魏 麟，祁美照，雷中洲，楊濟(jì)睿

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

作為民用航空中不可分割的部分，通用航空在發(fā)達(dá)國(guó)家擁有成熟的生產(chǎn)鏈，僅美國(guó)的通用飛機(jī)數(shù)量便達(dá)22.3萬，是全球總量的61.9%。我國(guó)通用航空器截至2021年3月數(shù)量為4 164，隨著通用航空的快速發(fā)展，通用航空領(lǐng)域擁有著巨大的市場(chǎng)潛力。作為通用飛機(jī)中處理各種信息的“大腦”，航電系統(tǒng)逐漸成為極為關(guān)鍵的系統(tǒng)組件之一。

航電系統(tǒng)包含著航空器中的不同電子設(shè)備且有著眾多子系統(tǒng)。其在各種數(shù)據(jù)總線的幫助下將多個(gè)航線可更換單元（LRU）交聯(lián)起來，各LRU能夠相對(duì)獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的部分功能，但又不是完全獨(dú)立的，系統(tǒng)的許多功能需要多個(gè)LRU協(xié)作才能完成。在G1000航電系統(tǒng)中，LRU中最為重要的便是集成電子組件GIA 63，GIA 63有效地將姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)GRS 77、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)GDC 74、發(fā)動(dòng)機(jī)/機(jī)身組件GEA 71等多個(gè)LRU通過RS-485與ARINC（429）數(shù)據(jù)總線交聯(lián)起來，并將處理的數(shù)據(jù)通過高速以太網(wǎng)傳遞給兩個(gè)顯示器GDU，即主飛行顯示器（PFD）和多功能顯示器（MFD）。

1 航電系統(tǒng)發(fā)展過程

按照航電系統(tǒng)的發(fā)展，可以將航電系統(tǒng)的發(fā)展階段分為分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式4個(gè)階段。

分立式航電系統(tǒng)：擁有數(shù)個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式且需要專業(yè)人員獨(dú)立地進(jìn)行操作控制。缺點(diǎn)是靈活性較差、專用性強(qiáng)且很難傳遞大量的信息。

聯(lián)合式航電系統(tǒng)：與分立式航電系統(tǒng)不同的是，聯(lián)合式的各個(gè)設(shè)備組件的操作控制結(jié)構(gòu)相同，初步完成了一定的模塊化設(shè)計(jì)。

綜合式航電系統(tǒng)：設(shè)備組件之間可以相互傳遞大量的信息，整個(gè)航電系統(tǒng)擁有了處理控制更多信號(hào)的能力。綜合式的優(yōu)勢(shì)是通過模塊化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)海量的數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化，總線的高速化且擴(kuò)展成本低[1]。不同設(shè)備組件的信號(hào)數(shù)據(jù)處理可以直接在系統(tǒng)內(nèi)部完成，降低了工作人員的負(fù)擔(dān)和出現(xiàn)人為失誤的可能性。而先進(jìn)綜合式階段，就是在綜合式的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)一步綜合化、集成化。

目前，美國(guó)的通用飛機(jī)數(shù)量占全球總量的61.9%，且能自主生產(chǎn)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)產(chǎn)品，例如Garmin公司的G1000系統(tǒng)、Honeywell公司的Primus Apex系統(tǒng)和L-3公司的SmartDeck系統(tǒng)等。單是Garmin公司的產(chǎn)品，便在世界上通飛航電的市場(chǎng)引領(lǐng)著全球通飛航電的發(fā)展，而G1000系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率更是達(dá)到近70%。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)搭載的航電系統(tǒng)產(chǎn)品雖有小部分是自主研發(fā)，但大部分是依賴進(jìn)口。

2 典型的通用飛機(jī)航電系統(tǒng)

高度集成化的航電系統(tǒng)涵蓋了計(jì)算機(jī)、傳感器、控制顯示裝置和LRU，是一次多學(xué)科的交叉與融合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代大部分航電系統(tǒng)逐步變得高度數(shù)字化、綜合模塊化和智能化，這種轉(zhuǎn)變有效提高了飛機(jī)的整體性能和飛行品質(zhì)。

2.1 G1000系統(tǒng)

在中小型通用飛機(jī)中，G1000系統(tǒng)的市占率較高。易于操作的飛行界面、對(duì)巨量信息的高效處理，有效降低了工作人員的負(fù)荷，提升了飛行品質(zhì)。由于電子顯示器的應(yīng)用，G1000系統(tǒng)的占地面積更小，操作起來更加輕便靈活。我國(guó)最近幾年進(jìn)口的訓(xùn)練機(jī)，如Cessna公司的172型飛機(jī)、鉆石公司的DA40與DA42型飛機(jī)，便搭載了G1000系統(tǒng)[2]。

G1000系統(tǒng)由多個(gè)LRU組成，包括顯示器GDU、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)GDC74、集成電子組件GIA 63/63W、姿態(tài)航向基準(zhǔn)組件GRS77、機(jī)身/發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器接口組件GEA71和應(yīng)答機(jī)GTX33等，并且安置大量的傳感器設(shè)備。這些LRU之間通過各種數(shù)據(jù)總線有著緊密而錯(cuò)綜復(fù)雜的協(xié)作關(guān)系，其中最為重要的是GIA 63/63W。塞斯納NAVIIIIG1000系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 塞斯納NAVIIIIG1000系統(tǒng)架構(gòu)

GIA 63/63W主要通過RS-232、RS-485、ARINC 429總線收集處理幾個(gè)主要LRU的數(shù)據(jù)，在后臺(tái)處理完成后通過高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)總線將這些數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給2個(gè)GDU并顯示給飛行員感知，以便更好地操縱飛機(jī)[3]。此外，系統(tǒng)內(nèi)部有3種信號(hào)方式：模擬、數(shù)字和離散信號(hào)。

2.2 SmartDeck系統(tǒng)

SmartDeck由L-3航空電子系統(tǒng)公司開發(fā)，是當(dāng)今眾多被稱為“玻璃駕駛艙”的系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功能齊全，可擴(kuò)展性高，安全性和可靠性也能得到保障，常搭載于高端公務(wù)機(jī)。

在通用航空領(lǐng)域中，G1000與SmartDeck的顯示器功能類似。SmartDeck的MFD提供發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)狀態(tài)，并且能夠以各種模式提供GPS移動(dòng)地圖和地形感知警告系統(tǒng)（TAWS）等。而MFD左側(cè)的PFD數(shù)據(jù)疊加在合成視覺顯示器，該顯示器包括地形、障礙物和來自L-3 Sky-Watch接收器的活動(dòng)交通，并且PFD放置有操控飛機(jī)的關(guān)鍵信息（包括空速、高度和垂直速度等）[4]。

SmartDeck的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。其核心設(shè)備包括：數(shù)據(jù)集中單元（DCU）、中央控制單元（CCU）、主飛行顯示器（PFD）、多功能顯示器（MFD）、傳感器參考系統(tǒng)（SRS）及飛行數(shù)據(jù)卡（FDC）。這些組件主要由雙冗余1394環(huán)網(wǎng)互聯(lián)，系統(tǒng)的可靠性得到大大提升[5-6]。此外，SmartDeck通過RS-422、RS-232和ARINC 429總線把傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)送給（DCU），然后這些數(shù)據(jù)經(jīng)過集中采集與處理后送入CCU、PFD和MFD并顯示給飛行員查看。

圖2 SmartDeck系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 G500系統(tǒng)

G500航電系統(tǒng)含有主要的飛行儀表、導(dǎo)航信息和移動(dòng)地圖，全部顯示在2個(gè)16.5 cm的LCD顯示屏GDU 620上。G500系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 G500系統(tǒng)架構(gòu)

作為一個(gè)較為先進(jìn)的技術(shù)電子套件，G500系統(tǒng)由數(shù)個(gè)航線可更換組件LRU組成，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。LRU采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)LRU都有一個(gè)或一組特定的功能，可以直接安裝在儀表盤后面，也能夠獨(dú)自安裝在一個(gè)電子艙。這種方式的設(shè)置使得G500系統(tǒng)的故障排除和維護(hù)得到簡(jiǎn)化，發(fā)生的故障可以被隔離到特定LRU。與G1000系統(tǒng)類似，G500系統(tǒng)是通過RS-232、RS-485、ARINC 429與高速以太網(wǎng)這些低成本高可靠性的常規(guī)總線處理各LRU數(shù)據(jù)[7]。

3 異同性和特點(diǎn)

在Garmin公司，G1000系統(tǒng)選擇了顯示和處理功能合二為一的GDU 1040作為綜合顯示器。綜合顯示器是系統(tǒng)處理核心，通過綜合無線電設(shè)備外接大氣、航姿和航管等外圍傳感器。與G1000系統(tǒng)不同的是，G500系統(tǒng)采用了GDU 620作為顯示器[8]。

G1000系統(tǒng)使得飛行員可以查看多種天氣信息，但所顯示的信息類型并不是根據(jù)飛行階段定制的，這增加了飛行員的負(fù)荷，而且飛行員每次只能看到1個(gè)天氣信息來源。從這個(gè)意義上說，其沒有很好地集成，信息也沒有被總結(jié)。

SmartDeck系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)的衛(wèi)星天氣，并且還能夠通過點(diǎn)擊屏幕上的項(xiàng)目直接查詢數(shù)據(jù)信息。此外，SmartDeck系統(tǒng)應(yīng)用了畫中畫顯示和彈出窗口，能夠一次獲取并顯示多種類型的天氣信息。然而，SmartDeck沒有給出如何避免天氣危害的建議和關(guān)于天氣信息確定性的指示[9]。

在G1000系統(tǒng)中，維系正常運(yùn)行最重要的總線分別是：RS-232串行總線、RS-485串行總線及ARINC 429數(shù)據(jù)總線。RS-232串行總線盡管能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，但這種方法無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的效果；RS-485串行總線采用了差分信號(hào)傳輸，故RS-485的抗干擾性能好，通信距離也比RS-232遠(yuǎn)；而ARINC 429總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。因?yàn)锳RINC 429非集中控制、隔離性好的特性和單向布線方式，使得ARINC 429總線的抗干擾性強(qiáng)、傳輸可靠性和安全性都比較高。G500系統(tǒng)采用的總線與G1000系統(tǒng)相同。

SmartDeck系統(tǒng)采用的RS-422、RS-232和ARINC 429總線把數(shù)據(jù)信息傳送給DCU，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過集中采集與處理后送入CCU、PFD和MFD。雖然RS-422與RS-485都是以差動(dòng)方式發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，兩者電氣性能也是一樣的，但RS-422是全雙工，支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信，而RS-485是半雙工。

4 通用飛機(jī)航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

1）經(jīng)濟(jì)性：因?yàn)橘Y源分配的需求以及對(duì)機(jī)載平臺(tái)尺寸、重量和功率的考慮，要降低運(yùn)行成本和所需物理資源的壓力[10]。研發(fā)和維修成本決定了市場(chǎng)的反應(yīng)，故在保障安全和功能的條件下，需要盡可能地降低成本。

2）智能化：由于人工智能的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)，自動(dòng)飛行控制和警報(bào)可以逐步應(yīng)用到通用飛機(jī)中，這將進(jìn)一步減少工作人員的工作量，提高飛行員的舒適度，降低飛行員操作的復(fù)雜度[11]。

3）分布式集成模塊化：通過分布式集成技術(shù)、混合關(guān)鍵任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)容錯(cuò)調(diào)度和時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制的設(shè)計(jì)，能夠使系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)性大幅提高。分布式綜合模塊化將會(huì)是處理資源分配方式的重大改變[12]。

4）高可靠性：航空電子系統(tǒng)在惡劣的物理環(huán)境下運(yùn)行，高可靠性意義重大，且與飛機(jī)本身的安全性密切相關(guān)。在極為關(guān)鍵的航空電子系統(tǒng)中，任何微小的錯(cuò)誤都可能造成不可挽回的損失。為了保證飛行任務(wù)能夠安全穩(wěn)定地完成，即使系統(tǒng)發(fā)生故障，也必須采用一定的方法來提高系統(tǒng)可靠性。

5 結(jié)束語

隨著通用航空的快速發(fā)展，航電系統(tǒng)逐漸發(fā)展為通用飛機(jī)中極為關(guān)鍵的系統(tǒng)組件并融合了多學(xué)科交叉，綜合模塊化、智能化程度得到不斷提高，持續(xù)涌現(xiàn)的新技術(shù)也推動(dòng)通飛航電的研究實(shí)現(xiàn)飛躍性的突破。此外，對(duì)于通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的深入研究，有助于找到安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)，縮小我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在航電領(lǐng)域的差距。