陳世浩??

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

基于IMA的大型客機CNS系統(tǒng)集成試驗和驗證?

陳世浩??

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

基于綜合模塊化航空電子系統(tǒng)（IMA）的通信導(dǎo)航監(jiān)視（CNS）系統(tǒng)與傳統(tǒng)CNS的系統(tǒng)架構(gòu)、信息傳輸方式等都有很大的不同，所以需要研究以IMA為信息處理核心、AFDX加RDIU為信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的航電系統(tǒng)架構(gòu)中CNS系統(tǒng)的集成實驗的技術(shù)途徑和驗證方法。提出了一種按照不同研制階段將系統(tǒng)集成試驗分為全模擬仿真系統(tǒng)、半實物仿真系統(tǒng)、全實物仿真系統(tǒng)三階段集成的技術(shù)途徑和系統(tǒng)驗證方法。該技術(shù)途徑和方法充分考慮不同階段系統(tǒng)對集成試驗和驗證的需求，對CNS集成試驗和驗證設(shè)計具有一定的借鑒意義。

大型客機；綜合模塊化航空電子；通信導(dǎo)航監(jiān)視；集成試驗；仿真系統(tǒng)

1 引言

大型客機的航電系統(tǒng)架構(gòu)從ARINC429總線為傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為以全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）為信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的綜合化航電系統(tǒng)，從聯(lián)合式的航電系統(tǒng)向綜合模塊化航空電子系統(tǒng)（Integrated Modular Avionics，IMA）轉(zhuǎn)變［1］。通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)（Communication，Navigation and Surveillance，CNS）是民用運輸飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，集中了飛機上幾乎所有的無線電傳感器設(shè)備［2］，傳統(tǒng)采用ARINC429接口的設(shè)備大多技術(shù)成熟，已取得了適航證，目前先進機型在航電系統(tǒng)架構(gòu)中仍采用這些設(shè)備參與集成，通過遠程數(shù)據(jù)接口單元（Remote Data Interface U-nit，RDIU）將各設(shè)備的ARINC429總線信息轉(zhuǎn)換、整合為適合AFDX總線傳輸?shù)男畔⒏袷?。由于航電系統(tǒng)架構(gòu)的變化和以IMA為信息處理核心的特點與傳統(tǒng)航電存在巨大區(qū)別，所以CNS系統(tǒng)集成試驗手段和方法也需要發(fā)生相應(yīng)的變化。國內(nèi)對基于IMA架構(gòu)的CNS系統(tǒng)集成和驗證方法研究還較為少見。本文首先研究基于IMA的CNS系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)不同階段系統(tǒng)對集成試驗和驗證的需求將系統(tǒng)集成試驗分為三階段，分析出各個階段需要集成驗證的內(nèi)容，給出對系統(tǒng)集成試驗和驗證方法。

2 大型客機CNS系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)代大型客機航電系統(tǒng)一般由AFDX網(wǎng)絡(luò)和RDIU組成航電系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)［3］，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合監(jiān)視系統(tǒng)、機載維護系統(tǒng)以及非航電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備均通過就近的RDIU掛接在AFDX網(wǎng)絡(luò)上，而機載信息系統(tǒng)與客艙系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)接入AFDX核心網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)信息單向流入機載維護和客艙系統(tǒng)，以保證核心網(wǎng)絡(luò)的安全性。

IMA是航電系統(tǒng)的信息處理中心，除機載信息系統(tǒng)和客艙系統(tǒng)外，其余所有系統(tǒng)均作為IMA的外圍系統(tǒng)，向IMA計算中心提供各種必要的數(shù)據(jù)信息，并從IMA獲得相應(yīng)的控制參數(shù)、命令等信息。CNS由無線電通信設(shè)備、無線電導(dǎo)航設(shè)備、無線電監(jiān)視設(shè)備、音頻控制板（ACP）、無線電管理面板（RMP）、應(yīng)急定位發(fā)射器、艙門監(jiān)視攝像頭及視頻接口單元、靜電釋放器等LRU組成，同時還包括了通信管理功能、無線電調(diào)諧功能、地形提示警告（Terrain Awareness Warning System，TAWS）功能及其他監(jiān)視解算告警功能等軟件，這些軟件駐留在IMA機架的通用處理模塊內(nèi)；其中通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、監(jiān)視設(shè)備又分別包括了多個無線電傳感器設(shè)備。圖1［4］為ARINC 660A推薦的機載CNS頂層功能架構(gòu)。

圖1 ARINC 660A推薦的機載CNS頂層功能架構(gòu)Fig.1 Airborne CNS top-level functional architecture recommended by ARINC 660A

為了提高系統(tǒng)的安全性和任務(wù)可靠性，CNS一般采取冗余配置方式，根據(jù)飛機對功能依賴程度的不同以及對安全性的考慮，設(shè)備冗余量有所不同，VHF電臺、RMP、ACP等采用三余度配置，ELT（Emergency Location Transmitters）、WXR（Weather Radar）、TCAS（Traffic Alerting and Collision System）沒有余度，衛(wèi)通設(shè)備則作為選裝件，而其他通信、導(dǎo)航和監(jiān)視設(shè)備采用雙余度配置［5］。

3 系統(tǒng)集成試驗和驗證方法

3.1 CNS系統(tǒng)集成、試驗內(nèi)容

CNS與航電系統(tǒng)相互之間有很多信息和信號交聯(lián)，并共享同一個AFDX網(wǎng)絡(luò)和核心處理資源；同時，CNS集中了飛機幾乎全部的無線電傳感器設(shè)備，通過這些無線電傳感器獲取導(dǎo)航信息和與地面進行通信。CNS系統(tǒng)集成和試驗是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要驗證的內(nèi)容非常豐富而細致，任何的遺漏都可能將隱患帶上飛機，給試飛和取證活動帶來隱患，直接導(dǎo)致成本上升和周期的延長。經(jīng)分析，CNS系統(tǒng)集成、試驗應(yīng)包括兩個方面的內(nèi)容：機載系統(tǒng)集成試驗和空地系統(tǒng)應(yīng)用驗證試驗。

機載系統(tǒng)集成試驗主要圍繞機載系統(tǒng)和設(shè)備功能的測試驗證，主要包括：傳輸資源占用驗證；調(diào)諧功能驗證；針對設(shè)備的靜態(tài)功能驗證；系統(tǒng)檢測功能驗證；應(yīng)用層功能驗證；系統(tǒng)冗余和重構(gòu)驗證；系統(tǒng)全飛行剖面全動態(tài)驗證。

空地系統(tǒng)應(yīng)用是指機載系統(tǒng)與機外系統(tǒng)共同作用所完成的功能應(yīng)用，包括話音/數(shù)據(jù)通信、無線電導(dǎo)航、無線電監(jiān)視等功能，除了傳統(tǒng)的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視以外，需要重點進行系統(tǒng)驗證的主要有數(shù)據(jù)鏈集成應(yīng)用驗證、衛(wèi)星通信應(yīng)用驗證、衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用驗證。

3.2 CNS系統(tǒng)集成方法和技術(shù)途徑

CNS系統(tǒng)集成試驗活動需要完成上述的驗證內(nèi)容，最終達到全系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定運行目標需要建立一整套集成試驗環(huán)境，包括硬件、軟件和集成試驗方法等。CNS系統(tǒng)集成試驗在架構(gòu)設(shè)計時就應(yīng)該開始，以驗證架構(gòu)的可行性，通過試驗還能為后續(xù)設(shè)計提供有力的技術(shù)支持。CNS系統(tǒng)集成方法和試驗環(huán)境分為全模擬仿真系統(tǒng)驗證、半實物仿真系統(tǒng)驗證和全實物系統(tǒng)驗證。

3.2.1 CNS全模擬仿真系統(tǒng)

CNS全模擬仿真系統(tǒng)按現(xiàn)代大型客機總體架構(gòu)建立，主要驗證CNS融合在航電架構(gòu)中其控制流、數(shù)據(jù)流的正確性，驗證在保證CNS正確功能性能條件下對總線網(wǎng)絡(luò)資源占用情況、對各傳輸處理環(huán)節(jié)緩存資源占用情況等，為航電系統(tǒng)總體設(shè)計提供有力的依據(jù)。除了AFDX交換機和總線分析儀外，其余部分全是由計算機進行模擬仿真。模擬器由通用計算機插入AFDX終端卡、429接口卡和數(shù)據(jù)采集卡組成。

CNS仿真模擬系統(tǒng)中用到多種模擬器，基于通用計算機并配以各種插卡和仿真軟件實現(xiàn)的。這些模擬器因為需要仿真的接口不同，配置的插卡也不盡相同，但組成模式是相同的。圖2是通用模擬器組成框圖。

圖2 CNS通用模擬器組成圖Fig.2 Block diagram of CNS universal simulator

模擬器都采用軟硬件接口仿真，內(nèi)部功能完全由軟件實現(xiàn)，因此該系統(tǒng)具有相當?shù)撵`活性和伸縮性，可以根據(jù)驗證內(nèi)容需要進行多種組合、裁剪或擴展。CNS仿真模擬系統(tǒng)中用到多種模擬器由基于通用計算機并配以各種插卡和仿真軟件實現(xiàn)。利用各種基于通用計算機插槽的接口卡所提供的豐富的接口，并開發(fā)適當?shù)能浖崿F(xiàn)任意功能的模擬器，具有構(gòu)建速度快、成本低的優(yōu)點，適合CNS早期和中期集成驗證。

3.2.2 CNS半實物仿真系統(tǒng)

在CNS全模擬仿真階段完成在航電體系架構(gòu)下控制流、數(shù)據(jù)流和數(shù)字音頻流的驗證以后，能為IMA、RDIU和交換機提出相應(yīng)的技術(shù)要求，根據(jù)這些要求承研單位應(yīng)首先研制并提供IMA、RDIU和交換機的樣機。CNS半實物仿真系統(tǒng)把IMA、RDIU模擬器和交換機換成樣機。先前的模擬器是系統(tǒng)集成商為了驗證系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計而自主開發(fā)的，可以任意修改，直到確定系統(tǒng)方案和相應(yīng)指標為止；樣機是各承研單位根據(jù)系統(tǒng)集成商提出的功能要求和接口要求（包括ICD）研制的驗證機，由樣機構(gòu)建的半實物仿真系統(tǒng)主要用于驗證承研單位對于需求的理解和滿足情況，也是對系統(tǒng)總體設(shè)計是否合理的進一步驗證。

CNS半實物仿真系統(tǒng)集成試驗完成后，樣機將作為集成試驗環(huán)境不可或缺的一部分被保留下來，作為CNS的基準設(shè)備，用于后續(xù)裝機樣件集成試驗的參考標準，在裝機樣件缺失或不滿足要求時，可以用樣機代替參加試驗，不影響CNS集成驗證工作的開展。

3.2.3 CNS全實物系統(tǒng)

CNS全實物系統(tǒng)全部由裝機樣件構(gòu)成，用于CNS開發(fā)后期的集成試驗工作，為系統(tǒng)驗收和裝機試飛作最后準備。這個階段主要完成三方面的驗證工作：驗證CMF（Configuration Management Function）軟件、RTF軟件和其他相關(guān)功能軟件在IMA滿負荷條件下的運行情況；通過無線電地面射頻激勵，驗證CNS在裝機樣件條件下各項功能的運行情況；通過無線電地面射頻動態(tài)激勵，實現(xiàn)全動態(tài)全飛行剖面的無線電環(huán)境仿真，驗證全航電系統(tǒng)運行條件下的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視功能。

無線電射頻激勵就是為機載無線電設(shè)備提供一種可隨意控制的對通信號，或者模擬地面通信電臺信號、無線電導(dǎo)航臺信號、地面空管二次雷達信號，以及衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器信號和導(dǎo)航衛(wèi)星星座信號等，用于配合機載設(shè)備或系統(tǒng)的調(diào)試、測試工作。圖3是一種模塊化的無線電射頻激勵系統(tǒng)方案，將各種信號的激勵器和模擬器分別用一個模塊實現(xiàn)，再通過虛擬儀器VXI總線組織起來，受主控計算機的控制。這種方案可大量減小激勵系統(tǒng)的體積、重量和能耗。

圖3 無線電射頻激勵系統(tǒng)Fig.3 Radio frequency exciter system

為了實現(xiàn)全動態(tài)全飛行剖面仿真激勵，無線電通信導(dǎo)航監(jiān)視射頻激勵系統(tǒng)應(yīng)能加載或預(yù)存多條模擬航路數(shù)據(jù)庫，接收飛行仿真計算機以實時網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的飛機即時位置信息，其中應(yīng)包括經(jīng)度、緯度、無線電高度、航向和時間同步信息，還應(yīng)包括入侵飛機位置、航向、氣壓高度和飛機地址碼等信息，根據(jù)這些信息檢索飛機即時位置附近一定范圍內(nèi)的通信電臺頻率、導(dǎo)航臺站位置和工作頻率，解算飛機即時位置相對于導(dǎo)航臺站的方位、斜距、無線電高度，將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)激勵信號，通過射頻電纜送機載設(shè)備。

在CNS集成試驗過程中還需要一套數(shù)據(jù)鏈仿真、驗證和測試系統(tǒng)，在實驗室條件下完成數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的集成驗證。同時，還需要該系統(tǒng)能在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、頂層設(shè)計、性能仿真分析、標準分析驗證和應(yīng)用效能評估等方面提供平臺支持。通過空中模擬平臺、地面模擬平臺、飛機多用戶模擬系統(tǒng)、地面系統(tǒng)，構(gòu)建HF數(shù)據(jù)鏈、VHF數(shù)據(jù)鏈（Mode A、Mode 2/3/4）以及衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈，驗證在起飛、航路、終端近進等各個運行階段，飛機與地面系統(tǒng)（管制中心和航空公司）之間的通信。

衛(wèi)星通信仿真驗證平臺模擬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及各種接入業(yè)務(wù)。航空地球站的仿真能夠模擬航空地球站與其他航電設(shè)備之間的物理和邏輯接口，以及地-空和空-地間的通信過程，為機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的集成驗證提供仿真評估平臺，并通過仿真整個航空業(yè)務(wù)的流程，驗證機載衛(wèi)星通信的可用性和可靠性。

3.3 CNS系統(tǒng)集成驗證方法

CNS系統(tǒng)集成驗證需要對傳輸資源占用、調(diào)諧功能、靜態(tài)功能、系統(tǒng)檢測功能、應(yīng)用層功能、系統(tǒng)冗余和重構(gòu)、系統(tǒng)全飛行剖面全動態(tài)等進行驗證，下面分別對這些功能的驗證展開討論。

（1）傳輸資源占用情況在模擬仿真系統(tǒng)上進行驗證，測試數(shù)據(jù)傳輸時延是否滿足要求，話音通信是否連續(xù)、完整，并達到清晰度和可懂度要求。在不滿足要求的情況下，需要調(diào)整傳輸資源的分配，直到滿足為止。試驗中需要測試出滿足使用要求情況下的最低資源占用數(shù)據(jù)，以便為總體設(shè)計提供依據(jù)。

（2）調(diào)諧功能驗證在項目的各個階段都需要進行，對CNS模擬仿真試驗平臺或者全實物系統(tǒng)都需要進行調(diào)諧功能的驗證，驗證無線電通信、導(dǎo)航和監(jiān)視設(shè)備在手動調(diào)諧控制下響應(yīng)是否正常，回傳是否正確，是否滿足時延要求；除了對正常參數(shù)進行驗證外，更應(yīng)注重邊界參數(shù)、超界參數(shù)的驗證。

（3）靜態(tài)功能驗證需要在真實無線電設(shè)備構(gòu)成的CNS進行，并需要無線電射頻激勵器的配合。根據(jù)需求列出每個通信、導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)備的功能和針對每項功能的驗證措施，設(shè)置好相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)和工作參數(shù)，以及無線電射頻激勵器的狀態(tài)和參數(shù)，在手動調(diào)諧控制下逐條驗證其應(yīng)有功能的正確性。

（4）系統(tǒng)檢測功能驗證主要驗證CNS維護功能和故障監(jiān)測能力，需要模擬各種故障模式，該項試驗適合在全模擬仿真系統(tǒng)和半實物仿真系統(tǒng)上進行。事先應(yīng)列舉出各種通信、導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)備的各種模式和模擬方式，然后調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)并啟動系統(tǒng)運行，在設(shè)備模擬器上逐一模擬各種故障，驗證系統(tǒng)故障檢測和告警功能。

（5）應(yīng)用層功能驗證針對與CNS相關(guān)的各項頂層應(yīng)用功能，驗證時還需將這些功能進一步分解細化，并列出相應(yīng)的驗證措施和合格判據(jù)。此驗證需在全實物系統(tǒng)進行，并需要無線電射頻激勵器配合。

（6）系統(tǒng)冗余和重構(gòu)驗證中幾乎所有設(shè)備都有余度，而且這些互為余度的設(shè)備是同時工作的，都在響應(yīng)系統(tǒng)命令和輸出數(shù)據(jù)，有的設(shè)備還同時對相同的物理量進行測量。在模擬某個設(shè)備故障或輸出數(shù)據(jù)超界的條件下，看能否作出正確的判決，系統(tǒng)處理結(jié)果是否正常。

（7）單項功能均通過驗證后，利用飛行仿真系統(tǒng)和無線電地面激勵仿真系統(tǒng)進行全飛行剖面全動態(tài)仿真，驗證整個CNS及相關(guān)系統(tǒng)在接近真實的飛行條件下的工作情況。飛行航線和飛行環(huán)境的想定應(yīng)具有代表性和一定覆蓋面。

4 結(jié)束語

CNS在大型客機中涉及功能數(shù)量、設(shè)備數(shù)量和種類較多，其集成試驗和驗證的目的是指導(dǎo)設(shè)計和驗證設(shè)計。本文在分析基于IMA的CNS系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，研究設(shè)計出根據(jù)不同研制需求的系統(tǒng)集成系統(tǒng)集技術(shù)途徑和驗證方法，對CNS集成試驗和驗證設(shè)計具有借鑒意義。CNS系統(tǒng)集成和試驗是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為了完成CNS系統(tǒng)集成試驗和驗證，必須清晰細致地列出其應(yīng)用需求，以及每項需求的驗證和檢驗方法、合格判據(jù)，根據(jù)這些需求和驗證方法建立必要的試驗系統(tǒng)和平臺，開發(fā)必要的工具和軟件，以高效地完成CNS的集成和驗證工作，從而有效縮短系統(tǒng)需求驗證、集成測試時間，提高驗證覆蓋率和準確度。

［1］劉天華.民機無線電CNS系統(tǒng)一體化架構(gòu)設(shè)計［J］.電訊技術(shù)，2010，50（7）：1-5. LIU Tian-hua.Integrated Architecture Design of Radio CNS System for Civil Aircrafts［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（7）：1-5.（in Chinese）

［2］陳穎.從復(fù)雜系統(tǒng)觀點看模塊級綜合集成航空電子結(jié)構(gòu)［J］.電訊技術(shù)，2009，49（4）：98-102. CHEN Ying.The Integrated Modular Avionics Electronic Architecture from Complex System Views［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（4）：98-102.（in Chinese）

［3］ARINC Specification 653-2，Avionics Application Software Standard Interface Part 1-Required Services［S］.

［4］ARINC Report 660A，CNS/ATM Avionics，F(xiàn)unctional Allo2cation and Recommended Architectures［S］.

［5］ARINC Specification 664P1-1，Aircraft Data Network Part 1-Systems Concepts and Overview［S］.

［6］姜震.航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北京航空航天大學，2004. JIANG Zhen.Study on key technologies of avionics unified net-works［D］.Beijing：Beiing University of Aeronautics and Astronautics，2004.（in Chinese）

Integrated Test and Validation for IMA-based Large Civil Aircraft CNS

CHEN Shi-hao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The system architecture and information transmission of Integrated Modular Avionics（IMA）based Communication，Navigation and Surveillance（CNS）system is different from that of traditional CNS.It is necessary to research methods for IMA-based and AFDX＋RDIU as networks CNS integrated validation.According to development stage requirements，three stages（full simulation system，half real equipment system，full real equipment）integrated validation methods are proposed，which can meet the requirements of development stage and be useful to the CNS integration for reference.

large civil aircraft；integrated modular avionics；communication，navigation and surveillance；integrated test；simulation system

peternpu＠hotmail.com

V243

A

1001-893X（2013）05-0543-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.003

陳世浩（1979—），男，陜西人，2010年于西北工業(yè)大學獲工學博士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航空電子系統(tǒng)等。

2012-11-28；

2013-03-25 Received date：2012-11-28；Revised date：2013-03-25

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peternpu＠hotmail.com

CHEN Shi-hao was born in Shaanxi Province，in 1979.He received the Ph.D.degree from Northwest Polytechnical University in 2010.He is now an engineer.His research concerns avionics systems.

Email：peternpu＠hotmail.com