民用飛機綜合監視系統架構及趨勢研究

李偉 鄭智明

摘 要：集成化和模塊化是現代民用飛機航空電子系統的重要發展趨勢。綜合監視系統將航空電子系統中的氣象監視、地形監視和交通監視功能集成，從而使得綜合監視系統能夠獲得相對于傳統監視系統更小的設備體積和更低的功率消耗。該文介紹了民用飛機綜合監視系統架構，并對其發展趨勢進行研究，對于指導民用飛機綜合監視系統設計具有參考意義。

關鍵詞：綜合監視系統 氣象雷達 交通告警和防撞系統 地形提示與告警系統

中圖分類號：V243.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0015-03

1 系統概述

在現代民用航空電子系統中，監視功能主要包括對氣象的監視、對地形的監視以及對交通狀態的監視。

氣象監視功能由氣象雷達實現，由氣象雷達天線、驅動、收發機和處理機組成。其中，氣象雷達天線將雷達發射機產生的射頻信號向前輻射并接收氣象回波信號，驅動裝置控制天線的掃描運動，收發機產生射頻信號并通過平板天線輻射，同時負責接收天線接收的氣象回波信號后放大并轉化為數字信號后傳遞給處理機，處理機將數字化的氣象回波信號處理計算，并將氣象圖像發送到顯示告警系統進行顯示并向機組提供必要的告警。目前主流的氣象雷達功能包括氣象探測、紊流探測、地形探測和預測型風切變等功能，主要的輸入信號來自慣性基準系統、大氣數據系統、無線電高度表、全球定位系統、地形提示與告警系統 起落架系統等。

地形監視功能由地形提示與告警系統（TAWS）提供，主要包括傳統的近地警告系統功能（GPWS）、基于地形數據庫的預測型地形功能，以及反應型風切變功能，其主要架構包括地形數據庫（包括地形數據、障礙物數據、機場數據和跑道數據等）、告警包線、運算處理單元等組成，集成于單獨的LRU中。地形提示與告警系統利用全球定位系統、慣性基準系統、無線電高度表、大氣數據系統等系統提供的輸入數據計算飛機位置、高度等，并與地形數據庫中的數據進行對比，從而計算出飛機與地形發生碰撞的危險，并通過目視與音響系統將撞地風險向飛行機組發出告警。

交通監視功能由交通告警和防撞系統（TCAS）和應答機的詢問和應答協同工作提供：交通告警和防撞系統向附近空域中的其他飛機的應答機發出詢問，并接收其回復的相應飛機的高度、速度、垂直速度和航向等數據，并結合該機數據進行計算，以判斷是否存在撞機危脅；該機應答機回復其他飛機或地面交通管制臺發出的詢問信號，并與其他飛機協調避讓策略。另外，廣播式自主相關監視系統（ADS-B）作為交通監視未來的發展趨勢，也在民用航空領域中得到積極的推動，而在目前的過度階段，交通告警和防撞系統與應答機分別實現了ADS-B功能的接收（ADS-B IN）和發射（ADS-B OUT）功能。

隨著航電技術的發展，主流的航電系統供應商將傳統的氣象監視、地形監視和交通監視功能進行集成，形成了多功能的綜合的監視系統。

2 綜合監視系統架構

集成化和模塊化是現代民用飛機航空電子系統的重要發展趨勢。由于地形監視、氣象監視和交通監視的相似輸入（如位置、航向、氣壓高度、飛機姿態、中地狀態、空速以及地速等），因此，將這幾個功能進行集成可以提高航電系統的利用效率；同時，根據DO-254要求，不同的研制保障等級的硬件和軟件有不同的設計和研制要求，如果將研制保障等級差異過大的功能進行集成，有可能大大增加開供應商的開發成本，因此，進行集成還需要考慮到各個功能的研制保障等級，而民用飛機中地形監視、氣象監視和交通監視功能一般定義為C級的研制保障等級，相同的研制保障等級為幾項監視功能的集成提供了基礎。因此，在現代最新的民用飛機航電系統中將以上的監視功能進行集成，通過模塊化設計，組成綜合監視系統，提高了航電網絡的利用效率，減輕航電系統設備重量，減小設備體積。

對于綜合監視系統的設計，目前主流的航電系統供應商通常將三種監視功能集成于同一LRU（綜合監視計算機）中，三種監視功能分別駐留于單獨的功能模塊（板卡）中，氣象雷達功能中的天線組件、驅動組件和收發機模塊安裝于雷達罩內部，由綜合監視計算機進行供電，并通過光纖或電纜與綜合監視計算機中的氣象雷達處理模塊進行通信。

由于在民用飛機運行要求中規定，運輸類的民用飛機必具備兩套TCAS和應答機功能，因此，在綜合監視系統中需要具備兩套TCAS和應答機功能，兩套交通監視功能可通過天線切換開關切換/共享的頂部和底部交通監視天線組件；另外，氣象雷達功能為飛機飛行過程中經常使用到的功能，且氣象雷達收發機、驅動裝置等組件均安裝于雷達罩內，屬于非環控區域，設備的工作環境相對比較惡略，比較容易發生故障，因此航空公司對多套氣象雷達的配置具有較大的需求，目前主流的綜合監視系統供應商可提供多套的氣象雷達配置，將雙套的氣象雷達收發機模塊安裝于驅動單元兩側，并分別與兩套綜合監視計算機中的氣象雷達處理單元進行連接，通過共用驅動單元和平板天線的形式實現了雙套氣象雷達配置；另外，TAWS功能也可以根據航空公司的要求選擇單套或者雙套的配置。目前Boeing 787和Airbus 380均采用了上述的綜合監視系統架構。其架構如圖1所示，圖中虛線部分為可根據客戶要求進行選裝的功能模塊。

在上述的綜合監視系統架構中，由于綜合監視系統采用了高的集成設計，因此造成了整個綜合監視系統設備均需要由特定的供應商提供，而這種情況恰恰限制了綜合監視系統的客戶個性化的要求，特別是不同供應商之間差異化較大的氣象雷達。因此，部分的綜合監視系統方案中將氣象雷達設備從綜合監視計算機中獨立出來，只將地形監視和交通監視功能集成于獨立的LRU中，而氣象雷達設備由客戶進行先擇，進而進行系統集成。Airbus 330飛機安裝的T3CAS系統即采用了上述的綜合監視架構。

3 基于IMA的綜合監視系統架構

IMA平臺是一個共享硬件和軟件資源的通用平臺。IMA平臺本身不提供飛機級功能，它為飛機功能提供包含數據計算、數據傳輸和數據轉換在內的資源功能，以及包含健康監控、故障管理等功能的支持功能。這里所說的飛機功能指的是駐留在應用 和駐留功能。駐留應用是駐留在IMA平臺內并執行一定飛機功能的軟件。駐留功能是使用IMA平臺的飛機功能。

集成化和模塊化是現代民用飛機航空電子系統的重要發展趨勢，IMA平臺做為飛機數據處理了交換的中樞，其也越來越多的承擔了飛機其他功能應用程序的駐留任務，但是，由于目前技術能力的限制和民用飛機高運行安全性的要求，IMA平臺無法滿足高研制保障等級的功能適航要求，而地形監視、氣象監視和交通監視功能的研制保障等級相對較低，因此可以考慮利用IMA平臺的軟件駐留能力，以進一步提高航電系統的集成化。同時，由于IMA平臺本身使是飛機各個系統數據交換的中心，因此，將部分應用軟件駐留在IMA平臺中，可以有效的減小綜合監視功能與其他系統數據傳輸的延時，提高數據的及時性，尤其對于交通監視功能格外重要。

IMA平臺只能駐留綜合監視功能數據處理、計算相關的應用軟件模塊，因此對于需要射頻的功能依然需要依賴外部的射頻模塊以及相應的天線組件，如同綜合監視監視系統中的氣象雷達收發機模塊、天線組件與氣象雷達的綜合監視計算機之間的關系。另外，由于在IMA平臺中存在其他應用的駐留，因此，在系統設計過程中可以考慮與其他系統共用軟件模塊，例如在綜合監視功能中可以考慮將TAWS的地形數據庫模塊與飛行管理系統的地形數據進行共用。基于IMA平臺的綜合監視系統架構如圖2所示。

在以上的綜合監視系統架構中，將綜合監視功能的所有計算處理功能以軟件模塊的形式駐留在IMA平臺中，僅將交通監視功能的射頻模塊和氣象探測功能的收發機兩個射頻模塊獨立硬件，這樣的架構充分利用了IMA平臺的計算處理能力。在精典的綜合監視系統架構中，其他飛機系統的輸入信號要通過飛機數據網絡（即IMA平臺的一部分功能）傳遞至綜合監視計算機單元，而基于IMA架構的綜合監視功能省去了信號的二次傳輸，直接提高了數據的傳輸速度以及相關的可靠性和完整性指標。

對于基于IMA平臺的功能架構，傳統的系統供應商將不再提供完整的軟件、硬件設備，而只需要提供駐留于IMA平臺下的功能應用，因此，在此架構下，飛機主制造商的系統集成能力和適航驗證能力將受到極大的考驗，依然需要進行不斷的研究和積累。

4 結語

隨著航空電子技術的日益發展，綜合化、模塊化和集成化已經成為了航電系統發展趨勢，航空電子系統設備重量越來越小，功能起來越低。氣象監視、地形監視和交通監視由于其相似的輸入輸出以及相似的功能等級，綜合監視系統的概念也隨即提出，并且綜合監視系統的相關RTCA/DO和ARINC標準也已經發布，并在世界主流的主制造商中應用。另外，隨著航電系統IMA平臺的發展，其軟件駐留能力也越來越受到了重視，而選擇將綜合監視功能與IMA平臺相結合，將進一步提高航電系統軟件和硬件的利用率，進一步提高航電系統的綜合化了和集成化。

參考文獻

[1]ARINC 768-2-2011， Integrated Surveillance System [S].Specification of Aeronautical Radio Inc，2011.

[2]FAAR Part 25， Airworthiness Standards： Transport Category Airplanes [S].1970.

[3]CCAR-121-R4， Certification Regulation for commonality aviation carrier of large-scale transport category airplane [S].1999.

[4]RTCA/DO-317AMinimum Operational Performance Standards for Aircraft Surveillance Applications （ASA） System [S].2011.

[5]RTCA/DO-254， Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware is a document providing guidance for the development of airborne electronic hardware [S].RTCA Incorporated，2005.