大型飛機航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢

一、概述

大型飛機主要指大型民用客機、大中型軍用運輸機和基于上述平臺升級改裝而來的預警機、加油機、反潛機、電子戰(zhàn)飛機等大型特種飛機。大型飛機是現(xiàn)代航空航空武器裝備和航空運輸體系的重要組成部分，它具有作戰(zhàn)/運行半徑大、運載能力強、可執(zhí)行多種類型任務、可適應多種不同飛行環(huán)境等特點，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和現(xiàn)代航空運輸經濟中發(fā)揮著不可替代的重要作用。隨著我國運20大型運輸機和C919大型客機的首飛成功，我國在這一領域已經取得了重大進展。近年來，隨著通信、計算機、虛擬現(xiàn)實等相關技術的快速進步，航空電子系統(tǒng)（以下簡稱航電系統(tǒng)）發(fā)展迅速，綜合化、智能化、模塊化水平不斷提高，已經日益成為大型飛機不可或缺的組成部分，在保障大型飛機安全、可靠的完成相關任務中發(fā)揮著非常重要的作用。

二、大型飛機航電系統(tǒng)的基本組成

不同類型飛機根據其任務使命和應用環(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：在大型飛機運行過程中，根據其任務需要和環(huán)境特點，完成信息采集、任務管理、導航引導等基本飛行過程，為飛行機組提供基本的人機接口，確保飛行機組的態(tài)勢感知和飛機系統(tǒng)管控能力，使得飛行機組能夠及時、有效的管理和控制飛機安全、可靠的按照預定航跡飛行，高效的完成相關任務。一般來看，航電系統(tǒng)的基本組成包括：

?通信系統(tǒng)：主要承擔飛機與外部的話音和數據傳輸，確保飛機與地面之間建立穩(wěn)定、通信的通信聯(lián)絡；

?導航系統(tǒng)：通過多種導航傳感器實時采集并測量飛機運動信息，通過各種監(jiān)視手段及時獲取危險地形、惡劣氣象等飛行安全威脅信息，保證飛行的安全和經濟；

?任務/飛行管理系統(tǒng)：根據飛機的實際任務需要，完成飛行過程中中的航跡預測、自動控制和性能優(yōu)化等工作，確保飛機的飛行航跡和剖面能夠滿足執(zhí)行相關任務的需要；

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

?核心處理系統(tǒng)：以核心任務處理計算機、機載嵌入式實時操作系統(tǒng)和機載總線網絡等為基礎，完成機上相關系統(tǒng)設備的互聯(lián)互通，為各項系統(tǒng)任務提供基本的處理平臺；

?機載維護系統(tǒng)：實時接收、匯總和分析機上各系統(tǒng)提供的相關數據，及時發(fā)現(xiàn)、診斷和定位相關機載系統(tǒng)和設備的故障狀況，從而有針對性的制定并采取相關的維護策略，從而保證飛機的可靠運行。

一般的，現(xiàn)代大型飛機的航電系統(tǒng)的基本架構如下所示：

圖1 大型飛機航電系統(tǒng)的典型組成架構

三、大型飛機航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

航電系統(tǒng)是航空和電子兩大技術門類相結合的產物，伴隨著近年來兩大領域的快速進步，航電系統(tǒng)及其相關技術呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢，主要的發(fā)展趨勢包括：

3.1綜合化、模塊化的系統(tǒng)體系架構

隨著大型飛機所需遂行的各類任務日益增多和復雜，必須改變原有的系統(tǒng)分立模式，采用綜合模塊化航電系統(tǒng)架構（IMA，Integrated Modular Avionics），即：采用集中式的航電任務處理機作為信息處理平臺，在高可靠的機載數據總線網絡的支持下，實現(xiàn)多種不同系統(tǒng)功能的信息采集、轉換、處理與應用，從而將過去大量分立的系統(tǒng)設備轉化為了少量綜合化設備。目前，B787，A380/350等大型飛機都已采用這種架構（如下圖所示）。在這一架構下，系統(tǒng)大量使用標準化的外場可更換模塊（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和隔離能力，同時可通過系統(tǒng)重構，進一步增強了系統(tǒng)容錯能力，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 A380飛機的綜合模塊化航電架構

近年來。隨著航電系統(tǒng)綜合化、模塊化趨勢的不斷加劇，集中式的IMA架構逐步向分布式綜合模塊化航電（DIMA）架構發(fā)展。在這一架構下，系統(tǒng)的處理、接入、網絡、轉換資源按照飛機任務區(qū)域進行分布式部署，使得數據就近接入、信息就近處理、各系統(tǒng)的功能應用就近執(zhí)行，克服了原有的IMA架構中系統(tǒng)布線復雜、核心處理平臺負擔過重等問題，代表了航電系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。

3.2高性能機載數據網絡的逐漸應用

機載總線用于實現(xiàn)各子系統(tǒng)和模塊之間的數據交換。航空電子系統(tǒng)需要高帶寬、更高可靠性的數據通道，以滿足航電系統(tǒng)實時性與可靠性的要求。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 （AFDX ）基于 IEEE802.3以太網和TCP/IP通用原理, 利用商用貨架（COTS）網絡化技術來實現(xiàn)飛機設備間的數據高速通信，具有高帶寬、低延遲、鏈路冗余鏈接和糾錯等特點，提高了數據傳輸的可靠性和服務質量。目前，A380和波音787飛機都選擇該總線作為機上綜合化網絡，對飛機的飛行控制、駕駛艙、動力、燃油、客艙、液壓、起落架等系統(tǒng)的設備進行互連。，其峰值傳輸速率達到100MB/s的水平，數據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對于航電系統(tǒng)的新要求

為了適應現(xiàn)代航空發(fā)展的實際需要，滿足為了航空運輸流量不斷增長的實際需求，國際民航組織提出在飛機、空間和配套的地面設施3個環(huán)境中利用由衛(wèi)星和數字信息提供的先進通信、導航和監(jiān)視技術，來改善和提高空中監(jiān)視和空中交通管理能力，以解決現(xiàn)有大型客機的飛行安全性不良、容量低、效率低下等突出問題，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

新航行體系要求機載航電系統(tǒng)作出必要的升級以適應未來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渡到以數據鏈通信為主；在導航手段上，逐步從陸基無線電導航方式過渡到以衛(wèi)星導航為主；在監(jiān)視手段上，逐步從雷達視距監(jiān)視過渡到以自動相關監(jiān)視和地形氣象監(jiān)視的綜合化機載監(jiān)視上來；從而使得飛機能夠在運行過程中實現(xiàn)更加高效、可靠與精確的運行態(tài)勢感知，進而共同構建安全、高效的空中交通運行與管理體系。為了適應新的要求，美空軍和海軍已開始要求Rockwell Collins等航電供應商按照新航行體系的要求為包括C-130、E-2D在內的多種飛機進行現(xiàn)代化升級改裝。

3.4先進的飛行管理系統(tǒng)逐步應用

飛行管理系統(tǒng)（FMS）綜合了飛機上的導航、制導、自動飛行控制、性能優(yōu)化、數據鏈管理等多種功能，飛行管理系統(tǒng)對于確保飛行安全和性能具有不可替代的作用：它通過各類導航傳感器和飛機導航、性能數據庫，估算并控制飛機按照最優(yōu)化的航跡飛行，從而起到減少航班延誤，改善飛行舒適度、降低飛機燃油排放，減輕飛行員的操作負擔的效果。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)將不再簡單的局限于對于飛機三維運動的優(yōu)化，而是將逐步提高4維導航與運行能力，即使得飛機可以與地面ATC管制中心共享飛機的精確航跡，實現(xiàn)空地協(xié)同控制，可以嚴格的航行時間要求，更加提高飛機運行的精確性、安全性和可預測性。

3.5新型智能顯示技術不斷進步

綜合顯示系統(tǒng)是大型飛機的的人機接口，隨著相關技術的不斷進步，綜合顯示系統(tǒng)將更加人性化和智能化，營造更加直觀、簡潔和高效的飛機駕駛艙，從而增強飛行員的態(tài)勢感知能力和飛行操控能力。以波音787飛機為例，該飛機的駕駛艙內則采用了5個大尺寸的AMLCD和2個平視顯示器（HUD），在進近與著陸等關鍵飛行階段，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縫隙信息遷移。同時，各顯示器可實現(xiàn)互換和互為備份，當一臺顯示器故障時，其它顯示器可立即對顯示內容進行實時切換重構，保證飛行員的關鍵飛行參數顯示不中斷，從而確保飛行操控的安全性和連續(xù)性。

此外，為了應對復雜地形和惡劣氣象對飛行安全帶來的威脅，進一步提升大型飛機的環(huán)境適應能力，綜合顯示系統(tǒng)將結合當前虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實領域的最新技術成果，將合成視景（SVS）、增強視景（EVS）、平視顯示（HUD）、自動語音識別（ASR）等多種新技術進行綜合應用，從而進一步降低飛行員工作負擔，提升態(tài)勢感知能力。

四、相關建議

近年來，隨著我國大型飛機重大專項等一批重點工程的實施，我國在大型飛機航電領域取得了一批重大成就，但在關鍵裝備研發(fā)、系統(tǒng)集成驗證、產品適航取證等方面與美國和歐洲等發(fā)達國家還存在著較大差距。為此，應進一步發(fā)揮我自主飛機型號的帶動作用，積極開展航電領域前沿技術的研究和探索，不斷強化航電系統(tǒng)的總體集成能力，進一步實現(xiàn)我國對于這一領域的技術掌控能力；應進一步的加強關鍵技術攻關，圍繞航電領域內經濟附加值高和技術含量高的關鍵性產品，圍繞設計、研制、生成、驗證和適航等核心環(huán)節(jié)下大力氣，形成我國自主可控的航電產品配套能力和產品譜系；應進一步加強集成創(chuàng)新，應積極借鑒和結合目前在人工智能、云計算、物聯(lián)網、大數據、虛擬現(xiàn)實等領域的最新技術成果，積極探索相關成果在航電領域進行應用的可行途徑，從而牢牢把握未來航電系統(tǒng)的智能化趨勢，努力實現(xiàn)彎道超車。