大型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢

一、概述

大型飛機(jī)主要指大型民用客機(jī)、大中型軍用運輸機(jī)和基于上述平臺升級改裝而來的預(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(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，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和現(xiàn)代航空運輸經(jīng)濟(jì)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(jī)和C919大型客機(jī)的首飛成功，我國在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。近年來，隨著通信、計算機(jī)、虛擬現(xiàn)實等相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)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(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)運行過程中，根據(jù)其任務(wù)需要和環(huán)境特點，完成信息采集、任務(wù)管理、導(dǎo)航引導(dǎo)等基本飛行過程，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)勢感知和飛機(jī)系統(tǒng)管控能力，使得飛行機(jī)組能夠及時、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)：通過多種導(dǎo)航傳感器實時采集并測量飛機(jī)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(jīng)濟(jì)；

?任務(wù)/飛行管理系統(tǒng)：根據(jù)飛機(jī)的實際任務(wù)需要，完成飛行過程中中的航跡預(yù)測、自動控制和性能優(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)確及時地掌握飛行動態(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)處理計算機(jī)、機(jī)載嵌入式實時操作系統(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，為各項系統(tǒng)任務(wù)提供基本的處理平臺；

?機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)：實時接收、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

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，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(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，必須改變原有的系統(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，在高可靠的機(jī)載數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的支持下，實現(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(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯能力，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。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(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、核心處理平臺負(fù)擔(dān)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(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的逐漸應(yīng)用

機(jī)載總線用于實現(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(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)來實現(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等特點，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)，對飛機(jī)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(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對于航電系統(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(jī)、空間和配套的地面設(shè)施3個環(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)作出必要的升級以適應(yīng)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(shù)據(jù)鏈通信為主；在導(dǎo)航手段上，逐步從陸基無線電導(dǎo)航方式過渡到以衛(wèi)星導(dǎo)航為主；在監(jiān)視手段上，逐步從雷達(dá)視距監(jiān)視過渡到以自動相關(guān)監(jiān)視和地形氣象監(jiān)視的綜合化機(jī)載監(jiān)視上來；從而使得飛機(jī)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(jìn)而共同構(gòu)建安全、高效的空中交通運行與管理體系。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(dǎo)航傳感器和飛機(jī)導(dǎo)航、性能數(shù)據(jù)庫，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)將不再簡單的局限于對于飛機(jī)三維運動的優(yōu)化，而是將逐步提高4維導(dǎo)航與運行能力，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，實現(xiàn)空地協(xié)同控制，可以嚴(yán)格的航行時間要求，更加提高飛機(jī)運行的精確性、安全性和可預(yù)測性。

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，營造更加直觀、簡潔和高效的飛機(jī)駕駛艙，從而增強(qiáng)飛行員的態(tài)勢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個大尺寸的AMLCD和2個平視顯示器（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縫隙信息遷移。同時，各顯示器可實現(xiàn)互換和互為備份，當(dāng)一臺顯示器故障時，其它顯示器可立即對顯示內(nèi)容進(jìn)行實時切換重構(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)對復(fù)雜地形和惡劣氣象對飛行安全帶來的威脅，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)實和增強(qiáng)現(xiàn)實領(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）、自動語音識別（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)勢感知能力。

四、相關(guān)建議

近年來，隨著我國大型飛機(jī)重大專項等一批重點工程的實施，我國在大型飛機(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)集成驗證、產(chǎn)品適航取證等方面與美國和歐洲等發(fā)達(dá)國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)型號的帶動作用，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)一步實現(xiàn)我國對于這一領(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、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(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、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等領(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，從而牢牢把握未來航電系統(tǒng)的智能化趨勢，努力實現(xiàn)彎道超車。