中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 錢(qián)向農(nóng) 魏學(xué)航 楊豐輝 林義光

近年來(lái)，我國(guó)政府逐漸將航空飛行器發(fā)展項(xiàng)目，如支線系列客機(jī)、大型系列飛機(jī)（包含干線客機(jī)、大型特種運(yùn)輸機(jī)）、無(wú)人系列飛機(jī)，以及空間飛行器發(fā)展項(xiàng)目（載人飛船系列、衛(wèi)星系列）列為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程。上述飛行器的航空電子系統(tǒng)[1-4]相關(guān)研究?jī)?nèi)容同時(shí)也成為“十二五”及“十三五”國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目。

航空電子系統(tǒng)和設(shè)備是上述飛行器和機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分。航空電子系統(tǒng)利用傳感器感知并進(jìn)行控制，與其他機(jī)載子系統(tǒng)或飛行器及地面控制設(shè)備進(jìn)行通信。從無(wú)人飛行器到先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，航空電子系統(tǒng)和設(shè)備擁有“飛行、導(dǎo)航、控制”功能，讓機(jī)組人員能夠熟練監(jiān)視和管理飛行器整個(gè)工作過(guò)程，而不是直接操縱和控制飛行器飛行。在人工飛行過(guò)程中，對(duì)于現(xiàn)代電傳座艙，使用電信號(hào)而不是機(jī)械連接傳動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制；而對(duì)于無(wú)人駕駛的空間飛行器，通過(guò)航空電子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。今天，飛行器系統(tǒng)平臺(tái)的操作者通過(guò)一組嵌入式傳感器和遠(yuǎn)程傳感器，持續(xù)監(jiān)視和控制整個(gè)系統(tǒng)。駕駛?cè)藛T通過(guò)像GPS系統(tǒng)這樣的輔助導(dǎo)航設(shè)備，借助于空中交通管理設(shè)備指示，能夠精確引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行飛行；工作人員則通過(guò)空中交通管理系統(tǒng)以及來(lái)自機(jī)載應(yīng)答機(jī)的數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合地面?zhèn)鞲衅鳎ɡ走_(dá)設(shè)備）共同工作。無(wú)人的空間飛行器借助于地面控制設(shè)備和系統(tǒng)控制能夠連續(xù)工作，有人駕駛的空間飛行器則依賴于自動(dòng)監(jiān)視功能和控制綜合功能、遠(yuǎn)程任務(wù)控制系統(tǒng)指示以及機(jī)組人員發(fā)出操作指令，進(jìn)行飛行和工作。所有的飛行器平臺(tái)都有一個(gè)共同的目標(biāo)，即在比較苛刻的環(huán)境中及有限的傳感器數(shù)據(jù)條件下安全有效地執(zhí)行任務(wù)。

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)是分布的傳感器和處理器組件形成的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)，它們由日益復(fù)雜的軟件進(jìn)行支持，這些軟件需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的驗(yàn)證和確認(rèn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)使航空電子系統(tǒng)的精度和安全性越來(lái)越高，而座艙中的自動(dòng)化功能使飛行員越來(lái)越了解飛行過(guò)程。研發(fā)人員正在提高和改進(jìn)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這主要包括分布在機(jī)上和機(jī)下各處的信息資源，這些信息源對(duì)于完成任務(wù)起到安全和有效的保障作用。

飛行器系統(tǒng)的研制目的和任務(wù)

飛行器系統(tǒng)研制有多種用途：可以進(jìn)行客運(yùn)及貨運(yùn)，可以從機(jī)載傳感器中收集和發(fā)布數(shù)據(jù)，進(jìn)行通信或充當(dāng)信息傳送平臺(tái)。

太空飛行器平臺(tái)包含了從無(wú)人飛行器、低軌道衛(wèi)星到上百噸載人和運(yùn)貨的大型運(yùn)輸平臺(tái)；飛機(jī)種類有固定翼飛機(jī)、直升旋翼以及小型無(wú)人飛機(jī)；太空飛行器包括從以太陽(yáng)能為動(dòng)力的地球軌道飛行器，到載人探測(cè)器、登陸車和飛船等種類。

民用飛機(jī)領(lǐng)域主要是客機(jī)和貨機(jī)。安全、成本與效率是這些機(jī)型考慮的主要因素。民機(jī)飛行空域越來(lái)越繁忙，安全與高效飛行促使研究人員研發(fā)三余度的飛行管理系統(tǒng)[2]，它能夠精確地導(dǎo)航、引導(dǎo)和控制飛機(jī)。下一代空中運(yùn)輸系統(tǒng)主要依賴于高性能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的信息，該系統(tǒng)組成可以提供實(shí)時(shí)的交通信息和氣象信息，飛行器和地面站可以共享以上信息，從而提高了安全性分析和支持高密度空域飛行的能力。民機(jī)航空電子系統(tǒng)目前主要采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]，由各種傳感器和控制器根據(jù)需求組成各種機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)減少了重量，提高了效率，改進(jìn)了解決問(wèn)題的方式。另外，還有一些通用航空和醫(yī)療、法律及交通監(jiān)視專用的飛機(jī)，由于成本和重量等因素，其航空電子系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)方面受到限制。無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，但在民用領(lǐng)域按照規(guī)章制度需要登記和檢查，航空電子系統(tǒng)組成也受到一些規(guī)定限制。

隨著人類對(duì)太空領(lǐng)域的不斷探索，衛(wèi)星技術(shù)快速成長(zhǎng)。通信衛(wèi)星可以完成實(shí)時(shí)多媒體傳輸，將信息傳給廣大觀眾；基于衛(wèi)星的系統(tǒng)，例如GPS系統(tǒng)，增強(qiáng)了精確定位能力；天文學(xué)家、氣象學(xué)家、地理學(xué)家和氣候?qū)W家等則可以從地球軌道和外太空搜集大量的數(shù)據(jù)。但是，由于太空飛行器研制和發(fā)射成本高、工作環(huán)境特殊（需抵抗各種輻射和熱環(huán)境）、在太空維修困難，因此，低成本和高可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)考慮的主要因素，這要求它的航空電子系統(tǒng)必須是“健壯”和可靠的。此外，載人太空飛行器還要考慮系統(tǒng)的余度，以減少宇航員面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)。

飛行器航空電子系統(tǒng)演變過(guò)程

隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空飛行器和太空飛行器的電子系統(tǒng)正在不斷演變。

1 航空飛行器系統(tǒng)[6]

最早的動(dòng)力飛行器只有很少的幾項(xiàng)航空電子設(shè)備，如最早的懷特飛機(jī)上只配備了碼表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器以及風(fēng)力計(jì)。二戰(zhàn)后，飛機(jī)上又有了氣壓高度表和空速表、指示磁航向的羅盤(pán)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表與溫度指示器（見(jiàn)圖1）。

圖1 “駱駝”型飛機(jī)座艙布置

到二戰(zhàn)前夕，像DC-3飛機(jī)裝備了更昂貴的儀表板（見(jiàn)圖2），包括空速指示器、高度計(jì)、垂直速度指示設(shè)備（VSI）、陀螺方向儀、轉(zhuǎn)彎指示及姿態(tài)指示。

圖2 DC-3型飛機(jī)座艙航空電子設(shè)備

傳統(tǒng)的真空儀表相互之間并不共享信息，機(jī)組人員完全人工負(fù)責(zé)“航空電子系統(tǒng)信息綜合”，對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)飛機(jī)狀態(tài)（位置、姿態(tài)、大氣環(huán)境和低速）以及設(shè)備性能進(jìn)行綜合理解后，依靠人工轉(zhuǎn)換各儀表中的指示信息。目前，航空電子系統(tǒng)根據(jù)高層次的飛行計(jì)劃管理，以及通過(guò)飛行控制、導(dǎo)航、發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油管理，結(jié)合空中交通管制，能夠綜合管理各種任務(wù)。雖然現(xiàn)代數(shù)字航空電子系統(tǒng)已經(jīng)使座艙功能發(fā)生了革命性的改進(jìn)，但飛行座艙某些功能區(qū)域，尤其是通用航空，仍然依靠基本儀表進(jìn)行飛行。事實(shí)上，飛機(jī)最初配備的是真空儀表，現(xiàn)在已升級(jí)到數(shù)字航空電子系統(tǒng)，后者作為前者的補(bǔ)充手段出現(xiàn)，但并不完全代替原始儀表的作用。交通管制技術(shù)越來(lái)越成熟，已經(jīng)從目視交通管制飛行以及機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)交通管制飛行，發(fā)展到基于雷達(dá)的數(shù)字化飛行導(dǎo)引飛行，管理人員可以監(jiān)視所有飛機(jī)實(shí)時(shí)的飛行軌跡（見(jiàn)圖3）。

圖3 目視空中交通管制工作過(guò)程

二戰(zhàn)以后，飛機(jī)飛行變得越來(lái)越快和容易操縱，并得到先進(jìn)的監(jiān)視、導(dǎo)航和自動(dòng)飛行系統(tǒng)的支持。地面無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)建立后，能夠支持飛機(jī)全天候飛行。自動(dòng)方位確定設(shè)備（ADF）——最早建立的無(wú)線電信標(biāo)系統(tǒng)，能夠使飛行員識(shí)別相對(duì)于無(wú)向信標(biāo)的方位。通過(guò)識(shí)別兩個(gè)或更多的無(wú)線電信號(hào)，飛行員可以通過(guò)三角測(cè)量原理大致確定飛機(jī)位置。VHF（甚高頻）全向信標(biāo)設(shè)備（VOR）改進(jìn)了ADF設(shè)備功能，可以對(duì)方位信息進(jìn)行編碼，并傳給無(wú)線電臺(tái)站。VOR設(shè)備結(jié)合距離測(cè)量設(shè)備DME，可以提供方位和距離信息，確定相對(duì)于單個(gè)臺(tái)站的二維位置。配備儀表著陸進(jìn)近設(shè)備ILS的機(jī)場(chǎng)可以提供精確方位和下滑信號(hào)，引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的著陸進(jìn)近過(guò)程。機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域的導(dǎo)航臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)可以幫助飛行員和空管人員進(jìn)行導(dǎo)航和航路管理。羅蘭系統(tǒng)（LORAN）開(kāi)發(fā)后，可以提供遠(yuǎn)距離低頻導(dǎo)航信號(hào)，用于飛行和海上導(dǎo)航。自從出現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)后，例如全球定位系統(tǒng)GPS，羅蘭系統(tǒng)已經(jīng)終止使用。最近出現(xiàn)的WAAS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)，正在成為標(biāo)準(zhǔn)的精密導(dǎo)航系統(tǒng)。雖然由于GPS設(shè)備的使用，VOR和NDB設(shè)備在導(dǎo)航方面的作用逐漸降低，但I(xiàn)LS設(shè)備作為GPS系統(tǒng)的備用設(shè)備，仍然在精密進(jìn)近方面發(fā)揮作用。

自動(dòng)飛行系統(tǒng)在一戰(zhàn)后首次使用，它通過(guò)陀螺儀獨(dú)立、穩(wěn)定地控制飛機(jī)傾斜角和俯仰角。二戰(zhàn)以后，自動(dòng)飛行系統(tǒng)逐漸成熟，同時(shí)協(xié)同處理多個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，允許飛機(jī)自動(dòng)保持水平飛行，按照指定的爬升率、磁航向，或沿著指定的方位朝向/背向無(wú)線電臺(tái)站飛行。在20世紀(jì)六七十年代，數(shù)字航空電子系統(tǒng)集成在先進(jìn)的運(yùn)輸機(jī)和軍用飛機(jī)中。今天根據(jù)數(shù)字航空電子系統(tǒng)研發(fā)的飛行管理系統(tǒng)是自動(dòng)飛行系統(tǒng)技術(shù)的延伸，能夠快速和精確引導(dǎo)飛機(jī)按照從起飛到著陸的全過(guò)程飛行。在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)信號(hào)可以共享，利用網(wǎng)絡(luò)它們從單個(gè)設(shè)備傳遞到整個(gè)座艙系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），能夠顯示大部分有價(jià)值的信息。各種不斷發(fā)展的先進(jìn)傳感器和通信技術(shù)可以提供氣象信息，提高了飛行效率和安全度。所有安全度要求很高的航空電子設(shè)備硬件和軟件必須根據(jù)美國(guó)RTCS/DO-178B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證，在國(guó)際上也有其他類似的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 “塞斯納”型飛機(jī)座艙航空電子設(shè)備

2 太空飛行器系統(tǒng)[6]

太空飛行器使用的航空電子系統(tǒng)同樣是復(fù)雜的，這是因?yàn)轱w行器系統(tǒng)組成很復(fù)雜，同時(shí)使用的環(huán)境更加復(fù)雜。太空飛行器系統(tǒng)包含多個(gè)組成部分，每個(gè)系統(tǒng)都含有自己的航空電子子系統(tǒng)，例如發(fā)射器系統(tǒng)、基本運(yùn)載系統(tǒng)（衛(wèi)星）、1個(gè)或多個(gè)二級(jí)運(yùn)載系統(tǒng)（探測(cè)車、探測(cè)器）。對(duì)于載人的太空飛行器，宇航服具有自身的電子系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)；同時(shí)，除了運(yùn)載系統(tǒng)和飛行器輔助系統(tǒng)之外，根據(jù)機(jī)組人員使用和人機(jī)接口系統(tǒng)的需要，太空飛行器整個(gè)系統(tǒng)組成是不斷擴(kuò)充和增加的。雖然載人航天飛行已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，但是大多數(shù)太空飛行器系統(tǒng)還是無(wú)人的，包含的技術(shù)有系統(tǒng)新技術(shù)驗(yàn)證、地球軌道通信與監(jiān)視技術(shù)、太空衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)、行星衛(wèi)星軌道控制技術(shù)、行星表面探測(cè)技術(shù)等。

太空飛行器航空電子系統(tǒng)具有相同的基本功能。發(fā)射器必須將運(yùn)載系統(tǒng)發(fā)射到指定軌道上，包括推進(jìn)器激活和分離；如果發(fā)射器不能預(yù)期工作，任務(wù)就必須終止。一旦發(fā)射太空飛行器后，必須控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡，保持與地面控制設(shè)備的通信，并管理機(jī)載系統(tǒng)（包括運(yùn)載系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)）。其中，無(wú)人太空飛行器必須能夠開(kāi)始和保持與地面站之間的聯(lián)絡(luò)，支持各種工作和狀態(tài)，下傳信息，更新指令和軟件信息；載人的飛行器必須保障宇航員生活，以及提供與無(wú)人飛行器相似的其他系統(tǒng)。一方面，雖然今天太空飛行器電子系統(tǒng)組成和早期平臺(tái)上的電子系統(tǒng)基本類似，但因?yàn)榧夹g(shù)不斷提高，可以處理大量的數(shù)據(jù)、進(jìn)行通信和完成各種任務(wù)，同時(shí)硬件體積和重量在不斷縮小。在個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，空間飛行器飛行由大而重的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，如圖5和圖6所示。除了大尺寸之外，存儲(chǔ)器容量也很低。今天飛行器使用的機(jī)載軟件的指令數(shù)量大大減少，但能夠成功地管理各種任務(wù)。另一方面，空間飛行器機(jī)載軟件[7-8]規(guī)模在迅速增加，如源代碼行數(shù)從1968年太空飛行器使用的1000行增加到21世紀(jì)的百萬(wàn)行。地球人造衛(wèi)星目前可以管理通信和導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，處理大量的數(shù)據(jù)信息，這在早期設(shè)計(jì)人員看來(lái)難以想象。盡管太空飛行器技術(shù)在不斷進(jìn)步，但是航空電子系統(tǒng)需要面對(duì)并處理光和熱環(huán)境及各種輻射引起的諸多問(wèn)題。

圖5 Gemini型和Saturn型傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

圖6 “女神”探測(cè)器及航空電子系統(tǒng)

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)

航空和太空飛行器電子系統(tǒng)經(jīng)歷了不斷發(fā)展的過(guò)程，從最早的模擬電子設(shè)備、早期的計(jì)算設(shè)備演變到當(dāng)前高度集成的傳感器、處理器、控制器及通信設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)型。為了突出說(shuō)明航空和太空飛行器電子系統(tǒng)具有的共同特點(diǎn)，本研究概括論述通用系統(tǒng)平臺(tái)中包含的通用組成，并討論其中的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)；之后詳細(xì)討論了航空飛行器和太空飛行器電子系統(tǒng)的功能。

1 航空電子系統(tǒng)一般組成[9]

今天，所有的航空飛行器和太空飛行器航空電子系統(tǒng)都共享一套通用的基本航空電子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。如圖7所示，在中央位置具有1個(gè)或多個(gè)處理器，收集、處理和發(fā)布數(shù)據(jù)。一些數(shù)據(jù)完成本地存儲(chǔ)，其他數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線設(shè)備傳輸給地面，以及通過(guò)顯示設(shè)備顯示給飛行員。飛行器運(yùn)載系統(tǒng)可以包含單獨(dú)的航空電子系統(tǒng)，如無(wú)人機(jī)擁有的照相系統(tǒng)。飛行器處理器可以選擇備用方式直接控制運(yùn)載系統(tǒng)，如衛(wèi)星系統(tǒng)帶有的圖像和通信系統(tǒng)。

圖7 飛行器航空電子設(shè)備組成

處理設(shè)備包含嵌入式微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、可編程邏輯陣列單元（PAL）以及含有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）[8]的處理器，通過(guò)此操作系統(tǒng)，可以進(jìn)行人工編程。小型無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)使用含有微處理器的自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行飛行，而大型運(yùn)輸機(jī)包含復(fù)雜的微處理器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，處理器可以監(jiān)控和綜合管理所有的飛行器子系統(tǒng)。航空和太空飛行器擁有數(shù)據(jù)鏈以及導(dǎo)航無(wú)線電發(fā)射和接收設(shè)備，有人駕駛的飛機(jī)和太空飛行器也使用聲音通信設(shè)備。飛機(jī)和太空飛行器均有一組顯示和控制設(shè)備。當(dāng)然，無(wú)人駕駛飛機(jī)和太空飛行器沒(méi)有機(jī)載人機(jī)接口，依靠來(lái)自遠(yuǎn)程工作站提供的數(shù)據(jù)顯示和控制信息。

2 航空飛行器航空電子系統(tǒng)

數(shù)字航空電子系統(tǒng)裝備航空飛行器后，系統(tǒng)組成范圍包含從單一的自動(dòng)飛行系統(tǒng)到完整的飛行管理系統(tǒng)。圖8說(shuō)明基本子系統(tǒng)是通過(guò)單個(gè)或分布式處理器形成網(wǎng)絡(luò)集成與綜合（飛行控制計(jì)算機(jī)）。民用運(yùn)輸機(jī)使用的完整飛行管理系統(tǒng)包含圖8中所有的子系統(tǒng)，而一架小型無(wú)人機(jī)可能僅僅包含基于微處理器的自動(dòng)飛行系統(tǒng)，幾乎沒(méi)有對(duì)其他子系統(tǒng)的管理。

如上所述，系統(tǒng)無(wú)線電傳感器可以進(jìn)行有聲通信以及接收導(dǎo)航信號(hào)。數(shù)據(jù)鏈設(shè)備期望能夠成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，允許飛機(jī)接收氣象和交通信息，以及對(duì)其他飛機(jī)廣播傳輸其位置和飛行數(shù)據(jù)，比如通過(guò)ADS-B協(xié)議（自動(dòng)相關(guān)性廣播監(jiān)視協(xié)議）完成任務(wù)。座艙顯示方面，在玻璃座艙中使用LCD屏提供各種各樣的信息，范圍從傳統(tǒng)的速度、高度、姿態(tài)到系統(tǒng)狀態(tài)、交通和氣象。電傳控制方式已經(jīng)取代飛行員與控制設(shè)備之間的機(jī)械連接控制方式，它通過(guò)飛行控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生電信號(hào)，然后生成相應(yīng)的控制信號(hào)傳給激勵(lì)器。電傳控制方式可以減少大量的機(jī)械連接，并增加控制輸入信號(hào)校準(zhǔn)和使用的靈活度。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）包含IMU和GPS單元，它們能夠提供全部慣性位置和姿態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ADS）或大氣數(shù)據(jù)慣性參考系統(tǒng)（ADIRU）可以生成風(fēng)速矢量，包括風(fēng)速、攻角和側(cè)滑角測(cè)量值。自動(dòng)駕駛儀可以計(jì)算1條參考軌跡，遵守飛行計(jì)劃（導(dǎo)引指令），以及輸出指令給控制機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)，以使飛機(jī)按照軌跡飛行。機(jī)上飛行計(jì)劃制定者創(chuàng)建基于航路點(diǎn)的飛行計(jì)劃，并根據(jù)風(fēng)速預(yù)計(jì)出時(shí)間和油量需求。飛行計(jì)劃制定者要求提供指定的目的地或航路點(diǎn)清單，以及航空公司提供的優(yōu)選航路，這些都可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索得到。

航空電子系統(tǒng)目前支持機(jī)載交通防撞子系統(tǒng)（TCAS），它能夠自動(dòng)顯示和探測(cè)附近的交通狀況，然后按照需要建議飛行員執(zhí)行爬升/下降飛行，以避免碰撞。飛行員可以執(zhí)行、忽略或修改TCAS系統(tǒng)提出的方案，也可以遵守交通管制系統(tǒng)提出的備用方案。在當(dāng)前高密度的飛行空域中，防撞技術(shù)被視為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的技術(shù)。

如圖8所示，盡管“飛行控制計(jì)算機(jī)”處于集成狀態(tài)，但是現(xiàn)代飛行管理系統(tǒng)仍屬于高度分布的系統(tǒng)。雖然在座艙里有余度飛行控制計(jì)算機(jī)，但是具有監(jiān)視和控制作用的處理器分布于全機(jī)身。圖8中顯示了各種各樣的“管理”模塊，包括燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)、電源以及運(yùn)載管理模塊。每個(gè)模塊都由各自制造商提供，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)允許所有的處理模塊相互進(jìn)行通信。除確認(rèn)和驗(yàn)證軟件之外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須是高可靠性的、標(biāo)準(zhǔn)的。機(jī)載網(wǎng)絡(luò)過(guò)去依靠傳統(tǒng)總線連接，遵守ARINC標(biāo)準(zhǔn)和1553B標(biāo)準(zhǔn)；現(xiàn)在的航空電子系統(tǒng)則依靠無(wú)線或光纖連接，達(dá)到重量最小、高度綜合化的目標(biāo)。

圖8 航空飛行器航空電子系統(tǒng)組成

下面對(duì)大型航空飛行器典型航空電子系統(tǒng)加以分析[1-2]。

（1）波音787飛機(jī)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

波音787飛機(jī)是波音757/767家族的后續(xù)機(jī)型，采用了100M位/A664協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸方式，成為此飛機(jī)的航空電子“中樞”結(jié)構(gòu)。與空客A380選擇COTS產(chǎn)品數(shù)據(jù)總線類似，波音已選擇不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用于航空電子和飛機(jī)功能系統(tǒng)綜合。

波音787系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要航空電子系統(tǒng)功能和計(jì)算任務(wù)功能由兩個(gè)相同的計(jì)算資源機(jī)柜（CCR）分擔(dān)。這些機(jī)柜和飛行座艙、其余航空電子組件以及其他飛機(jī)系統(tǒng)形成接口，共同完成一系列功能，此功能與波音777飛機(jī)的信息管理系統(tǒng)（AIMS）功能相同。每個(gè)機(jī)柜包含4個(gè)通用處理模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和兩個(gè)光纖傳輸模塊，同時(shí)采納第三方供應(yīng)商提供的應(yīng)用模塊，如柯林斯公司提供的顯示處理模塊。

波音公司將多達(dá)20個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器（RDC）單元分布于飛機(jī)各個(gè)部分，完成模擬、離散和連續(xù)數(shù)字信號(hào)的采集功能，這些信號(hào)來(lái)自航空電子系統(tǒng)和飛機(jī)其他各系統(tǒng)的傳感器和受動(dòng)器。此外，還有多達(dá)20個(gè)遠(yuǎn)程分布式電源處理單元（RPDU），用于飛機(jī)各區(qū)域的用電負(fù)載設(shè)備。采用的方法是：在飛機(jī)各個(gè)區(qū)域分別布置傳感器、控制回路設(shè)備與電源設(shè)備。在某些條件下，單一功能LRU單元還用于某項(xiàng)功能，例如航空電子系統(tǒng)發(fā)電控制單元（GCU）。

波音787采用的雙余度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（CDN）使用A664協(xié)議，可以支持銅絞線和光纖接口，通信速度分別是10M/s位和100M/s位。

（2）空客A380飛機(jī)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

A380飛機(jī)是第一架大規(guī)模采用COTS技術(shù)的民用飛機(jī)，該技術(shù)被用于航空電子系統(tǒng)和飛機(jī)其他各系統(tǒng)的綜合與集成。即使A429、CAN等航空總線同時(shí)使用的條件下，A380仍采用100M位AFDX總線作為中央通信主干網(wǎng)絡(luò)。A380飛機(jī)結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)功能區(qū)域，并支持顯示以下：

·顯示單元： 8×彩色玻璃平板顯示設(shè)備；

· 座艙區(qū)域：綜合設(shè)備柜；

·動(dòng)力區(qū)域：綜合設(shè)備柜；

·應(yīng)用區(qū)域：綜合設(shè)備柜。

這些區(qū)域通過(guò)雙余度AFDX總線交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交聯(lián)，該網(wǎng)絡(luò)提供的高性能數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)遍布于全飛機(jī)。

圖9 波音787航電系統(tǒng)頂層組成圖

在AFDX總線網(wǎng)絡(luò)和IMA計(jì)算模塊之間的區(qū)間包含航空電子核心組成。22個(gè)相同的輸入和輸出處理模塊（CPIOMS）提供核心計(jì)算功能，它們相當(dāng)于3個(gè)MCU設(shè)備。CPIOM硬件設(shè)備總共由7個(gè)不同類型的子設(shè)備組成。

·CPIOMA：機(jī)柜（4）；

·CPIOMB：機(jī)柜（4）；

·CPIOMC：顯示和能源（2）；

·CPIOMD：顯示和能源（2）；

·CPIOME：能源，完成功能涉及電子系統(tǒng)（2）；

·CPIOMF：處理單元，完成功能涉及燃油系統(tǒng)（2）；

·CPIOMF：處理單元，完成功能涉及起落架系統(tǒng)（2）。

雖然各個(gè)CPIOM模塊細(xì)微之處有些不同，但都擁有一套相同的設(shè)計(jì)與支持工具。這些工具具有相似的組成部分，其主要差異是輸入/輸出（I/O）設(shè)置不同，這些設(shè)置因飛機(jī)子系統(tǒng)功能不同而不同。

特殊高度集成的子系統(tǒng)在核心航空電子系統(tǒng)之外工作，它們和核心航空電子系統(tǒng)形成接口。這些系統(tǒng)按功能劃分為：發(fā)電機(jī)控制單元；飛行控制系統(tǒng)；全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（FADEC）。

這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：共用公共核心模塊，跨越幾個(gè)功能區(qū)域；標(biāo)準(zhǔn)化處理單元；共用軟件工具、標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言；不需要多個(gè)專門(mén)的LRU單元，即使一些LRU單元可以單獨(dú)工作；能夠容納和使用特殊的接口；好處遍布整個(gè)飛機(jī)；改進(jìn)OEM操作手冊(cè)和航空公司后勤保障。

這些優(yōu)點(diǎn)使將來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體升級(jí)更方便。A380機(jī)型的AFDX/IMA設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被軍用運(yùn)輸機(jī)A400M機(jī)型采用，并且令人信服地應(yīng)用于A350XWB寬體客機(jī)機(jī)型。

（3）未來(lái)大型飛機(jī)航電系統(tǒng)解決方案。

近年來(lái)，大型飛機(jī)工程研發(fā)組織根據(jù)3個(gè)位于飛機(jī)中心區(qū)域相同的處理單元及數(shù)個(gè)分布于飛機(jī)各區(qū)域的遠(yuǎn)程輸入/輸出單元，已經(jīng)研發(fā)了一個(gè)典型的大型飛機(jī)航電系統(tǒng)組織及管理結(jié)構(gòu)。三余度IEEE1394數(shù)據(jù)總線正在使用，如圖10所示。

未來(lái)，大型飛機(jī)的航電系統(tǒng)解決宗旨及發(fā)展方向是：將采用綜合模塊化體系結(jié)構(gòu)和開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；將綜合地面更多的功能（空管、規(guī)劃、監(jiān)視、評(píng)估等功能），智能化程度更高；所有機(jī)載系統(tǒng)適用的技術(shù)將被認(rèn)為是最佳的技術(shù)選擇。

3 太空飛行器航空電子系統(tǒng)[3]

太空飛行器已經(jīng)比目前研制的航空飛行器具有集成度更高的系統(tǒng)構(gòu)型（見(jiàn)圖11）。在太空工作環(huán)境下，設(shè)備需要進(jìn)行防光和防熱保護(hù)，這樣太空飛行器系統(tǒng)設(shè)備的布置可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，處理技術(shù)也不能落后于航空飛行器。在地球上，假設(shè)計(jì)算機(jī)在基本數(shù)學(xué)計(jì)算方面不會(huì)犯錯(cuò)誤。在太空，光熱輻射可能會(huì)引起“浮點(diǎn)運(yùn)算”錯(cuò)誤，稱為單位取反。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，會(huì)造成不正確的計(jì)算結(jié)果，或改變存儲(chǔ)器中的數(shù)值。因此，軟件工程師在寫(xiě)代碼時(shí)必須考慮這種情況。使用計(jì)算冗余方法和錯(cuò)誤校驗(yàn)方法可檢測(cè)出這樣的事件，以保留正確結(jié)果。

圖10 大型飛機(jī)航電系統(tǒng)管理架構(gòu)圖

圖11 太空飛行器航空電子系統(tǒng)組成

結(jié)束語(yǔ)

航空電子系統(tǒng)正在大大提高人們的工作能力，面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的任務(wù)，可以更加安全和有效地操控飛行器系統(tǒng)平臺(tái)。小規(guī)模無(wú)人系統(tǒng)能夠可靠、自動(dòng)地工作，能夠被一般人員操縱；大規(guī)模系統(tǒng)造價(jià)昂貴，但是在傳感器、安全性和網(wǎng)絡(luò)方面已達(dá)到了前所未有的水平。本文總結(jié)了航空飛行器和太空飛行器的航空電子系統(tǒng)的演變過(guò)程，描述了一些方法，用以指導(dǎo)工作人員監(jiān)聽(tīng)和監(jiān)視這些飛行器。還有一些問(wèn)題，隨著航空電子系統(tǒng)不斷升級(jí)，研究人員正在逐漸解決。

隨著任務(wù)量越來(lái)越大，接收數(shù)據(jù)的容量限制、與地球作用距離限制、通信延遲等會(huì)對(duì)空間飛行器的任務(wù)執(zhí)行造成影響。以上技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)會(huì)推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步，不僅對(duì)操作者有幫助，而且會(huì)推動(dòng)空間飛行器平臺(tái)系統(tǒng)形成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這樣的技術(shù)進(jìn)步要求工程師和操作者不僅要理解本專業(yè)領(lǐng)域的基本原理，而且要理解和掌握各個(gè)系統(tǒng)之間的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證以及安全操作等知識(shí)。

[1] 金德琨.民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng).上海：上海交通大學(xué)出版社，2010：105-110.

[2] 伊恩·莫伊爾，阿倫·西布里奇.民用航空電子系統(tǒng).北京：航空工業(yè)出版社，2009： 50-55.

[3] Kayton.載人飛船航空電子系統(tǒng).IEEE,1989.

[4] Moir,Seabridge.軍用航空電子系統(tǒng).AIAA,2006.

[5] 斯比策 C R.數(shù)字航空電子系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，1992：150-155.

[6] 王勇領(lǐng).系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，1991： 90-95.

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[8] Dvorak D L. NASA飛行軟件復(fù)雜度研究.AIAA,2009.

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