面向民用直升機(jī)的航電系統(tǒng)架構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

朱兗植

(中國航空無線電電子研究所，上海 200241)

0 引言

民用直升機(jī)航電系統(tǒng)隨著航空電子技術(shù)的更新?lián)Q代，經(jīng)歷了從分立式儀表到聯(lián)合式航電系統(tǒng)的發(fā)展，再逐步過渡到先進(jìn)的綜合模塊化航空電子系統(tǒng)架構(gòu)[1]。在日新月異的需求的牽引下，民用直升機(jī)航電系統(tǒng)往更開放的系統(tǒng)架構(gòu)、高安全性設(shè)計(jì)、更好的人機(jī)交互體驗(yàn)方向發(fā)展。國內(nèi)的民用直升機(jī)市場具備廣闊的增長空間，但目前受國外技術(shù)管控、研發(fā)成本、商業(yè)模式等因素的影響，國內(nèi)民用直升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展得不成熟、不均衡。當(dāng)前國內(nèi)民用直升機(jī)的航電系統(tǒng)多以聯(lián)合式系統(tǒng)架構(gòu)為主，其功能性能與國外先進(jìn)機(jī)型存在一定差距，仍具有較大的改進(jìn)空間[2]。

民用直升機(jī)航電系統(tǒng)對于飛行管理功能的需求很強(qiáng)烈，一方面飛行管理系統(tǒng)(FMS)能結(jié)合多傳感器導(dǎo)航，增強(qiáng)直升機(jī)符合民航運(yùn)行要求的能力，提高飛行過程中的導(dǎo)航精度和系統(tǒng)的安全性；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)高度自動化飛行，符合國外先進(jìn)民用直升機(jī)操作風(fēng)格，降低機(jī)組工作負(fù)荷，進(jìn)一步保障飛行安全；同時(shí)能提供最佳飛行剖面的引導(dǎo)，可以降低油耗，改善經(jīng)濟(jì)性[3]。如何在現(xiàn)有架構(gòu)基礎(chǔ)上完善飛行管理系統(tǒng)的功能，成為民用直升機(jī)迫切需要解決的問題。

1 航電系統(tǒng)現(xiàn)有架構(gòu)剖析

以國產(chǎn)某型民用直升機(jī)為例，其航電系統(tǒng)由綜合顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛參及音頻記錄系統(tǒng)、機(jī)電管理系統(tǒng)等分系統(tǒng)或設(shè)備組成。該型機(jī)航電系統(tǒng)具備典型的聯(lián)合式航電系統(tǒng)特點(diǎn)，配備了4臺10英寸的有源矩陣液晶顯示器，以ARINC429和RS422總線為主要數(shù)據(jù)傳輸載體，依靠兩臺綜合顯示處理機(jī)(IDP)作為外系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)和處理中心，控制顯示單元(CDU)作為主要人機(jī)交互接口，用于實(shí)施飛行計(jì)劃和操作控制，有效地減少飛行員和機(jī)組的操作負(fù)荷，提升人機(jī)交互水平(圖1)。

綜合顯示系統(tǒng)是該型直升機(jī)航電系統(tǒng)的核心分系統(tǒng)之一，主要承擔(dān)飛行信息的顯示、分系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收和處理、外部系統(tǒng)控制交互、飛行航線制定、參數(shù)設(shè)置等主要功能。通信系統(tǒng)包括短波電臺、超短波電臺，用于飛行機(jī)組與地面之間的通信服務(wù)。導(dǎo)航系統(tǒng)包括組合導(dǎo)航、光纖航姿、無線電高度表、自動定向儀、組合接收設(shè)備等設(shè)備用于提供直升機(jī)的導(dǎo)航服務(wù)。該型機(jī)配備多普勒雷達(dá)和氣象雷達(dá)，用于天氣預(yù)測及搜索救援。

圖1 原有航電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 航電系統(tǒng)升級需求捕獲和分析

2.1 國外同類型機(jī)型航電系統(tǒng)分析

國外與該型機(jī)類似的直升機(jī)有阿古斯塔-韋斯特蘭公司的AW101直升機(jī)、西科斯基公司的S-76直升機(jī)以及歐直公司的EC225直升機(jī)等。表1對這幾款直升機(jī)的航電系統(tǒng)進(jìn)行簡略分析。

從表1中可以看出，該型機(jī)航空電子系統(tǒng)與目前國外同類型民用直升機(jī)無論是性能上還是功能上都存在一定差距，主要有以下幾個(gè)方面：

其一，具備先進(jìn)的有源矩陣液晶屏，但顯示性能有待改善，顯示內(nèi)容相對單一，綜合顯示系統(tǒng)在功能和性能上有待提升；

其二，無監(jiān)視相關(guān)的應(yīng)用功能，TCAS、TAWS等應(yīng)用缺少；

其三，沒有裝備飛行管理計(jì)算機(jī)或者飛行管理功能模塊，不具備完整的飛行管理系統(tǒng)功能。

該型機(jī)僅能處理簡單的飛行計(jì)劃制定、航路點(diǎn)修改與顯示、航線數(shù)據(jù)庫管理、航段引導(dǎo)等任務(wù)，缺少標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)離場程序、航線偏置等飛行計(jì)劃管理功能。

該型機(jī)不具備完備的數(shù)據(jù)庫管理能力，缺少性能計(jì)算與預(yù)測、綜合導(dǎo)航管理等功能，導(dǎo)航精度有待提升，缺乏最優(yōu)的飛行剖面解算并進(jìn)行飛行引導(dǎo)的能力。

表1 同類型機(jī)型航電主要特點(diǎn)對照表

2.2 典型應(yīng)用場景分析

該型機(jī)是一款多用途中型民用直升機(jī)，按照飛行任務(wù)的不同，其主要應(yīng)用場景包括人員與貨物運(yùn)輸、海洋執(zhí)法、森林和城市滅火、搜索和救援等[7]，具體分析如下：

1)人員與貨物運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用場景，包括人員運(yùn)輸和傷員轉(zhuǎn)送、短途旅游觀光、物資補(bǔ)給運(yùn)輸?shù)忍囟ㄈ蝿?wù)場景。該應(yīng)用場景下，充分發(fā)揮民用直升機(jī)具備的人員和貨物運(yùn)輸優(yōu)勢，其后艙空間大、發(fā)動機(jī)性能優(yōu)異的特點(diǎn)保證了人員運(yùn)輸?shù)氖孢m性和效率。

2)海洋執(zhí)法的應(yīng)用場景，包括海監(jiān)巡邏、近海執(zhí)法、海洋應(yīng)急和海洋搜索等。該應(yīng)用場景下，利用該型機(jī)優(yōu)異的動力性能，開展近海巡邏與執(zhí)法工作，配合其他艦船，進(jìn)行多任務(wù)協(xié)同工作。

3)森林和城市消防的應(yīng)用場景，包括森林消防、護(hù)林巡線、空中指揮以及城市滅火等場景。森林消防是該型直升機(jī)的另一個(gè)典型應(yīng)用場景，該場景下直升機(jī)主要實(shí)施空中指揮、吊桶裝載、滅火救援等任務(wù)，有效解決森林和城市火情下消防人員無法靠近的難題。

4)山區(qū)和高原的搜索救援應(yīng)用場景。該應(yīng)用場景下，充分利用該型直升機(jī)優(yōu)異的高原飛行性能，在高原和山區(qū)交通不便的地區(qū)，開展搜索和應(yīng)急救援等任務(wù)。

2.3 航空電子系統(tǒng)升級需求分析

結(jié)合國外同類型直升機(jī)的特點(diǎn)以及民用直升機(jī)的應(yīng)用場景分析，梳理直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的升級需求，主要是增強(qiáng)直升機(jī)符合民航運(yùn)行的能力，提高系統(tǒng)安全性，改善人機(jī)工效并降低飛行員負(fù)擔(dān)，提升經(jīng)濟(jì)性等方面。針對該型機(jī)不同的應(yīng)用場景，分析各應(yīng)用場景下對飛行管理系統(tǒng)的需求，具體如下：

1)人員與貨物運(yùn)輸?shù)膱鼍跋拢肍MS標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的信息，結(jié)合多傳感器導(dǎo)航和飛行計(jì)劃管理，飛行民用航線，并在民用機(jī)場起降，擴(kuò)大飛行空域，提升直升機(jī)的飛行效率。

2)海洋執(zhí)法的應(yīng)用場景下，利用FMS具備的性能計(jì)算和預(yù)測功能，實(shí)施精準(zhǔn)的飛行引導(dǎo)，支持直升機(jī)快速響應(yīng)作業(yè)任務(wù)，保障直升機(jī)在海上運(yùn)行的效率和安全性。

3)森林和城市消防的應(yīng)用場景下，利用FMS具備的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫信息，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)庫管理調(diào)度，實(shí)施精確導(dǎo)航和飛行引導(dǎo)，有效支撐直升機(jī)消防作業(yè)。

4)搜索救援的應(yīng)用場景下，利用FMS具有的搜索航路規(guī)劃功能，優(yōu)化飛行計(jì)劃和水平引導(dǎo)，提升直升機(jī)搜索作業(yè)的效率，大大增強(qiáng)直升機(jī)的機(jī)動能力。

3 加裝飛行管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對該型民用直升機(jī)航空電子系統(tǒng)優(yōu)化架構(gòu)以及完善飛行管理系統(tǒng)的升級需求，目前主流的可選方案有四種，分別是“單獨(dú)任務(wù)機(jī)”方案、“控制顯示單元(CDU)一體化”方案、“綜合顯示處理機(jī)(IDP)”一體化方案以及“綜合模塊化(IMA)”方案。

3.1 “單獨(dú)任務(wù)機(jī)”方案

“單獨(dú)任務(wù)機(jī)”方案指的是飛行管理系統(tǒng)具備單獨(dú)的飛行管理計(jì)算機(jī)，飛行管理應(yīng)用駐留于飛行管理計(jì)算機(jī)內(nèi)，借用綜合顯示系統(tǒng)的CDU作為人機(jī)接口裝置，與飛行機(jī)組進(jìn)行交互。該種方案下的航電系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 “單獨(dú)任務(wù)機(jī)”架構(gòu)示意圖

“單獨(dú)任務(wù)機(jī)”架構(gòu)的特點(diǎn)在于具備獨(dú)立的飛行管理計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的控制顯示單元，飛行管理應(yīng)用駐留于飛行管理計(jì)算機(jī)內(nèi)部，飛行管理功能與顯示系統(tǒng)功能分離。同時(shí)，外部交聯(lián)系統(tǒng)需要留有飛行管理系統(tǒng)接口。

3.2 “控制顯示單元(CDU)一體化”方案

“CDU一體化”方案指的是飛行管理系統(tǒng)不具備單獨(dú)的飛行管理計(jì)算機(jī)設(shè)備，飛行管理處理模塊駐留在CDU內(nèi)部，整合飛行管理處理模塊和CDU顯示處理模塊，實(shí)現(xiàn)部分物理綜合和功能綜合。該種方案下的航電系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 “CDU一體化”架構(gòu)示意圖

“CDU一體化”架構(gòu)的特點(diǎn)在于飛行管理系統(tǒng)與綜合顯示系統(tǒng)的顯示控制高度綜合化，飛行管理系統(tǒng)與綜合顯示系統(tǒng)功能能有效分離，提升飛行管理系統(tǒng)操作控制的時(shí)效性；同時(shí)，沒有獨(dú)立的飛行管理計(jì)算機(jī)，從整個(gè)航電系統(tǒng)來看，重量和功耗增加相對較少；但外部系統(tǒng)仍然需要留有飛行管理系統(tǒng)接口，而原有的CDU需要同步增加對外系統(tǒng)交聯(lián)的接口，因此，會對CDU的處理能力和接口能力提出更高的要求。

3.3 “綜合顯示處理機(jī)(IDP)一體化”方案

“IDP一體化”方案與“CDU一體化”方案類似，不具備單獨(dú)的飛行管理計(jì)算機(jī)設(shè)備，飛行管理處理模塊駐留在IDP內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了部分物理綜合和功能綜合，CDU仍然作為飛行管理系統(tǒng)的操作輸入以及人機(jī)交互接口。該種方案下的航電系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 “IDP一體化”架構(gòu)示意圖

“IDP一體化”方案的特點(diǎn)在于飛行管理系統(tǒng)的核心處理模塊駐留于綜合顯示處理機(jī)內(nèi)，調(diào)用綜合顯示處理機(jī)的接口資源，實(shí)現(xiàn)對外部分系統(tǒng)或者設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，通過IDP內(nèi)部總線，跟綜合顯示系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制操作，綜合顯示系統(tǒng)與飛行管理系統(tǒng)物理上高度綜合，功能上則進(jìn)一步區(qū)分。該種架構(gòu)對原有綜合顯示系統(tǒng)的處理機(jī)提出較高要求，原有的接口資源、內(nèi)部數(shù)據(jù)交互模式以及軟件分工需要重新審視；但這種架構(gòu)對整個(gè)航空電子系統(tǒng)架構(gòu)影響最小，對外部系統(tǒng)和設(shè)備無需擴(kuò)充電氣接口。

3.4 “綜合模塊化(IMA)”方案

為了實(shí)現(xiàn)更快速高效的數(shù)據(jù)交互模式，對原有航電系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部架構(gòu)優(yōu)化，采取“綜合模塊化(IMA)”架構(gòu)形式，即采用符合ARINC664標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線，取代原有HDLC數(shù)據(jù)交互總線，作為綜合顯示系統(tǒng)內(nèi)部以及各駐留系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互總線。外部交互分系統(tǒng)仍然以ARINC429或者RS422總線為主。“綜合模塊化(IMA)”方案的架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 “綜合模塊化(IMA)一體化”架構(gòu)示意圖

“綜合模塊化(IMA)”方案的特點(diǎn)是充分利用開放式體系架構(gòu)以及統(tǒng)一的機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)高度的物理綜合和功能綜合。綜合顯示系統(tǒng)中的顯示控制裝置功能進(jìn)一步綜合與優(yōu)化，改變傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸模式，充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)交互的及時(shí)性和可靠性。飛行管理系統(tǒng)以通用處理單元的硬件平臺為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，既提升了與CDU之間的交互水平，又節(jié)省了接口資源。

4 不同架構(gòu)實(shí)施途徑的分析比較

上節(jié)中提到的四種加裝飛行管理系統(tǒng)的方案是目前主流的實(shí)現(xiàn)形式，無論是“單獨(dú)任務(wù)機(jī)”方案、“CDU一體化”方案還是“IDP一體化”方案，都是聯(lián)合式航空電子架構(gòu)形式，延續(xù)原有的以ARINC429和RS422等數(shù)據(jù)總線為主要傳輸載體的架構(gòu)形式，不需要對既有航空電子系統(tǒng)架構(gòu)做大的改動。“IMA”方案則會對原有航空電子系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級，選擇更高效可靠的以ARINC664總線為載體的架構(gòu)形式，無論綜合顯示系統(tǒng)還是各交聯(lián)分系統(tǒng)，均需要在接口、總線以及軟件等方面做相應(yīng)的改變。

4.1 改動量分析

我們從對原有系統(tǒng)平臺軟硬件的改動、接口需求、分系統(tǒng)或設(shè)備的改動等方面對四種方案進(jìn)行深入分析。

“單獨(dú)任務(wù)機(jī)”方案需要增加兩臺飛行管理計(jì)算機(jī)，飛行管理軟件駐留于飛管計(jì)算機(jī)內(nèi)。硬件上，“單獨(dú)任務(wù)機(jī)”方案對既有綜合顯示系統(tǒng)硬件影響最小，綜合顯示處理機(jī)和CDU采用預(yù)留的ARINC429接口與新增的飛行管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互通信；但從整機(jī)角度出發(fā)，飛行管理系統(tǒng)所需的交聯(lián)分系統(tǒng)均需要增加跟飛行管理系統(tǒng)的通信接口，這會導(dǎo)致增加相當(dāng)數(shù)量的電氣接口。從整個(gè)航空電子系統(tǒng)重量上分析，不僅增加了兩臺飛行管理處理機(jī)設(shè)備，同時(shí)增加了加裝的機(jī)上電纜，產(chǎn)品功耗也會同步增加。

“CDU一體化”方案無需增加單獨(dú)的飛行管理計(jì)算機(jī)，將飛行管理模塊與CDU進(jìn)行綜合，原有CDU設(shè)備需要進(jìn)行優(yōu)化升級，同時(shí)CDU需預(yù)留ARINC429總線與分系統(tǒng)或者設(shè)備進(jìn)行通信；從整機(jī)角度出發(fā)，“CDU一體化”方案下所需的交聯(lián)分系統(tǒng)同樣需要增加跟飛行管理系統(tǒng)的通信接口，導(dǎo)致增加相當(dāng)數(shù)量的電氣接口。雖然對飛行管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行了物理綜合，減少了部分設(shè)備的重量，但增加的機(jī)上電纜仍然無法避免，同時(shí)對CDU設(shè)備的性能、接口要求更高。

“IDP一體化”方案也無需增加單獨(dú)的飛管計(jì)算機(jī)，將飛行管理模塊與IDP進(jìn)行綜合，對原有IDP和CDU設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種架構(gòu)下，飛行管理模塊借用IDP的對外接口與外部分系統(tǒng)或者設(shè)備進(jìn)行交聯(lián)，無需擴(kuò)充電氣接口，對整個(gè)航空電子系統(tǒng)架構(gòu)的影響最小。但I(xiàn)DP需要在設(shè)備性能、接口分配、軟件分工上進(jìn)行優(yōu)化升級。

“IMA”方案下需要對整個(gè)綜合顯示系統(tǒng)以及飛行管理系統(tǒng)進(jìn)行全面的架構(gòu)設(shè)計(jì)，以ARINC664總線形式作為主要交互形式。這種架構(gòu)下，雖然能充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和共享，但無論是綜合顯示處理機(jī)、控制顯示單元還是顯示器單元均需要從功能、性能、接口等方面進(jìn)行整體升級；除此之外，還需要增加通用接口處理單元設(shè)備用于外系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的交互，硬件上的改動量最大；與此同時(shí)，相應(yīng)的駐留軟件均需要重新開發(fā)，以適應(yīng)不同總線格式和數(shù)據(jù)規(guī)范的要求。

4.2 架構(gòu)評估與建議

通過對四種方案的分析與比較，我們從技術(shù)成熟度、技術(shù)先進(jìn)性、改動量大小、人機(jī)工效水平、可維修性、經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行綜合評價(jià)，以1-10分打分，分值越大越優(yōu)，如表2所示。

表2 四種方案評估表

如果沿用原有的航空電子系統(tǒng)架構(gòu)，則方案三(“IDP一體化”方案)最優(yōu)，改動量最小，經(jīng)濟(jì)性最好，技術(shù)成熟度高，風(fēng)險(xiǎn)可控；如果從技術(shù)先進(jìn)性以及航空電子技術(shù)發(fā)展的角度出發(fā)，選擇方案四(“IMA”方案)較好。

5 結(jié)論

民用直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的架構(gòu)取決于直升機(jī)的應(yīng)用場景和功能，本文從新時(shí)期民用直升機(jī)的應(yīng)用場景出發(fā)，結(jié)合對聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)加裝飛行管理系統(tǒng)的需求，提出了四種有效可行的方案。從四種方案的各自特點(diǎn)、對既有航空電子系統(tǒng)改動量和對整機(jī)的影響等方面作了深入分析和架構(gòu)評估，為后續(xù)民用直升機(jī)航空電子系統(tǒng)平臺的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和方案借鑒。同時(shí)，針對民用直升機(jī)對安全性的高要求，在后續(xù)實(shí)施過程中，民機(jī)架構(gòu)評估中更應(yīng)引入系統(tǒng)安全性的分析與設(shè)計(jì)，充分識別技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，從多角度，科學(xué)地評估航電系統(tǒng)的架構(gòu)。