大型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及大型飛機(jī)航電系統(tǒng)的基本組成

大型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

一、概述

大型飛機(jī)主要指大型民用客機(jī)、大中型軍用運(yùn)輸機(jī)和基于上述平臺(tái)升級(jí)改裝而來(lái)的預(yù)警機(jī)、加油機(jī)、反潛機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等大型特種飛機(jī)。大型飛機(jī)是現(xiàn)代航空航空武器裝備和航空運(yùn)輸體系的重要組成部分，它具有作戰(zhàn)/運(yùn)行半徑大、運(yùn)載能力強(qiáng)、可執(zhí)行多種類型任務(wù)、可適應(yīng)多種不同飛行環(huán)境等特點(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和現(xiàn)代航空運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。隨著我國(guó)運(yùn)20大型運(yùn)輸機(jī)和C919大型客機(jī)的首飛成功，我國(guó)在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。近年來(lái)，隨著通信、計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)步，航空電子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱航電系統(tǒng)）發(fā)展迅速，綜合化、智能化、模塊化水平不斷提高，已經(jīng)日益成為大型飛機(jī)不可或缺的組成部分，在保障大型飛機(jī)安全、可靠的完成相關(guān)任務(wù)中發(fā)揮著非常重要的作用。

二、大型飛機(jī)航電系統(tǒng)的基本組成

不同類型飛機(jī)根據(jù)其任務(wù)使命和應(yīng)用環(huán)境不同，其航電系統(tǒng)的組成、功能和配置有一定區(qū)別，但總體上看，航電系統(tǒng)主要功能是：在大型飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)其任務(wù)需要和環(huán)境特點(diǎn)，完成信息采集、任務(wù)管理、導(dǎo)航引導(dǎo)等基本飛行過(guò)程，為飛行機(jī)組提供基本的人機(jī)接口，確保飛行機(jī)組的態(tài)勢(shì)感知和飛機(jī)系統(tǒng)管控能力，使得飛行機(jī)組能夠及時(shí)、有效的管理和控制飛機(jī)安全、可靠的按照預(yù)定航跡飛行，高效的完成相關(guān)任務(wù)。一般來(lái)看，航電系統(tǒng)的基本組成包括：

?通信系統(tǒng)：主要承擔(dān)飛機(jī)與外部的話音和數(shù)據(jù)傳輸，確保飛機(jī)與地面之間建立穩(wěn)定、通信的通信聯(lián)絡(luò)；

?導(dǎo)航系統(tǒng)：通過(guò)多種導(dǎo)航傳感器實(shí)時(shí)采集并測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)各種監(jiān)視手段及時(shí)獲取危險(xiǎn)地形、惡劣氣象等飛行安全威脅信息，保證飛行的安全和經(jīng)濟(jì)；

?任務(wù)/飛行管理系統(tǒng)：根據(jù)飛機(jī)的實(shí)際任務(wù)需要，完成飛行過(guò)程中中的航跡預(yù)測(cè)、自動(dòng)控制和性能優(yōu)化等工作，確保飛機(jī)的飛行航跡和剖面能夠滿足執(zhí)行相關(guān)任務(wù)的需要；

?綜合顯示系統(tǒng)：為飛行機(jī)組提供全面、清晰、直觀的包括高度、航向、姿態(tài)、空速、地速、馬赫數(shù)、位置等在內(nèi)的飛行信息顯示，幫助飛行機(jī)組準(zhǔn)確及時(shí)地掌握飛行動(dòng)態(tài)和飛機(jī)工況，從而更加安全高效的完成飛行操作任務(wù)；

?核心處理系統(tǒng)：以核心任務(wù)處理計(jì)算機(jī)、機(jī)載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)等為基礎(chǔ)，完成機(jī)上相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的互聯(lián)互通，為各項(xiàng)系統(tǒng)任務(wù)提供基本的處理平臺(tái)；

?機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)：實(shí)時(shí)接收、匯總和分析機(jī)上各系統(tǒng)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和定位相關(guān)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備的故障狀況，從而有針對(duì)性的制定并采取相關(guān)的維護(hù)策略，從而保證飛機(jī)的可靠運(yùn)行。

一般的，現(xiàn)代大型飛機(jī)的航電系統(tǒng)的基本架構(gòu)如下所示：

圖1 大型飛機(jī)航電系統(tǒng)的典型組成架構(gòu)

三、大型飛機(jī)航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

航電系統(tǒng)是航空和電子兩大技術(shù)門類相結(jié)合的產(chǎn)物，伴隨著近年來(lái)兩大領(lǐng)域的快速進(jìn)步，航電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，主要的發(fā)展趨勢(shì)包括：

3.1綜合化、模塊化的系統(tǒng)體系架構(gòu)

隨著大型飛機(jī)所需遂行的各類任務(wù)日益增多和復(fù)雜，必須改變?cè)械南到y(tǒng)分立模式，采用綜合模塊化航電系統(tǒng)架構(gòu)（IMA，Integrated Modular Avionics），即：采用集中式的航電任務(wù)處理機(jī)作為信息處理平臺(tái)，在高可靠的機(jī)載數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的支持下，實(shí)現(xiàn)多種不同系統(tǒng)功能的信息采集、轉(zhuǎn)換、處理與應(yīng)用，從而將過(guò)去大量分立的系統(tǒng)設(shè)備轉(zhuǎn)化為了少量綜合化設(shè)備。目前，B787，A380/350等大型飛機(jī)都已采用這種架構(gòu)（如下圖所示）。在這一架構(gòu)下，系統(tǒng)大量使用標(biāo)準(zhǔn)化的外場(chǎng)可更換模塊（LRM，Lined Replaced Module），從而使得模塊的通用性提高，模塊類型減少，具備良好的故障檢測(cè)和隔離能力，同時(shí)可通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯(cuò)能力，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 A380飛機(jī)的綜合模塊化航電架構(gòu)

近年來(lái)。隨著航電系統(tǒng)綜合化、模塊化趨勢(shì)的不斷加劇，集中式的IMA架構(gòu)逐步向分布式綜合模塊化航電（DIMA）架構(gòu)發(fā)展。在這一架構(gòu)下，系統(tǒng)的處理、接入、網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)換資源按照飛機(jī)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行分布式部署，使得數(shù)據(jù)就近接入、信息就近處理、各系統(tǒng)的功能應(yīng)用就近執(zhí)行，克服了原有的IMA架構(gòu)中系統(tǒng)布線復(fù)雜、核心處理平臺(tái)負(fù)擔(dān)過(guò)重等問(wèn)題，代表了航電系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。

3.2高性能機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的逐漸應(yīng)用

機(jī)載總線用于實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)和模塊之間的數(shù)據(jù)交換。航空電子系統(tǒng)需要高帶寬、更高可靠性的數(shù)據(jù)通道，以滿足航電系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與可靠性的要求。相比于傳統(tǒng)的IEEE1553B總線和ARINC429總線，航空電子全雙工交換式以太網(wǎng) （AFDX ）基于 IEEE802.3以太網(wǎng)和TCP/IP通用原理, 利用商用貨架（COTS）網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)備間的數(shù)據(jù)高速通信，具有高帶寬、低延遲、鏈路冗余鏈接和糾錯(cuò)等特點(diǎn)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头?wù)質(zhì)量。目前，A380和波音787飛機(jī)都選擇該總線作為機(jī)上綜合化網(wǎng)絡(luò)，對(duì)飛機(jī)的飛行控制、駕駛艙、動(dòng)力、燃油、客艙、液壓、起落架等系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行互連。，其峰值傳輸速率達(dá)到100MB/s的水平，數(shù)據(jù)吞吐量較以往有了大幅提升。

3.3現(xiàn)代空中交通管理體系升級(jí)對(duì)于航電系統(tǒng)的新要求

為了適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)展的實(shí)際需要，滿足為了航空運(yùn)輸流量不斷增長(zhǎng)的實(shí)際需求，國(guó)際民航組織提出在飛機(jī)、空間和配套的地面設(shè)施3個(gè)環(huán)境中利用由衛(wèi)星和數(shù)字信息提供的先進(jìn)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)，來(lái)改善和提高空中監(jiān)視和空中交通管理能力，以解決現(xiàn)有大型客機(jī)的飛行安全性不良、容量低、效率低下等突出問(wèn)題，逐步形成了新航行體系。該體系的基本框架如下圖所示：

圖3 航行體系基本框架

新航行體系要求機(jī)載航電系統(tǒng)作出必要的升級(jí)以適應(yīng)未來(lái)空中交通管理的變化：在通信手段上，逐步從以話音通信為主過(guò)渡到以數(shù)據(jù)鏈通信為主；在導(dǎo)航手段上，逐步從陸基無(wú)線電導(dǎo)航方式過(guò)渡到以衛(wèi)星導(dǎo)航為主；在監(jiān)視手段上，逐步從雷達(dá)視距監(jiān)視過(guò)渡到以自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視和地形氣象監(jiān)視的綜合化機(jī)載監(jiān)視上來(lái)；從而使得飛機(jī)能夠在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更加高效、可靠與精確的運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知，進(jìn)而共同構(gòu)建安全、高效的空中交通運(yùn)行與管理體系。為了適應(yīng)新的要求，美空軍和海軍已開始要求Rockwell Collins等航電供應(yīng)商按照新航行體系的要求為包括C-130、E-2D在內(nèi)的多種飛機(jī)進(jìn)行現(xiàn)代化升級(jí)改裝。

3.4先進(jìn)的飛行管理系統(tǒng)逐步應(yīng)用

飛行管理系統(tǒng)（FMS）綜合了飛機(jī)上的導(dǎo)航、制導(dǎo)、自動(dòng)飛行控制、性能優(yōu)化、數(shù)據(jù)鏈管理等多種功能，飛行管理系統(tǒng)對(duì)于確保飛行安全和性能具有不可替代的作用：它通過(guò)各類導(dǎo)航傳感器和飛機(jī)導(dǎo)航、性能數(shù)據(jù)庫(kù)，估算并控制飛機(jī)按照最優(yōu)化的航跡飛行，從而起到減少航班延誤，改善飛行舒適度、降低飛機(jī)燃油排放，減輕飛行員的操作負(fù)擔(dān)的效果。飛行管理系統(tǒng)的主要組成如下所示：

圖4 飛行管理系統(tǒng)的基本組成

新一代飛行管理系統(tǒng)將不再簡(jiǎn)單的局限于對(duì)于飛機(jī)三維運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化，而是將逐步提高4維導(dǎo)航與運(yùn)行能力，即使得飛機(jī)可以與地面ATC管制中心共享飛機(jī)的精確航跡，實(shí)現(xiàn)空地協(xié)同控制，可以嚴(yán)格的航行時(shí)間要求，更加提高飛機(jī)運(yùn)行的精確性、安全性和可預(yù)測(cè)性。

3.5新型智能顯示技術(shù)不斷進(jìn)步

綜合顯示系統(tǒng)是大型飛機(jī)的的人機(jī)接口，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，綜合顯示系統(tǒng)將更加人性化和智能化，營(yíng)造更加直觀、簡(jiǎn)潔和高效的飛機(jī)駕駛艙，從而增強(qiáng)飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力和飛行操控能力。以波音787飛機(jī)為例，該飛機(jī)的駕駛艙內(nèi)則采用了5個(gè)大尺寸的AMLCD和2個(gè)平視顯示器（HUD），在進(jìn)近與著陸等關(guān)鍵飛行階段，這些顯示器能為飛行員提供從下視顯示器到平視顯示器的無(wú)縫隙信息遷移。同時(shí)，各顯示器可實(shí)現(xiàn)互換和互為備份，當(dāng)一臺(tái)顯示器故障時(shí)，其它顯示器可立即對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)切換重構(gòu)，保證飛行員的關(guān)鍵飛行參數(shù)顯示不中斷，從而確保飛行操控的安全性和連續(xù)性。

此外，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形和惡劣氣象對(duì)飛行安全帶來(lái)的威脅，進(jìn)一步提升大型飛機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力，綜合顯示系統(tǒng)將結(jié)合當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，將合成視景（SVS）、增強(qiáng)視景（EVS）、平視顯示（HUD）、自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別（ASR）等多種新技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，從而進(jìn)一步降低飛行員工作負(fù)擔(dān)，提升態(tài)勢(shì)感知能力。

四、相關(guān)建議

近年來(lái)，隨著我國(guó)大型飛機(jī)重大專項(xiàng)等一批重點(diǎn)工程的實(shí)施，我國(guó)在大型飛機(jī)航電領(lǐng)域取得了一批重大成就，但在關(guān)鍵裝備研發(fā)、系統(tǒng)集成驗(yàn)證、產(chǎn)品適航取證等方面與美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在著較大差距。為此，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮我自主飛機(jī)型號(hào)的帶動(dòng)作用，積極開展航電領(lǐng)域前沿技術(shù)的研究和探索，不斷強(qiáng)化航電系統(tǒng)的總體集成能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)我國(guó)對(duì)于這一領(lǐng)域的技術(shù)掌控能力；應(yīng)進(jìn)一步的加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，圍繞航電領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)附加值高和技術(shù)含量高的關(guān)鍵性產(chǎn)品，圍繞設(shè)計(jì)、研制、生成、驗(yàn)證和適航等核心環(huán)節(jié)下大力氣，形成我國(guó)自主可控的航電產(chǎn)品配套能力和產(chǎn)品譜系；應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)集成創(chuàng)新，應(yīng)積極借鑒和結(jié)合目前在人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，積極探索相關(guān)成果在航電領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用的可行途徑，從而牢牢把握未來(lái)航電系統(tǒng)的智能化趨勢(shì)，努力實(shí)現(xiàn)彎道超車。