表模組、3D 機場模組與 3D 飛                  解讀裝備才能加以解讀,解讀出來的訊號再加入混音器
機模組的系統,它也可以製作逼真的飛航動畫(將 FDR                    進行更進一步聲音的處理。為方便各相關調查單位使
或雷達軌跡資料透過網路輸入)。工作平台是 Win-NT。                  用,聲音亦可複製在一般卡帶。 圖二 是座艙語音記錄器
另外,飛航性能分析系統(簡稱 APAS)則是用來分析飛                   解讀流程示意圖 。 對於無裝置飛行資料記錄器之直昇
機的飛航性能。常用的功能包括:估算飛航軌跡(對三                      機,使用音頻處理軟體即可印出每一時間對特徵頻率之
軸加速儀與陀螺儀資料積分)
            、起降性能分析、駕駛桿對                      分布情形,因此聲譜分析技術可以鑑別出引擎及主要轉
操控舵面分析與函數化校正、校正空速、高度與飛行攻                      軸運轉的情形。進一步分析則可獲知某一飛行狀態下之
角等資料。                                         特徵頻率變化,進而了解失事之可能情況。


2.2 目前的解讀與分析能量評估                              FDR 解讀流程
   目前國籍航空公司所擁有的”B” 字頭(註冊中華民國                      對於 FDR 的解讀過程從原始資料到有用的工程資
國籍)及”N”字頭(註冊美國國籍)的民用航空器(固定                    料處理十分繁雜,先決條件是需正確的掌握 FDR 與
翼與旋異機)共有 178 架,其中 172 架有裝置飛航記錄                FDAU 的規格。一般而言,飛航資料記錄器的解讀過程
器,飛安委員會均可以解讀。剩餘的六架直昇機因裝置                      中以處理磁帶式的 FDR 較固態記憶體式的 FDR 複雜 因
                                                                          。
Universal CVR30A 的 CVR,飛安委員會預計 89 年度添         為解讀磁帶式 FDR 必須遵照 FDR 製造商之規定,將多重
置解讀裝備。所以,直至 88 年六月飛航記錄器實驗室能                   飛航資料寫入磁帶的特殊格式內,才能讀出磁帶的訊
解讀國內 96.6%的飛航記錄器。                             號,再比對每個訊號中的資料框(data frames)同步訊號,
                                              再擷取出有意義的飛航原始資料( raw data)
                                                                      。換言之,磁
2.3 飛航記錄器解讀、分析與動畫製作流程                         帶式 FDR 需經由特殊規格的八軌磁帶機依磁帶轉速、磁
   飛航記錄器解讀、分析與動畫製作流程,請參閱文                     頭間距與 function generator 等參數正確地讀出磁帶訊
獻[1]。以下簡述 CVR 與 FDR 解讀流程。                     號。再依照製造商的型號與規格,比對 FDR 資料庫將原
CVR 解讀流程                                      始資料轉換,才能計算出各通道的飛航資料。固態記憶
   磁帶式 CVR 解讀,首先將磁帶從座艙語音記錄器                   體式 FDR 經由 LRU(Line Replaceable Unit)介面讀出記憶
內取出放到磁帶機上,磁帶機將磁帶上微小電磁訊號放                      體內的原始資料,並比對 FDR 資料庫將原始數據轉換並
大轉換成一般聲音處理器可接受之訊號。基本上語音記                      且計算出各通道的飛航資料。所以,目前固態記憶體式
錄器在實驗室內,最主要的工作即是執行聲音處理。就                      飛航記錄器,SSCVR(Solid State Cockpit Voice Recorder
如同錄音室一般,需要混音器整合所有的音源、圖形等                      與 SSFDR(Solid State Flight Data Recorder)均有個人電腦
化器做適當之等化處理、鑑聽用的放大器及揚聲器。混                      級與可攜帶型之飛航資料下載儀器。許多航空器失事撞
音器與圖形等化器之不同是對雜音的處理方式,在座艙                      地之 G 力甚大,有時會造成記錄器之部分資料產生錯誤
內可能有失壓時的雜音、引擎雜音、或是磁帶老舊或黑                      或毀損,因此應用數位化的波形(wave form)處理技術
盒子運轉時所產生的雜音等。為了聽到清楚的聲音,除                      來修正錯亂之訊號成為十分重要的技術。當所有的飛航
了傳統的等化器外,實驗室使用頻譜分析儀及窄頻雜音                      資料全部解讀成功後,隨後的資料分析程序才是失事調
                                          2
查工作之開始。上述飛航資料之處理分析工作包括:飛                                                                 αtrue = αprobe /1.65-0.55 (for αprobe ≤ 15.760)
航資料圖表化處理、航管雷達軌跡圖與 CVR/FDR 之時間
同步化比對與處理、慣性導航系統(Inertial Navigation                                                      上述攻角校正是針對 AIRBUS 300 型客機,
System、INS)之姿態與加速度積分處理、失事飛行軌跡                                                    各廠家製造的飛機依機型與攻角指示器的規格會
重建、飛航資料與飛行動態系統之濾波狀態值估算、航                                                         有類似的線性修正公式。
空器模組與三維地表資料/助航設施之整合、失事動畫製
作等。詳細處理流程參見圖 3。                                                               2. 高度計( HBR、Hcoarse、Hfine )校正 【 Hcoarse、Hfine
                                                                                 皮式管量到的高度】
    本會之 FDR 解讀設備將採用由加拿大 TSB 發展的                                                          HBR= Inter ( Hcoarse -Hfine )
                                                                                                  【                   /5000+0.5 】 5000
                                                                                                                                 x
飛 航 資 料 重 建 / 分 析 / 動 畫 系 統 ( Recovery, Analysis,                                        + Hfine
Presentation System、RAPS)
                        。RAPS 包含所有磁帶式 FDR
的解讀資料庫,透過其工作站中電腦控制的一片 A/D 卡                                                              上述修正公式是針對 Fairchild F1000 型固態
即可應用波形技術來轉換 FDR 內的原始資料。對於                                                        飛航記錄器之電子式高度計,各廠家製造的高度
SSFDR 係以個人電腦將原始資料下載並轉換成有用的飛                                                      計會因氣壓式與電子式之規格而有類似的線性修
航資料後,再以 RAPS 製作成圖表化的飛航資料與失事                                                      正公式。
動畫。新版的 RAPS 可以加入 UTC 時間、Radio PTT
Keying、駕駛輪的位置、起落架的位置、Slat & Flap 的角                                           3. 俯仰角計算與校正 【 X 是記錄器的原始數據,
度、引擎的 EPR 指數,其他的高度、速度、航向與舊版                                               pichtmp 是俯仰角對應值】
一樣。就本會參訪美國、加拿大及澳洲的心得,RAPS 是
                                                                                     [                                                   ]
                                                                          pichtmp = tan −1 ( Xand3FF ) /(1023.0001− ( Xand3FF )) × (180 / π )
目前已知的國際失事調查機關中功能最強的飛航資料記                                                             + [Int( X / 1024) * 90 − Int ( X / 2048) * 360]
錄器解讀分析與動畫製作系統。                                                            if   pichtmp ≤ 2048 then            pitch = pitchtmp× 179.99 / 2048
                                                                          othrewise pitch = − pitchtmp ×179. 99 / 2048

三、飛航軌跡重建與飛航動畫之模擬技術
                                                                                {pitchtmp : 2049 ~ 4095}
3.1 飛航軌跡重建技術探討
   飛航資料記錄器的原始資料並無法直接交給飛航動                                                     4. 以經緯度及高度量測值估算參考飛行姿態
畫處理,所有的飛航資料需要透過原廠提供的資料庫轉                                                                利用常見的加速儀和陀螺儀的量測方程
                                                                                  式,經過數值積分方法可求得載具於當地水平座
換,才能獲得工程資料。這些參數資料庫的規範文件包                                                          標下的速度、姿態角。定義在水平座標下的位置
括:飛航資料擷取元件( DFDAU)手冊與界面控制文件                                                       分量(λ, φ ,H),依序為緯度(latitude)、經度
                                                                                  (longitude)及水面以上高度;速度分量(VN, VE,
(ICD)等。對於飛航資料的解讀與校正處理,常見的參
                                                                                  VH,),依序為朝北速度、朝東速度及朝上速度。
數為高度計、攻角、校正空速、三軸姿態角。此外,飛                                                          因此由大地橢球的觀念,表示緯度、經度的時間
航軌跡重建的工作是應用空速、加速度與姿態角估算出                                                          變化率如下[文獻(2)]:
                                                                                   &       VN                   &             VE
飛航軌跡;或是以雷達軌跡資料,加上適切的假設條件                                                           λ=            ,              φ=                           ,
                                                                                         (M + H)                        ( N + H ) cosφ
估算出可能的飛航軌跡。以下說明幾種常用的飛航資料
                                                                                       &
                                                                                  VH = H = −V D
的解讀校正處理方法,與飛航軌跡重建法。                                                                                      a
                                                                              其中         N=                                                  、
   1. 攻角(α )校正 【α probe 攻角指示器量到的角度】                                                            (1 − e 2 sin 2 φ )1/ 2
       飛機處於降落模式外型:                                                                                   a(1 − e 2 )
                                                                                         M =
          αtrue = αprobe /1.95+0.5 (for αprobe ≤ 16.580)                                    (1 − e 2 sin 2 φ ) 3 / 2
                                                                                          a 為地球半長軸(semi-major axis)
          αtrue = αprobe/1.95+0.5 (for αprobe ≤ 16.580)
                                                                                          e 為地球偏心率(eccentricity)
       飛機處於一般飛行模式外型:                                                                      設 地 球 自 轉 角 速                                      率
                                                                                                              −5
          αtrue = α   probe
                              /1.95+0.92 (for α   probe
                                                          ≤ 15.76 )
                                                                 0
                                                                                  ω e = 7 .292115 × 10             ( rad / s ) :
                                                                      3
的播放設定更有彈性。
             上述的速度分量(VN, VE, VH,)的計算,是由
        慣性導航儀(IMU)或衛星定位儀(GPS)測得                                                      c.   PANELS - 它是用來擺放物件、視窗與文字
        的經緯度及高度變化率求得。實際應用上若以直                                                             框於動畫中。
        昇機進行航路飛行模擬,只能藉由 GPS 的位置資
                                                                                     d.   視 窗 - 視窗功能允許三度空間的視野設定於
        料來估算航向角( heading、ψ)與飛行軌跡角度
        (flight path angle、γ)。                                                            場景(Scene )中。每個視窗可以擁有多重照
                                                                                          相機的觀看位置設定。視窗解析度可設為
                                                                
                  −1  V E
                  、 γ = tan − 1
                      
                                   VH                            
    ψ = tan                                                    = θ −α                 640X480、800X600、1024X768、1280X1024。
             VN                V +V 2
                                   2                             
                                 N   E                                             e.   照 相 機 - 它可以與場景中的物件呈固定位置
                                                                                          與特定觀看路徑來觀看或追蹤視窗中的物件
  5. 以空速及姿態角量測值估算參考飛行軌跡【 λ,                                                               (例如:航空器、拋出物等)。
  ψ,H】                                                                               f.   場 景 ( SCENE) - 包括了場景物件、光源、
        對於只有記錄 5 到 11 種參數的舊式的磁帶飛航                                                         特效、格線與文字等。
        記錄器,因為沒有飛行軌跡( λ,ψ)與各軸加                                                       g.   飛航資料處理 - 因為 FDR 記錄的參數多為 1
        速度分量。因此,重建飛行軌跡只能由校正空速                                                             Hz 或 2Hz,但飛航動畫輸出率為 25~30 幅/
        (VCAS)、俯仰角(θ)與航向角(ψ)來積分求                                                          秒.,所以本功能是將參數作平滑化與外插的
        得參考飛行軌跡,對於相對風的影響只能採用地                                                             方法。目前常見的方法包括:線性外差、三次
        面航管播報的資料。                                                                         方外差、平滑化與 B 式曲線等五種方法。
        VN = VTAS cos (θ − α) cos ( + β) + VW cos ψw = VG cos ( + δ )
                                  ψ                           ψ                      h.   飛航資料( Flight Data) - 製作動畫時所需
        VE = VTAS cos ( − α)sin ( + β) + VW sin ψw = VG sin ( + δ )
                      θ         ψ                           ψ
        VH = VTAS sin ( − α)
                      θ
                                                                                          提供飛航資料包含:時間、飛航軌跡(經度、
        VTAS = (VCAS + ∆VC ) / σ                                                          緯度、高度)、飛航姿態(航向角、俯仰角、

                     VN                                 VE                                滾轉角)、駕駛桿與操作舵面位置等。
             ∆                              ∆
        λ = ∫0 t            dτ + λ ;   φ = ∫0 t                   dτ + φ ;
                   (M + H )       0               ( N + H ) cos Φ       0
                 ∆
            H = ∫0 t V H dτ + H 0
                                                                                     目前飛安委員會除了前面介紹的 RAPS 以外,三度
                                                                                 空 間 模 組 資 料 開 發 工 具 共 有 以 下 資 源 : 1. VEGA
3.2 飛航動畫模擬技術探討                                                                   (MultiGen-Paradigm, Inc.)-開發數位衛星地形圖、機場
   任何的飛航動畫至少具有五項元件:三度空間模組                                                        跑道與航站大廈等、空中雲霧效果與動畫播放系統;2.
資 料【飛機模組、地形資料模組、機場跑道與航站大廈                                                        VAPS( Virtual Prototypes Inc.) - 開發各式飛機儀表。
等視野、空中雲霧效果、儀表、噴射引擎、旋槳與爆炸                                                         3.ViewPoint(Viewpoint Digital, Inc.)-開發飛機模組。4.
聲響等】、特定文字與聲音【座艙語音記錄器之聲音與對                                                        Mapinfo 與內政部 1/5000 向量地圖(MapInfo corp.)- 開
話文字、播放系統提示文字】
            、攝影機位置、光 源 位 置 與                                                     發機場模組。
效 果以及動 畫 播 放 之 多 視 窗 設 定等。詳細說明請參閱文
獻[3]。                                                                            四、實例說明
                                                                                 (A) 飛機模組開發
   飛航動畫的模擬技術中,提供互動式編輯與製作功                                                            對於國籍民航機,飛安委員會採用 ViewPoint 的飛
能是必備的條件。為了將動畫的五大元件組成逼真的飛                                                         機模組資料,並且將各航空公司的機型貼上代表性的徽
航動畫,動畫編輯功能需具備以下八項:                                                               章於垂直尾舵上。目前,已擁有國內航空公司的所有機
   a.      視野( VIEW) - 每個視窗具有獨立的視野起                                              種資料。如圖四所示為波音 B747 飛機、起落架與 ASC
           始與終了設定、PANEL 設定、多重文字標題                                                徽章貼圖。飛機的起落架、引擎煙霧效果、操控舵面均
           設定與完整的視野變化描述檔。                                                        可以用播放程式控制。
   b.      描述檔(SCRIPTS) -多重描述檔功能使動畫
                                                                             4
(B) 機場模組開發                                (F) VEGA 飛航動畫播放系統開發
   目前飛安委員會是採用美國大地衛星                           VEGA 是一套製作互動式飛航動畫的好工具,近兩
(LandSat )影像,因為衛星影像解析度只有一到                年才從 SGI 工作站移植到 PC NT 工作站 常見的應用領
                                                                  。
兩百公尺,而且為了讓飛航動畫播放時不會花太                     域分為視覺與感測模擬器、模擬訓練系統開發、都市計
多時間處理衛星影像,所以在原始衛星影像中機                     劃模擬以及三度空間電動玩具物件開發等。對於飛航儀
場的清晰度不足,機場模組是參照台北飛航情報                     表與飛航軌跡的資料是以一特殊網路協定傳送,使資料
指南(AIP)資料,並且在 1/5000 向量地圖上校               能同步作出動畫效果與儀表顯示 VAPS) 圖九是 VEGA
                                                        (    。
正座標系統,逐一開發機場中的跑道、航站大廈、                    與 VAPS 結合後展示一飛機於重飛(Go-Around)階段
塔台等物件的位置、長度、方向等資料。並且將                     的動畫,場景是模擬中正機場附近。
機場模組貼圖到衛星影像中。圖五是松山機場與
台北市向量地圖在 Mapinfo 中開發示意圖。
                                          五、結論
(C) 衛星影像模組開發                                  飛安委員會的飛航記錄器實驗室歷經一年的努力,
   目前飛安委員會並無處理原始衛星影像的能力與                  已擁有解讀、分析飛航記錄器能力。製作動畫與展示動
設備,透過與國內廠商合作開發衛星影像模組,並將機                  畫有兩套平台:RAPS 與 DTFAS。本文對於飛航軌跡重
場模組注入其中。由於購自中央大學的大地衛星影像並                  建技術之探討,只是略提一些技巧。對於更艱深的卡式
不是一張完整的台灣衛星地圖,需要經過多張影像的位                  濾波估算法與絕對空間( WGS-84 座標系統)的重建也後
置、色差處理,處理過程繁雜且難度高,在此不多贅述。                 陸續提出。文中述及飛航動畫之模擬技術,僅限於飛安
目前衛星影像的涵蓋區從東經 119 度到 122.6 度,從北           委員會的現有需求與應用層次的技術,並非代表所有的
緯 21.4 度到 25.8 度;總多邊形數量約 80000 個以上。       飛航動畫的模擬技術。未來將朝向開發更高解析度的地
                                          形模組(法國 SPOT 衛星影像及精密 DTM 資料)與圖形
(D) 以經緯度及高度量測值估算參考飛行姿態                    化互動式飛航動畫播放系統,請各位關心台灣飛安的朋
   利用 GPS 或差分衛星定位技術( DGPS)的經緯度            友拭目以待!
與高度來估算航空器的導航速度、航向角與飛行路徑角
是很重要的應用。因為當航空器失事後,可能需要以同
型航空器來模擬飛行的航路。圖六描繪一直昇機於爬昇                  六、參考文獻
又轉向降低高度飛行的高度、航速、航向與飛行路徑角                  1. 戎 凱、官文霖、蘇水灶,”黑盒子解讀能量之建立
度的變化關係圖。圖七是直昇機爬昇又轉向降低高度飛                     與 飛 安 之 關 係 , ” 民 航 季 刊 第 一 卷 第 一 期 , PP.
行的 3D 軌跡圖。                                   99-115,三月,八十八年。
                                          2. J.A. Farrell & M. Barth, “The Global Positioning
(E) RAPS 飛航動畫播放系統開發                          System & Inertial Navigation,” PP. 190- 200, Chapter
   加拿大運輸委員會(TSB)自 1986 年發展 RAPS              six, ISBN-007-022045-X.
以來,目前有 RAPS 11 個政府機關使用者。RAPS 必須           3. Recovery, Analysis and Presentation System, RAPS
安裝在 HP 9000 系列的工作站,使用相當快速的繪圖加                User’s Reference. Release 4.1, June, 1999.
速卡與解讀磁帶式訊號的磁帶機,整合成一完整的 FDR
解讀分析與動畫製作系統。對於動畫中的地形資料、飛
機模組資料與機場模組資料與 VEGA 相容。圖八顯示
RAPS 製作之 B757 飛機降落於跑道過程之動畫圖。




                                      5
CVR


  FDR
                                          HP9000 W/S
                                          (RAPS V4+ DT2839)

 Radar Track


 其他資料




                                                                                     圖四 波音 B747 飛機、起落架與 ASC 徽章貼圖
                      APAS          DTFAS
                                    數位地圖與飛航                  Printer & Plotter
                      飛航性能                                   印表機與繪圖
                      分析系統          動畫播放系統
                                                             機輸出裝備


圖一 飛航資料記錄器從解讀、分析與動畫製作
      之程圖




   磁帶式記錄器
                                   多軌磁帶機                      四軌磁帶
     取出                             訊號輸出                      複 製/播 放
   磁帶式記憶體

                                   混音處理器
                                                              波形分析
                                    初級濾波
  與可用件組合


   取出晶片式                            類比式                    類 比/數位轉換                  圖五 松山機場與台北市向量地圖於 Mapinfo 中 開
    記憶體                             等化處理                   [與 FDR同 步 化 處 理 ]
                                                                 同
                                                           [與 FDR 步 化 處 理 ]
                                                                                                                                    發示意圖
  固態式記錄器
                                   數位式濾波                      頻譜分析
                                    後級過濾                     [Sound Forge]
                                                             [Sound Forge]




                                                                雙軌
                                                                 軌
                           擴音器                 放大器             磁帶複製
                                                               磁帶複製
                                                                                     1500                                                                                                                                                                                                                               90.0

                                                                                     1400
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        80.0
圖二 座艙語音記錄器解讀流程                                                                       1300
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        70.0
                                                                                     1200

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        60.0
                                                                                     1100

                                                                                     1000                                                                                                                                                                                       DGPS_H                                  50.0
                                                                                                                                                                                                                                                                                heading
                                                                                                                                                                                                                                                                                V[nav. Speed]
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Navigation speed [m/s]; flight path angle [degree]


                                                                                                   900                                                                                                                                                                          flight path angle
                                                                                     ALT_dgps [m]; heading [degree]




                                                                                                                                                                                                                                                                                smooth nav. speed                       40.0
                                                                                                   800                                                                                                                                                                          smooth flight path angle

             磁帶式記錄器                        磁帶轉速                                                    700
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        30.0

                                           定速器
               取出                                                                                  600                                                                                                                                                                                                                  20.0

             磁帶式記憶體                                                                                500                                                                                                                                                                                                                  10.0
                                         多軌式磁帶機                 示波器                                400
                                          參數讀出                                                                                                                                                                                                                                                                          0.0
             與可用件組合                                                                                300

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        -10.0
                                                                                                   200
                                           參數比對               波形數位化
              取出晶片式                        與篩選                                                     100                                                                                                                                                                                                                  -20.0
                                                               &儲 存
                                                                                                                      00:32:24


                                                                                                                                 00:33:07


                                                                                                                                            00:33:50


                                                                                                                                                       00:34:34


                                                                                                                                                                  00:35:17


                                                                                                                                                                             00:36:00


                                                                                                                                                                                        00:36:43


                                                                                                                                                                                                   00:37:26


                                                                                                                                                                                                              00:38:10


                                                                                                                                                                                                                         00:38:53


                                                                                                                                                                                                                                    00:39:36


                                                                                                                                                                                                                                               00:40:19


                                                                                                                                                                                                                                                          00:41:02


                                                                                                                                                                                                                                                                     00:41:46


                                                                                                                                                                                                                                                                                       00:42:29


                                                                                                                                                                                                                                                                                                  00:43:12


                                                                                                                                                                                                                                                                                                             00:43:55




               記憶體
            固態式記錄器                       原始參數轉換                訊號放大
                                                                                                                                                                                                   GPS Time [hh:mm:ss]


                                          為工程資料               &錯誤修正


CVR 數 位 化 語 音
CVR 數                                    飛航資料分析
 [時 間 同 步 化 ]
 [時         ]                            [RAPS vs. APAS]
                                         [RAPS vs. APAS]                             圖 六 一直昇機於爬昇又轉向降低高度飛行的 高 度 、
  À跑道 與 機 場 屬 性
   跑
  à 道與機場屬性                 動畫                表列
                                              表列                 圖形
                                                                 圖形
                                                                                                                                    航速、航向與飛行路徑角度的變化關係圖
   航機儀表板設計
   航機儀表板設計
  à三維 機 場 與 數 位 地 形
   三
  À 維機場與數位地形          [RAPS vs. DTFAS]
                      [RAPS vs. DTFAS]   [RAPSvs. APAS]
                                         [RAPSvs. APAS]     [RAPS vs. APAS]
                                                            [RAPS vs. APAS]



圖三 飛航資料記錄器解讀流程


                                                                                 6
1400

                  1300

                  1200

                  1100
  Alt_dgps [m]




                  1000

                    900
                    800

                    700
                    600
                     500
                     400                                                                 122.00
                                                                                     121.98
                 24.85                                                          121.96
                      24.90                                                121.94              ]
                                                                        121.92              de
                         N o 24.95                                                      itu
                            rth      25.00                          121.90           ng
                                [la                                               lo
                                    titu                         121.88
                                                                             s t[
                                         d e 25.05                        Ea
                                            ]                121.86
                                                     25.10



圖七 直昇機爬昇又轉向降低高度飛行的 3D 軌跡圖                                                                              圖 九 VEGA 與 VAPS 結 合 後 展 示 一 飛 機 於 重 飛
                                                                                                           ( Go-Around)階段的動畫 , 場景是模擬中正機
                                                                                                           場附近




圖八 RAPS 製作之 B757 飛機降落於跑道過程之動畫




                                                                                                   7

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    CAA-99-FS01 飛航軌跡重建與飛航動畫之模擬技術探討 官文霖、蘇水灶、 林沛達 航空器飛航安全委員會 台北市 105 復興北路 99 號 16F 摘要 任何失事後尋獲的飛航記錄器,會馬上送往實驗室 所謂「黑盒子」其實應該稱為飛航記錄器(Flight 解讀。座艙語音記錄記錄器外殼拆除後,將磁帶或固態 。飛航記錄器包括:(1)座艙語音記錄器 Recorder) (Cockpit 記憶體取出。處理後會獲得四通道的語音訊號。實驗室 Voice Recorder – 簡稱 CVR)是把駕駛艙裡的聲音記錄下 會以專業的設備與軟體處理聲音,常見的技術包括:時 來,包括與地面航管單位無線電通信與機艙內駕駛員的 間同步處理、濾除雜音、頻譜分析、混音與等化等。飛 通話,甚至連艙內調整旋紐、艙外引擎的聲音都能錄下, 航資料記錄器也分磁帶式及固態記憶體兩類,由於飛機 錄音長度為 30 分鐘。(2)飛 航 資 料 記 錄 器(Flight Data 上的原始數據是經過類比-數位轉換,以不同取樣速率將 Recorder – 簡稱 FDR)則是記錄各項飛航數據,例如高 資料轉成 ARINC-542/542A/573/717/747 格式寫入磁帶或 度、空速、垂直地表方向加速度、時間、航向等參數, 固態記憶。解讀飛航資料記錄器原始資料(Raw Data) 最少可記錄五種參數,最多可記錄數百種以上之參數。 須比對製造廠商提供的資料庫,將原始數據轉換及校正 資料記錄長度為 25 小時。為了方便水底搜尋及打撈,黑 成各種飛航資料。因此,製作動畫時飛航資料記錄器提 盒 子 都 附 有 水 下 定 位 發 報 器 ( Underwater Location 供之資料應包含:時間、飛航軌跡(經度、緯度、高度) 、 Beacon – 簡稱 ULB),飛航記錄器落水以後,水下定位 飛航姿態(航向角、俯仰角、滾轉角)、駕駛桿與操作舵 發報器會自動發出 37.5KHz 低頻的訊號,透過水下超音 面位置等。飛安委員會的飛航記錄器實驗室歷經一年的 波接收儀器偵測 ULB 訊號源,再以全球衛星定位系統測 努力,已擁有解讀、分析飛航記錄器能力。製作動畫與 定記錄器的位置,再進行打撈作業。 展示動畫有兩套平台:RAPS 與 DTFAS。本文將探討飛 航軌跡重建技術與飛航動畫之模擬技術。 二、飛航記錄器解讀與分析技術 2.1 飛航記錄器實驗室簡介 一、前言 自從去年飛安委員會成立後,即積極派員參訪澳洲 每次空難發生後,關心的人總是問道「黑盒子找到 (BASi)、美國(NTSB)、加拿大(TSB)等國之記錄器 沒?」 ,橘紅色外表的它經歷火燒、撞擊與泡水後,它到 實驗室,並派兩名工程師接受專業的飛航記錄器訓練。 底能告訴我們什麼呢?它非常堅固,能夠防火又防震,美 吸取這些國家的技術後,飛安委員會著手建置我國的飛 國聯邦航空總署的規格要求飛航記錄器必須在 6.5 微秒 航記錄器實驗室(簡稱 CVR/FDR LAB)。目前能解讀國 內能承受三千倍地球重力(3,400 G)之撞擊,能夠承受 內 96.6%的飛航記錄器,因為國內飛機所裝的記錄器有少 攝氏一千度一百度的高溫燃燒 60 分鐘,而且內部所記錄 量屬於非普及型式,必須等到解讀設備採購之架設完成 的資料不致損壞,詳細規範參閱請美國聯邦航空總署發 後,才能完全解讀。 布的 TSO-C123&124 文件。CVR 與 FDR 多半裝設在飛機 尾部,因為依據分析顯示飛機失事墜毀時,尾部所受撞 飛安委員會建置飛航記錄器實驗室的目有三:(1)落 擊通常較其他位置要小。為確保失事發生後黑盒子資料 實本土化飛航記錄器判讀技術,將可大量縮短解讀與分 的儲存與解讀,未來飛機必須裝置兩套黑盒子,各自裝 析時間。(2)發展時間同步與波型處理技術,重建逼真的 在機首與機尾,並且有 10 分鐘的獨立電源。 飛航軌跡。(3)結合台灣衛星地圖與真實飛機 3D 模組,製 1
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    作失事調查用途的飛航動畫。因此,飛安委員會的飛航 濾波器,濾除不想要的聲音。頻譜分析儀除了可看到每 記錄器實驗室具有解讀與分析各式飛航記錄器以及動畫 一瞬間頻譜的分布協助聲音處理外,也提供磁帶機運轉 製作的能量,圖一是飛航資料記錄器從解讀、分析到動 速度的同步控制訊號。以上是座艙語音記錄器解讀之基 畫製作之流程示意圖。1986 年加拿大運輸安全委員會研 本流程。 發的 FDR 解讀系稱為 RAPS(Recovery、Analysis and 固態記憶體式座艙語音記錄器解讀方式與磁帶式最 ,它是全世界的失事調查機關通用的 Presentation System) 大不同在於,固態記憶體式之記憶裝置因其電路控制方 FDR 解讀、分析與動畫製作系統 工作平台是 HP UNIX。 , 式不同,不同的廠家製造的記憶裝置必須裝上原廠家製 另外,數位地圖與飛航動畫播放系統(簡稱 DTFAS)則 造,而且可用的座艙語音記錄器,並使用也是原廠商的 是開發台灣衛星地圖、儀表模組、3D 機場模組與 3D 飛 解讀裝備才能加以解讀,解讀出來的訊號再加入混音器 機模組的系統,它也可以製作逼真的飛航動畫(將 FDR 進行更進一步聲音的處理。為方便各相關調查單位使 或雷達軌跡資料透過網路輸入)。工作平台是 Win-NT。 用,聲音亦可複製在一般卡帶。 圖二 是座艙語音記錄器 另外,飛航性能分析系統(簡稱 APAS)則是用來分析飛 解讀流程示意圖 。 對於無裝置飛行資料記錄器之直昇 機的飛航性能。常用的功能包括:估算飛航軌跡(對三 機,使用音頻處理軟體即可印出每一時間對特徵頻率之 軸加速儀與陀螺儀資料積分) 、起降性能分析、駕駛桿對 分布情形,因此聲譜分析技術可以鑑別出引擎及主要轉 操控舵面分析與函數化校正、校正空速、高度與飛行攻 軸運轉的情形。進一步分析則可獲知某一飛行狀態下之 角等資料。 特徵頻率變化,進而了解失事之可能情況。 2.2 目前的解讀與分析能量評估 FDR 解讀流程 目前國籍航空公司所擁有的”B” 字頭(註冊中華民國 對於 FDR 的解讀過程從原始資料到有用的工程資 國籍)及”N”字頭(註冊美國國籍)的民用航空器(固定 料處理十分繁雜,先決條件是需正確的掌握 FDR 與 翼與旋異機)共有 178 架,其中 172 架有裝置飛航記錄 FDAU 的規格。一般而言,飛航資料記錄器的解讀過程 器,飛安委員會均可以解讀。剩餘的六架直昇機因裝置 中以處理磁帶式的 FDR 較固態記憶體式的 FDR 複雜 因 。 Universal CVR30A 的 CVR,飛安委員會預計 89 年度添 為解讀磁帶式 FDR 必須遵照 FDR 製造商之規定,將多重 置解讀裝備。所以,直至 88 年六月飛航記錄器實驗室能 飛航資料寫入磁帶的特殊格式內,才能讀出磁帶的訊 解讀國內 96.6%的飛航記錄器。 號,再比對每個訊號中的資料框(data frames)同步訊號, 再擷取出有意義的飛航原始資料( raw data) 。換言之,磁 2.3 飛航記錄器解讀、分析與動畫製作流程 帶式 FDR 需經由特殊規格的八軌磁帶機依磁帶轉速、磁 飛航記錄器解讀、分析與動畫製作流程,請參閱文 頭間距與 function generator 等參數正確地讀出磁帶訊 獻[1]。以下簡述 CVR 與 FDR 解讀流程。 號。再依照製造商的型號與規格,比對 FDR 資料庫將原 CVR 解讀流程 始資料轉換,才能計算出各通道的飛航資料。固態記憶 磁帶式 CVR 解讀,首先將磁帶從座艙語音記錄器 體式 FDR 經由 LRU(Line Replaceable Unit)介面讀出記憶 內取出放到磁帶機上,磁帶機將磁帶上微小電磁訊號放 體內的原始資料,並比對 FDR 資料庫將原始數據轉換並 大轉換成一般聲音處理器可接受之訊號。基本上語音記 且計算出各通道的飛航資料。所以,目前固態記憶體式 錄器在實驗室內,最主要的工作即是執行聲音處理。就 飛航記錄器,SSCVR(Solid State Cockpit Voice Recorder 如同錄音室一般,需要混音器整合所有的音源、圖形等 與 SSFDR(Solid State Flight Data Recorder)均有個人電腦 化器做適當之等化處理、鑑聽用的放大器及揚聲器。混 級與可攜帶型之飛航資料下載儀器。許多航空器失事撞 音器與圖形等化器之不同是對雜音的處理方式,在座艙 地之 G 力甚大,有時會造成記錄器之部分資料產生錯誤 內可能有失壓時的雜音、引擎雜音、或是磁帶老舊或黑 或毀損,因此應用數位化的波形(wave form)處理技術 盒子運轉時所產生的雜音等。為了聽到清楚的聲音,除 來修正錯亂之訊號成為十分重要的技術。當所有的飛航 了傳統的等化器外,實驗室使用頻譜分析儀及窄頻雜音 資料全部解讀成功後,隨後的資料分析程序才是失事調 2
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    查工作之開始。上述飛航資料之處理分析工作包括:飛 αtrue = αprobe /1.65-0.55 (for αprobe ≤ 15.760) 航資料圖表化處理、航管雷達軌跡圖與 CVR/FDR 之時間 同步化比對與處理、慣性導航系統(Inertial Navigation 上述攻角校正是針對 AIRBUS 300 型客機, System、INS)之姿態與加速度積分處理、失事飛行軌跡 各廠家製造的飛機依機型與攻角指示器的規格會 重建、飛航資料與飛行動態系統之濾波狀態值估算、航 有類似的線性修正公式。 空器模組與三維地表資料/助航設施之整合、失事動畫製 作等。詳細處理流程參見圖 3。 2. 高度計( HBR、Hcoarse、Hfine )校正 【 Hcoarse、Hfine 皮式管量到的高度】 本會之 FDR 解讀設備將採用由加拿大 TSB 發展的 HBR= Inter ( Hcoarse -Hfine ) 【 /5000+0.5 】 5000 x 飛 航 資 料 重 建 / 分 析 / 動 畫 系 統 ( Recovery, Analysis, + Hfine Presentation System、RAPS) 。RAPS 包含所有磁帶式 FDR 的解讀資料庫,透過其工作站中電腦控制的一片 A/D 卡 上述修正公式是針對 Fairchild F1000 型固態 即可應用波形技術來轉換 FDR 內的原始資料。對於 飛航記錄器之電子式高度計,各廠家製造的高度 SSFDR 係以個人電腦將原始資料下載並轉換成有用的飛 計會因氣壓式與電子式之規格而有類似的線性修 航資料後,再以 RAPS 製作成圖表化的飛航資料與失事 正公式。 動畫。新版的 RAPS 可以加入 UTC 時間、Radio PTT Keying、駕駛輪的位置、起落架的位置、Slat & Flap 的角 3. 俯仰角計算與校正 【 X 是記錄器的原始數據, 度、引擎的 EPR 指數,其他的高度、速度、航向與舊版 pichtmp 是俯仰角對應值】 一樣。就本會參訪美國、加拿大及澳洲的心得,RAPS 是 [ ] pichtmp = tan −1 ( Xand3FF ) /(1023.0001− ( Xand3FF )) × (180 / π ) 目前已知的國際失事調查機關中功能最強的飛航資料記 + [Int( X / 1024) * 90 − Int ( X / 2048) * 360] 錄器解讀分析與動畫製作系統。 if pichtmp ≤ 2048 then pitch = pitchtmp× 179.99 / 2048 othrewise pitch = − pitchtmp ×179. 99 / 2048 三、飛航軌跡重建與飛航動畫之模擬技術 {pitchtmp : 2049 ~ 4095} 3.1 飛航軌跡重建技術探討 飛航資料記錄器的原始資料並無法直接交給飛航動 4. 以經緯度及高度量測值估算參考飛行姿態 畫處理,所有的飛航資料需要透過原廠提供的資料庫轉 利用常見的加速儀和陀螺儀的量測方程 式,經過數值積分方法可求得載具於當地水平座 換,才能獲得工程資料。這些參數資料庫的規範文件包 標下的速度、姿態角。定義在水平座標下的位置 括:飛航資料擷取元件( DFDAU)手冊與界面控制文件 分量(λ, φ ,H),依序為緯度(latitude)、經度 (longitude)及水面以上高度;速度分量(VN, VE, (ICD)等。對於飛航資料的解讀與校正處理,常見的參 VH,),依序為朝北速度、朝東速度及朝上速度。 數為高度計、攻角、校正空速、三軸姿態角。此外,飛 因此由大地橢球的觀念,表示緯度、經度的時間 航軌跡重建的工作是應用空速、加速度與姿態角估算出 變化率如下[文獻(2)]: & VN & VE 飛航軌跡;或是以雷達軌跡資料,加上適切的假設條件 λ= , φ= , (M + H) ( N + H ) cosφ 估算出可能的飛航軌跡。以下說明幾種常用的飛航資料 & VH = H = −V D 的解讀校正處理方法,與飛航軌跡重建法。 a 其中 N= 、 1. 攻角(α )校正 【α probe 攻角指示器量到的角度】 (1 − e 2 sin 2 φ )1/ 2 飛機處於降落模式外型: a(1 − e 2 ) M = αtrue = αprobe /1.95+0.5 (for αprobe ≤ 16.580) (1 − e 2 sin 2 φ ) 3 / 2 a 為地球半長軸(semi-major axis) αtrue = αprobe/1.95+0.5 (for αprobe ≤ 16.580) e 為地球偏心率(eccentricity) 飛機處於一般飛行模式外型: 設 地 球 自 轉 角 速 率 −5 αtrue = α probe /1.95+0.92 (for α probe ≤ 15.76 ) 0 ω e = 7 .292115 × 10 ( rad / s ) : 3
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    的播放設定更有彈性。 上述的速度分量(VN, VE, VH,)的計算,是由 慣性導航儀(IMU)或衛星定位儀(GPS)測得 c. PANELS - 它是用來擺放物件、視窗與文字 的經緯度及高度變化率求得。實際應用上若以直 框於動畫中。 昇機進行航路飛行模擬,只能藉由 GPS 的位置資 d. 視 窗 - 視窗功能允許三度空間的視野設定於 料來估算航向角( heading、ψ)與飛行軌跡角度 (flight path angle、γ)。 場景(Scene )中。每個視窗可以擁有多重照 相機的觀看位置設定。視窗解析度可設為    −1  V E  、 γ = tan − 1  VH  ψ = tan     = θ −α 640X480、800X600、1024X768、1280X1024。  VN   V +V 2 2   N E  e. 照 相 機 - 它可以與場景中的物件呈固定位置 與特定觀看路徑來觀看或追蹤視窗中的物件 5. 以空速及姿態角量測值估算參考飛行軌跡【 λ, (例如:航空器、拋出物等)。 ψ,H】 f. 場 景 ( SCENE) - 包括了場景物件、光源、 對於只有記錄 5 到 11 種參數的舊式的磁帶飛航 特效、格線與文字等。 記錄器,因為沒有飛行軌跡( λ,ψ)與各軸加 g. 飛航資料處理 - 因為 FDR 記錄的參數多為 1 速度分量。因此,重建飛行軌跡只能由校正空速 Hz 或 2Hz,但飛航動畫輸出率為 25~30 幅/ (VCAS)、俯仰角(θ)與航向角(ψ)來積分求 秒.,所以本功能是將參數作平滑化與外插的 得參考飛行軌跡,對於相對風的影響只能採用地 方法。目前常見的方法包括:線性外差、三次 面航管播報的資料。 方外差、平滑化與 B 式曲線等五種方法。 VN = VTAS cos (θ − α) cos ( + β) + VW cos ψw = VG cos ( + δ ) ψ ψ h. 飛航資料( Flight Data) - 製作動畫時所需 VE = VTAS cos ( − α)sin ( + β) + VW sin ψw = VG sin ( + δ ) θ ψ ψ VH = VTAS sin ( − α) θ 提供飛航資料包含:時間、飛航軌跡(經度、 VTAS = (VCAS + ∆VC ) / σ 緯度、高度)、飛航姿態(航向角、俯仰角、 VN VE 滾轉角)、駕駛桿與操作舵面位置等。 ∆ ∆ λ = ∫0 t dτ + λ ; φ = ∫0 t dτ + φ ; (M + H ) 0 ( N + H ) cos Φ 0 ∆ H = ∫0 t V H dτ + H 0 目前飛安委員會除了前面介紹的 RAPS 以外,三度 空 間 模 組 資 料 開 發 工 具 共 有 以 下 資 源 : 1. VEGA 3.2 飛航動畫模擬技術探討 (MultiGen-Paradigm, Inc.)-開發數位衛星地形圖、機場 任何的飛航動畫至少具有五項元件:三度空間模組 跑道與航站大廈等、空中雲霧效果與動畫播放系統;2. 資 料【飛機模組、地形資料模組、機場跑道與航站大廈 VAPS( Virtual Prototypes Inc.) - 開發各式飛機儀表。 等視野、空中雲霧效果、儀表、噴射引擎、旋槳與爆炸 3.ViewPoint(Viewpoint Digital, Inc.)-開發飛機模組。4. 聲響等】、特定文字與聲音【座艙語音記錄器之聲音與對 Mapinfo 與內政部 1/5000 向量地圖(MapInfo corp.)- 開 話文字、播放系統提示文字】 、攝影機位置、光 源 位 置 與 發機場模組。 效 果以及動 畫 播 放 之 多 視 窗 設 定等。詳細說明請參閱文 獻[3]。 四、實例說明 (A) 飛機模組開發 飛航動畫的模擬技術中,提供互動式編輯與製作功 對於國籍民航機,飛安委員會採用 ViewPoint 的飛 能是必備的條件。為了將動畫的五大元件組成逼真的飛 機模組資料,並且將各航空公司的機型貼上代表性的徽 航動畫,動畫編輯功能需具備以下八項: 章於垂直尾舵上。目前,已擁有國內航空公司的所有機 a. 視野( VIEW) - 每個視窗具有獨立的視野起 種資料。如圖四所示為波音 B747 飛機、起落架與 ASC 始與終了設定、PANEL 設定、多重文字標題 徽章貼圖。飛機的起落架、引擎煙霧效果、操控舵面均 設定與完整的視野變化描述檔。 可以用播放程式控制。 b. 描述檔(SCRIPTS) -多重描述檔功能使動畫 4
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    (B) 機場模組開發 (F) VEGA 飛航動畫播放系統開發 目前飛安委員會是採用美國大地衛星 VEGA 是一套製作互動式飛航動畫的好工具,近兩 (LandSat )影像,因為衛星影像解析度只有一到 年才從 SGI 工作站移植到 PC NT 工作站 常見的應用領 。 兩百公尺,而且為了讓飛航動畫播放時不會花太 域分為視覺與感測模擬器、模擬訓練系統開發、都市計 多時間處理衛星影像,所以在原始衛星影像中機 劃模擬以及三度空間電動玩具物件開發等。對於飛航儀 場的清晰度不足,機場模組是參照台北飛航情報 表與飛航軌跡的資料是以一特殊網路協定傳送,使資料 指南(AIP)資料,並且在 1/5000 向量地圖上校 能同步作出動畫效果與儀表顯示 VAPS) 圖九是 VEGA ( 。 正座標系統,逐一開發機場中的跑道、航站大廈、 與 VAPS 結合後展示一飛機於重飛(Go-Around)階段 塔台等物件的位置、長度、方向等資料。並且將 的動畫,場景是模擬中正機場附近。 機場模組貼圖到衛星影像中。圖五是松山機場與 台北市向量地圖在 Mapinfo 中開發示意圖。 五、結論 (C) 衛星影像模組開發 飛安委員會的飛航記錄器實驗室歷經一年的努力, 目前飛安委員會並無處理原始衛星影像的能力與 已擁有解讀、分析飛航記錄器能力。製作動畫與展示動 設備,透過與國內廠商合作開發衛星影像模組,並將機 畫有兩套平台:RAPS 與 DTFAS。本文對於飛航軌跡重 場模組注入其中。由於購自中央大學的大地衛星影像並 建技術之探討,只是略提一些技巧。對於更艱深的卡式 不是一張完整的台灣衛星地圖,需要經過多張影像的位 濾波估算法與絕對空間( WGS-84 座標系統)的重建也後 置、色差處理,處理過程繁雜且難度高,在此不多贅述。 陸續提出。文中述及飛航動畫之模擬技術,僅限於飛安 目前衛星影像的涵蓋區從東經 119 度到 122.6 度,從北 委員會的現有需求與應用層次的技術,並非代表所有的 緯 21.4 度到 25.8 度;總多邊形數量約 80000 個以上。 飛航動畫的模擬技術。未來將朝向開發更高解析度的地 形模組(法國 SPOT 衛星影像及精密 DTM 資料)與圖形 (D) 以經緯度及高度量測值估算參考飛行姿態 化互動式飛航動畫播放系統,請各位關心台灣飛安的朋 利用 GPS 或差分衛星定位技術( DGPS)的經緯度 友拭目以待! 與高度來估算航空器的導航速度、航向角與飛行路徑角 是很重要的應用。因為當航空器失事後,可能需要以同 型航空器來模擬飛行的航路。圖六描繪一直昇機於爬昇 六、參考文獻 又轉向降低高度飛行的高度、航速、航向與飛行路徑角 1. 戎 凱、官文霖、蘇水灶,”黑盒子解讀能量之建立 度的變化關係圖。圖七是直昇機爬昇又轉向降低高度飛 與 飛 安 之 關 係 , ” 民 航 季 刊 第 一 卷 第 一 期 , PP. 行的 3D 軌跡圖。 99-115,三月,八十八年。 2. J.A. Farrell & M. Barth, “The Global Positioning (E) RAPS 飛航動畫播放系統開發 System & Inertial Navigation,” PP. 190- 200, Chapter 加拿大運輸委員會(TSB)自 1986 年發展 RAPS six, ISBN-007-022045-X. 以來,目前有 RAPS 11 個政府機關使用者。RAPS 必須 3. Recovery, Analysis and Presentation System, RAPS 安裝在 HP 9000 系列的工作站,使用相當快速的繪圖加 User’s Reference. Release 4.1, June, 1999. 速卡與解讀磁帶式訊號的磁帶機,整合成一完整的 FDR 解讀分析與動畫製作系統。對於動畫中的地形資料、飛 機模組資料與機場模組資料與 VEGA 相容。圖八顯示 RAPS 製作之 B757 飛機降落於跑道過程之動畫圖。 5
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    CVR FDR HP9000 W/S (RAPS V4+ DT2839) Radar Track 其他資料 圖四 波音 B747 飛機、起落架與 ASC 徽章貼圖 APAS DTFAS 數位地圖與飛航 Printer & Plotter 飛航性能 印表機與繪圖 分析系統 動畫播放系統 機輸出裝備 圖一 飛航資料記錄器從解讀、分析與動畫製作 之程圖 磁帶式記錄器 多軌磁帶機 四軌磁帶 取出 訊號輸出 複 製/播 放 磁帶式記憶體 混音處理器 波形分析 初級濾波 與可用件組合 取出晶片式 類比式 類 比/數位轉換 圖五 松山機場與台北市向量地圖於 Mapinfo 中 開 記憶體 等化處理 [與 FDR同 步 化 處 理 ] 同 [與 FDR 步 化 處 理 ] 發示意圖 固態式記錄器 數位式濾波 頻譜分析 後級過濾 [Sound Forge] [Sound Forge] 雙軌 軌 擴音器 放大器 磁帶複製 磁帶複製 1500 90.0 1400 80.0 圖二 座艙語音記錄器解讀流程 1300 70.0 1200 60.0 1100 1000 DGPS_H 50.0 heading V[nav. Speed] Navigation speed [m/s]; flight path angle [degree] 900 flight path angle ALT_dgps [m]; heading [degree] smooth nav. speed 40.0 800 smooth flight path angle 磁帶式記錄器 磁帶轉速 700 30.0 定速器 取出 600 20.0 磁帶式記憶體 500 10.0 多軌式磁帶機 示波器 400 參數讀出 0.0 與可用件組合 300 -10.0 200 參數比對 波形數位化 取出晶片式 與篩選 100 -20.0 &儲 存 00:32:24 00:33:07 00:33:50 00:34:34 00:35:17 00:36:00 00:36:43 00:37:26 00:38:10 00:38:53 00:39:36 00:40:19 00:41:02 00:41:46 00:42:29 00:43:12 00:43:55 記憶體 固態式記錄器 原始參數轉換 訊號放大 GPS Time [hh:mm:ss] 為工程資料 &錯誤修正 CVR 數 位 化 語 音 CVR 數 飛航資料分析 [時 間 同 步 化 ] [時 ] [RAPS vs. APAS] [RAPS vs. APAS] 圖 六 一直昇機於爬昇又轉向降低高度飛行的 高 度 、 À跑道 與 機 場 屬 性 跑 à 道與機場屬性 動畫 表列 表列 圖形 圖形 航速、航向與飛行路徑角度的變化關係圖 航機儀表板設計 航機儀表板設計 à三維 機 場 與 數 位 地 形 三 À 維機場與數位地形 [RAPS vs. DTFAS] [RAPS vs. DTFAS] [RAPSvs. APAS] [RAPSvs. APAS] [RAPS vs. APAS] [RAPS vs. APAS] 圖三 飛航資料記錄器解讀流程 6
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    1400 1300 1200 1100 Alt_dgps [m] 1000 900 800 700 600 500 400 122.00 121.98 24.85 121.96 24.90 121.94 ] 121.92 de N o 24.95 itu rth 25.00 121.90 ng [la lo titu 121.88 s t[ d e 25.05 Ea ] 121.86 25.10 圖七 直昇機爬昇又轉向降低高度飛行的 3D 軌跡圖 圖 九 VEGA 與 VAPS 結 合 後 展 示 一 飛 機 於 重 飛 ( Go-Around)階段的動畫 , 場景是模擬中正機 場附近 圖八 RAPS 製作之 B757 飛機降落於跑道過程之動畫 7