任寶平，李 創(chuàng)

(航空工業(yè)第一飛機設計研究院，西安 710000)

0 引言

隨著航空技術的發(fā)展，飛機系統(tǒng)需要實時傳輸?shù)男畔⒘坎粩嘣黾?，對?shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸帶寬也提出了更高要求。飛機系統(tǒng)之前普遍通過有線網(wǎng)絡傳遞信息，例如ARINC664/AFDX，MIL-STD-1553B，ARINC429等總線網(wǎng)絡。有線網(wǎng)絡電纜需求數(shù)量巨大，A380-800飛機有約100 000根電纜，總長度約470 km，總質量超過5700 kg，固定電纜還需要專門的支架，電纜和支架的總質量達到7410 kg[1]。B787飛機的電纜長度約500 km，電纜和扎帶的總質量約7400 kg，約占全機質量的3%[2]。電纜不僅質量大，而且增加了飛機制造成本。受導線制約，每個系統(tǒng)新增接口都需要重新規(guī)劃布置導線，基礎設施的布線時間帶來了飛機設計的額外成本[3]。

波音和空中客車公司已經(jīng)開始在飛行娛樂系統(tǒng)中使用無線技術。NASA正在開展推進航空機載內部無線通信(WAIC)項目研究工作，設計全無線飛機[4]。美國塞斯納310R飛機的控制系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)使得質量減輕40.82 kg，航程增加10%[5]。

飛機設計人員需要考慮替代技術來解決導線問題，如采用無線網(wǎng)絡取代有線網(wǎng)絡。無線技術因不需要系統(tǒng)布線可以顯著減輕電纜和設備質量，減少線路老化等帶來的使用維護問題，降低火災風險，提高飛機的生存性和系統(tǒng)的可靠性，無線連接對于水、液壓油、煙、火等環(huán)境因素具有更好的耐受性。

飛機系統(tǒng)應用無線網(wǎng)絡技術必須考慮在高空惡劣環(huán)境下如何保證系統(tǒng)正常工作的問題，同時需要根據(jù)應用場景選擇不同的無線網(wǎng)絡方案，以滿足不同的需求。

本文總結了無線網(wǎng)絡技術的研究現(xiàn)狀，分析了無線網(wǎng)絡技術在飛機系統(tǒng)中的應用場景和技術挑戰(zhàn)，展望了未來應用發(fā)展趨勢，最后分析給出了不同應用場景對應可選的無線網(wǎng)絡方案。

1 無線網(wǎng)絡技術的研究現(xiàn)狀

1.1 貨架無線網(wǎng)絡技術研究現(xiàn)狀

貨架(COTS)無線網(wǎng)絡技術種類較多，包括IEEE 802.15.1(藍牙),IEEE 802.11a(Wi-Fi)，IEEE 802.11n(Wi-Fi)，ECMA-368，IEEE 802.15.4(Zigbee)，IEEE 802.15.3(UWB)等。表1對各種COTS無線網(wǎng)絡協(xié)議的特性進行了對比分析。文獻[6]介紹了IEEE 802.11 a/b/g協(xié)議在塞斯納172飛機無線飛行管理系統(tǒng)的開發(fā)和飛行測試情況，提出了基于ECMA-368的無線網(wǎng)絡是替代ARINC 664/AFDX網(wǎng)絡的首選技術；文獻[7]介紹了洛克希德·馬丁公司在編號為6282的F-16B試驗機上驗證了藍牙技術在預測與健康管理系統(tǒng)中的應用可行性；文獻[8]研究了IEEE 802.11n在客艙娛樂系統(tǒng)中的應用；文獻[9]研究了Zigbee在飛機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用；文獻[6]說明了Zigbee最適合在飛機WSN中應用；文獻[10]分析WAIC系統(tǒng)的無線電通信范圍在100 m以內，發(fā)射功率范圍為10～50 mW，IEEE 802.15.4(Zigbee)和IEEE 802.11a/g是最適合應用的技術；文獻[11]分析了藍牙，Zigbee，Wi-Fi等無線網(wǎng)絡技術在航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀；文獻[12]對UWB在飛機機艙環(huán)境下的使用進行了建模和仿真分析研究。

表1 無線網(wǎng)絡協(xié)議的特性比較表Table 1 Comparison of characteristics of wireless network protocols

1.2 新無線網(wǎng)絡技術研究現(xiàn)狀

1.2.1 ARINC822

ARINC822規(guī)范于2006年發(fā)布，其基于IP協(xié)議提供了停泊飛機與地面IP網(wǎng)絡無線通信的參考標準，采用半雙工的無線(基于射頻)通信方式，存在于機場(或在維修點)的網(wǎng)絡通信節(jié)點與飛機的網(wǎng)絡通信節(jié)點之間。提供IEEE 802.11a/b/g/n與以太網(wǎng)連接，或使用其他兼容的無線技術實現(xiàn)同樣的功能。文獻[13]給出了ARINC822的應用示例。

1.2.2 5G網(wǎng)絡

第五代移動通信技術(5G)具有超寬帶、海量連接、低時延、高可靠的特點。5G技術主要使用6 GHz以下和24 GHz以上(毫米波)兩個頻段，融合了多種先進的無線通信和網(wǎng)絡技術。通過毫米波技術可實現(xiàn)10 Gibit/s的短距離通信；采用大規(guī)模的多天線收發(fā)和波束賦型技術，成倍提升信道容量；依托新型多址技術，顯著提升頻譜效率與系統(tǒng)的接入容量。具有超高可靠、超低時延特點的5G通信技術是最有可能在飛機上得到廣泛應用的技術。文獻[14]給出了5G在航空裝備中的應用場景。

1.2.3 6G網(wǎng)絡

2019年11月，我國成立了第六代移動通信技術(6G)研發(fā)推進工作組和總體專家組，正式啟動6G工作。6G采用毫米波與太赫茲等技術，峰值最大傳輸速率達到1 Tibit/s。6G的顯著特征為全頻譜、全覆蓋、全應用、強智能、強安全。文獻[15]研究了6G技術在航空應用中頻譜認知智能管控的體系架構和關鍵技術。

1.2.4 可見光通信

可見光通信(Visible Light Communications，VLC)是一種光無線通信系統(tǒng)，通過調節(jié)用于照明的可見光(波長400～700 nm)來傳輸信息。VLC是一種短波通信技術，屬于視距模式，只要信道被遮擋信號就會中斷，減小了信息被竊取的概率。文獻[16]研究了可見光在飛機機艙無線通信系統(tǒng)中的應用。

1.2.5 量子通信

量子通信是量子信息科學的重要分支，利用量子態(tài)作為信息載體的全新通信技術。量子通信技術的安全性由“測量塌縮理論”、“海森堡測不準原理”和“量子不可克隆定律”的量子力學基本定律保證，具有理論上無條件安全的優(yōu)勢[17]。2016年8月16日中國研制的“墨子號”量子通信實驗衛(wèi)星發(fā)射升空，并已開展了量子衛(wèi)星通信實驗。

量子通信具有高效率和絕對安全的特性，雖然在飛機上的應用研究很少，但是應用前景廣闊。

2 應用場景及技術挑戰(zhàn)

2.1 應用場景

飛機系統(tǒng)按照工作時段可以分為空中工作(包括滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進近與著陸)和地面工作兩類；無線網(wǎng)絡按照是否參與系統(tǒng)閉環(huán)控制可以分為閉環(huán)和監(jiān)控兩類。組合之后有4類應用場景：地面-監(jiān)控、空中-監(jiān)控、地面-閉環(huán)、空中-閉環(huán)，每一類又包含多個具體的應用場景。

2.1.1 地面-監(jiān)控

飛機處于地面，無線網(wǎng)絡僅作為監(jiān)控設備的通信網(wǎng)絡，因此對無線網(wǎng)絡的可靠性和時延要求都不高。具體應用場景如下。

1) 地面維護。飛機維護數(shù)據(jù)需要從飛機上傳輸?shù)降孛嬲?，傳統(tǒng)方式是當飛機停泊后，地勤人員攜帶地面設備或者移動存儲盤與機載設備連接并下載數(shù)據(jù)，工作量大、耗時長。改用無線網(wǎng)絡之后，飛行維護數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡自動由機載設備傳輸?shù)降孛嬲驹O備，完成數(shù)據(jù)下載。

2) 地面監(jiān)控與測量。飛機部分地面檢查項目受到設備安裝空間狹小和接觸不方便的限制，地勤人員檢查費時費力。通過安裝無線傳感器，地勤人員采用無線接收設備可實現(xiàn)非接觸檢查。文獻[12]中提到的無線胎壓和剎車溫度測量已經(jīng)在B737MAX和C919飛機上得到應用。

3) 貨艙對講。軍用運輸機的貨艙較大，傳統(tǒng)方式下貨運人員通過固定話筒或者有線耳機與機組通話，通話時貨運人員工作受限，效率不高。采用藍牙無線技術，在貨艙內部間隔一定距離布置藍牙接收終端，貨運人員佩戴藍牙耳機可以一邊與機組對講，一邊工作。

4) 機載軟件遠程升級。機載軟件升級的傳統(tǒng)方式是將設備拆卸升級或者通過移動存儲盤插入到飛機特定設備上完成軟件升級。升級過程復雜，耗費大量人力和時間，容易出錯。機載軟件遠程無線升級是未來的發(fā)展方向。通過高安全的無線網(wǎng)絡把待升級的軟件直接傳輸?shù)斤w機系統(tǒng)軟件存儲單元中，可實現(xiàn)遠程升級。

2.1.2 空中-監(jiān)控

飛機處于空中，無線網(wǎng)絡僅作為監(jiān)控設備的通信網(wǎng)絡，因此無線網(wǎng)絡的可靠性要求高，時延要求不高。具體應用場景如下。

1) 客艙娛樂服務。傳統(tǒng)飛機客艙娛樂系統(tǒng)將固定音視頻內容存儲在系統(tǒng)終端的硬盤中，供乘客選擇。由于內容少、更新不及時、無法與互聯(lián)網(wǎng)連接，已經(jīng)不能滿足乘客需求。采用無線網(wǎng)絡技術可以實現(xiàn)系統(tǒng)終端與飛機固定服務器的無線連接，固定服務器通過專用設備與地面互聯(lián)網(wǎng)連接，保證乘客既可以上網(wǎng)，又能看到最新的音視頻內容。

2) 飛機狀態(tài)信息監(jiān)測。飛機的重要部件(如發(fā)動機、重要結構件、機翼載荷)在飛行過程中會產(chǎn)生大量的狀態(tài)信息，監(jiān)測并分析這些信息可以判斷飛機的健康狀態(tài)。傳統(tǒng)飛機受到布線困難的限制，僅能小部分監(jiān)測狀態(tài)信息。采用無線網(wǎng)絡技術可以解決布線困難的問題，在飛機上大量布置無線傳感器，增強飛機狀態(tài)信息監(jiān)測和健康診斷的能力。

2.1.3 地面-閉環(huán)

飛機處于地面，無線網(wǎng)絡參與系統(tǒng)閉環(huán)，因此對無線網(wǎng)絡的可靠性要求不高，時延要求高。

無線控制可應用在地面貨運系統(tǒng)。地面貨運系統(tǒng)是民用貨機和軍用運輸機完成裝卸貨任務的控制管理系統(tǒng)，包括吊車控制、絞車控制、導軌電控鎖控制、貨物信息識別等。傳統(tǒng)地面貨運系統(tǒng)采用線纜連接完成閉環(huán)控制，此類線纜的質量在飛行中消耗飛機的燃油，降低了飛機運營經(jīng)濟性。采用無線網(wǎng)絡控制技術去除線纜，可以減輕飛機質量、降低燃油消耗、提高經(jīng)濟性。

2.1.4 空中-閉環(huán)

飛機處于空中，無線網(wǎng)絡參與系統(tǒng)閉環(huán)，因此無線網(wǎng)絡的可靠性要求高，時延要求高。

飛機系統(tǒng)包含對飛機安全至關重要的閉環(huán)控制系統(tǒng)，比如飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)等。隨著技術的發(fā)展，飛機閉環(huán)控制系統(tǒng)也會逐漸向著無線技術方向發(fā)展，其演變過程見圖1。

圖1中右側紅色部分包括了WSN和無線主干網(wǎng)絡兩種應用場景。未來的應用將會先從WSN開始，過渡到主干網(wǎng)的備份應用，最終到主干網(wǎng)的全面替代。

圖1 傳統(tǒng)式、分布式、無線網(wǎng)絡分布式控制系統(tǒng)架構對比圖Fig.1 Comparison of traditional,distributed,and wireless network distributed control system architecture

文獻[18]提出了多飛行器協(xié)同任務過程中的本質是各飛行器間機載設備與資源之間的協(xié)同，采用機內有線高速主干網(wǎng)+機載網(wǎng)絡適配器+飛行器間低速無線網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)。當機內主干網(wǎng)被無線網(wǎng)絡替代之后，多飛行器之間的機載設備任務協(xié)同實現(xiàn)起來更容易，效果更好。

2.2 技術挑戰(zhàn)

無線網(wǎng)絡技術在飛機系統(tǒng)中實際應用較少，主要原因是面臨諸多挑戰(zhàn)。

1) 安全性(Safety)。安全性包括完整性(出現(xiàn)未檢測出的錯誤或者丟失的概率)和可用性(出現(xiàn)檢測出的錯誤或者丟失的概率)，飛機系統(tǒng)的完整性和可用性需滿足5E-10每飛行小時的要求。無線網(wǎng)絡的安全性不達標，無法在安全關鍵系統(tǒng)中應用。

2) 安保性(Security)。提高安保性就是為了避免有意的、未授權的電子交換或攻擊對飛機造成損害或者不良的后果。無線網(wǎng)絡技術需要采用更好的認證、加密等技術手段提高安保性，降低受攻擊概率及可能性。

3) 可靠性。飛機安全關鍵系統(tǒng)的可靠性要求不低于1E-9每飛行小時，滿足高可靠性指標要求是面臨的技術挑戰(zhàn)之一。

4) 抗干擾性。隨著航空通信空天地一體化的快速發(fā)展，頻譜間的干擾關系將從平面拓展到立體空間，在提高抗干擾能力方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

5) 適航性?，F(xiàn)有的適航規(guī)章不包含對無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的有關規(guī)定，需要制定相應的適航要求，包含安全性和安保性等新穎特點的規(guī)定，而且必須闡明網(wǎng)絡安全性威脅、商務威脅、信道干擾攻擊等內容。無線網(wǎng)絡技術缺乏相關技術保證、技術標準和參考資料[7]，適航取證面臨新的挑戰(zhàn)。

6) 超低時延。飛機安全關鍵系統(tǒng)的時延需要達到微秒級別。超低時延、超高可靠通信對于飛機尤為重要。

7) 頻譜共享、共存性。無線網(wǎng)絡技術包括多種頻譜，空間環(huán)境中對頻譜的需求量大。實現(xiàn)多頻段、多體制動態(tài)頻譜共享、共存面臨重大挑戰(zhàn)。

8) 供電和功耗。供電和功耗直接影響無線傳感器的生命周期，功耗應盡可能低，以確保系統(tǒng)的高能效；生命周期應盡可能長，以確保系統(tǒng)的經(jīng)濟性。無線傳感器的有源(電池提供)供電、無源(無電池)供電和射頻(RF)供電的技術發(fā)展非常重要。

9) 可測性。無線網(wǎng)絡技術必須具有通過試驗驗證的特性，該技術的測試項目、測試方法、測試手段都需要進一步規(guī)范。

3 應用實例與發(fā)展趨勢展望

3.1 應用實例

2008年灣流公司利用其G550先進飛行控制系統(tǒng)試驗臺進行了無線電傳(Fly-by-Wireless)控制系統(tǒng)的試驗。該公司利用無線電技術在試驗飛機的一個擾流板作動器和飛行計算機間建立了無線通道。這種無線電控制系統(tǒng)將進一步簡化電傳飛行控制系統(tǒng)的質量，減少出現(xiàn)故障的次數(shù)。雖然這種系統(tǒng)目前還不能作為主控模式，但在備份系統(tǒng)中可以應用[19]。

對于飛機系統(tǒng)中的飛行控制系統(tǒng)而言，備份系統(tǒng)的設計方案差異對飛機能力的影響很大。飛控系統(tǒng)傳統(tǒng)備份方案經(jīng)歷了機械式、模擬電路式、數(shù)字電路式發(fā)展，但這3種方式，或使飛機背負沉重的機械鋼索/拉桿，或使飛機背負同樣沉重的電纜。

國內目前尚未有飛機應用無線技術作為飛機控制系統(tǒng)的備份方案。因此，將無線技術作為控制系統(tǒng)備份系統(tǒng)的再備份，進行試驗、試飛驗證后，將技術成熟度提升至七級以上，再應用到備份系統(tǒng)為最佳途徑。

圖2為一種無線技術作為飛行控制系統(tǒng)備份系統(tǒng)的再備份方案，即無線應急備份控制系統(tǒng)。

圖2 無線應急備份控制系統(tǒng)Fig.2 Wireless emergency backup control system

3.2 發(fā)展趨勢展望

隨著空天地信息網(wǎng)絡一體化的發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術將實現(xiàn)空-空、空-地、空-天和機內等全領域的應用，是航空產(chǎn)業(yè)的下一場技術革命，其發(fā)展趨勢見圖3。機內WSN和機場無線寬帶已經(jīng)有少量應用案例，給飛機帶來了一定收益。未來飛機系統(tǒng)主干網(wǎng)被無線網(wǎng)絡替代將會給飛機帶來更大的收益。

圖3 無線網(wǎng)絡技術應用發(fā)展趨勢圖Fig.3 Development trend of wireless network technology application

采用技術指標和收益指標可以分析判斷各應用場景選配無線網(wǎng)絡技術的方案。

1) 技術指標包括：通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡容納的最大單元節(jié)點、安全性、保密性、供電與功耗。

2) 收益指標包括：減輕質量、減少人力、節(jié)約時間、提高效率、降低成本。

分析研究結果見表2。表2中應用時間按照近期5 a、中期10 a、遠期20 a劃分。

表2 根據(jù)應用場景選擇無線網(wǎng)絡技術的分析表Table 2 Analysis of wireless network technology selection based on application scenario

4 結論

無線網(wǎng)絡技術在飛機系統(tǒng)的廣泛應用將會減輕飛機質量，減少維護工作量，簡化系統(tǒng)復雜性，降低飛機在設計、生產(chǎn)、升級、維護和檢修等階段的成本。本文對比總結了無線網(wǎng)絡技術的特性，分析給出了無線網(wǎng)絡技術在飛機系統(tǒng)中的應用場景及技術挑戰(zhàn)，展望了未來發(fā)展趨勢，給出了應用場景匹配合適的無線網(wǎng)絡技術建議方案。

貨架無線網(wǎng)絡技術在飛機系統(tǒng)中正逐漸得到應用，新的無線網(wǎng)絡技術具有更適合應用的技術特點，未來的應用將會給飛機帶來巨大的收益，無線替代有線將是航空產(chǎn)業(yè)下一場技術革命。