民用飛機綜合航電系統技術分析

張悆晅

（上海飛機制造有限公司，上海 201324）

1 民用飛機綜合航電系統發展現狀

本文以波音787和空客A380的綜合航電系統為例進行現狀分析。

1.1 波音787

波音787的綜合航電系統采用開放式CCS結構，具體構成為CDN（通用數據網）、CCR（通用計算設備）、RDC（遠程數據采集器）等，構成相對復雜，結構成分較多。其中，通用計算設備的機柜中安插若干個GCM（通用處理模塊）、通用數據網（每秒100兆字節）以及LRM（可更換模塊）。波音787的綜合航電系統還整合了非傳統航電系統的處理與控制功能，具體包括燃油、環控、防火、電源、起落架、液壓、防冰、艙門系統等。除此之外，其計算機系統以ARINC 653為標準進行設計，以此控制系統改變流程期間的成本投入，同時提高系統的兼容屬性，為日后迭代優化等工作提供支持。該民用飛機的綜合航電系統中還采用了網絡技術以及與其相兼容的技術，由此可以實現數據的準確、高效傳遞。數據鏈由核心網絡、孔底數據鏈和通用核心系統組成，主要負責外界數據采集與上傳。其中，數據傳輸期間統一落實AFDX標準，依托于LED液晶顯示屏的使用以及工業標準GUI圖形界面的設計，滿足相關人員的數據查看與操控所需[1]。

1.2 空客A380

空客A380的綜合航電系統以IM A為主，所謂IMA，是指集成模塊化航空電子設備，同時輔以CTOS（商用貨架產品）技術和Integeity-178B操作系統。在整個系統框架中，該飛機共使用32個IMA模塊，均屬于場外可更換模塊，分別應用于起落架、顯示系統、告警系統、環控系統、引氣系統、電傳操縱系統、電氣系統、自動駕駛系統、燃油系統和液壓系統等。對于該綜合航電系統的核心處理以及輸入、輸出模塊而言，其統稱為CPIOM，組成要素較多，構成成分包括PCI內部互聯板、中央處理器線路板、輸入線路板等。系統選用以ARINC 664（AFXD）標準為基礎的全雙工網絡，數據網絡為全交換、100BASE-TX快速以太網以及全雙工構成，無須大量布線，數據傳輸速率較高。空客A380綜合航電系統的NSS（網絡系統服務器）是無紙化駕駛艙的核心，主要面向使用人員提供飛行日志、航空圖標等功能，操控人員通過加裝的LCD顯示屏即可得到相關信息數據[2]。

由此可見，當前民用飛機綜合航電系統均以開放式結構為主，整合使用了IMA和先進數據總線等技術，依托于網絡傳輸，系統的集成度和功能服務愈發先進。

2 分析民用飛機綜合航電系統技術特點 及關鍵技術

2.1 民用飛機綜合航電系統技術特點

2.1.1 系統為開放式結構

相較于以往的分布式結構，當前民用飛機綜合航電系統主要采用開放式結構，并結合飛機實際與需求對系統結構進行層次性劃分，每個層次均具有其標準接口，通過連接接口即可實現各項操作。綜合航電系統運用開放式結構，有助于各項功能服務的集成與綜合，有利于系統日后的升級更新與迭代優化，便于CTOS等技術結合使用。除此之外，綜合航電系統容錯度加大，通過開放式結構的運用，其更為理想的容錯度可顯著提高飛機整體的安全可靠性。

在將開放式結構應用于民用飛機綜合航電系統時，需從接口、規范兩方面打好基礎。例如，根據系統的功能需求與特征選用標準模塊的機械接口、模擬和數字信號接口等，以此提高系統的適用性。對于民用飛機綜合航電系統而言，其開放式結構的特點主要體現在：系統以開放式航電模塊平臺為基礎，含有PCI標準內部接口，采用UDP/IP和AFDX全雙工網絡傳輸，整個系統滿足IEEE 802局域網規范條件。在該技術組成下，能夠有效控制數據傳輸延遲，使其低于1 ms，獲得更為理想的信息交互效率。與此同時，可在現場更換功能模塊，只要符合軟件應用的標準接口要求即可[3]。

選用開放式結構搭建民用飛機綜合航電系統，能夠有效降低此類飛機航空電子制造成本、后期飛機改進和維護成本，同時能夠確保系統軟件和硬件之間互相獨立，避免在取證、系統修改設計等方面浪費太多時間，從而提高系統運行效率，合理降低飛機產品開發成本，盡可能地規避后期運行風險。

2.1.2 IMA模塊技術

所謂IMA模塊技術，主要是指以ARINC 600標準為基礎的技術。相較于傳統的LRU（外場可更換件），IMA選用的是綜合機箱方式，從而支持系統持續升級、迭代優化。此項技術對系統提出相應的要求，即采用開放式、模塊化體系結構，具有較高的數據融合等處理計算能力，采用高度互聯通信網絡等。新一代航空飛行器為更好地完成信息數據、資源的共享與交互，多數選用高度綜合處理系統，在該系統的運作下，無論是前端傳感器數據處理，還是后端處理結果顯示，整個流程均能實現全行點系統的高度綜合，而該系統結構的主要技術特征是使用核心處理平臺。核心處理平臺將系統綜合控制與管理、數據與信號綜合處理、飛機接口控制、戰術任務計算、系統健康管理等功能進行合理綜合，在執行相關功能與任務時直接調用模塊即可。

民用飛機綜合航電系統中的IMA模塊應用使共用多個PSU（供電裝置）成為可能。一般情況下，LRU主要負責旅客服務組件、EMI（電磁干擾）屏蔽箱等功能的提供，在其運作過程中，這些功能成本占總成本三成到四成左右。故為有效控制功能成本，合理降低資源、能源投入，多數LRU采用的PSU為簡化版本。這樣雖然成本得到有效降低，但如果出現故障，簡化后的PSU下的LRU將失去全部功能。而在綜合航電系統中采用IMA技術模塊，則能夠在不增加成本的前提下保證系統的完整功能。以窄體噴氣客機為例，若是在其綜合航電系統中運用IMA技術模塊，能夠較原系統設計方案中飛機的質量減少160 kg。

IMA模塊技術作為民用飛機綜合航電系統中系統綜合及更高級別綜合的基礎，能夠有效地對系統進行整體化調整，使其轉變為模塊化結構，進而能夠靈活應對突發性故障。同時，其能夠適應新技術的結合應用，并自動化開展系統重構工作，提高了系統的可靠性。另外，IMA模塊技術在民用飛機綜合航電系統中的應用也給子系統帶來較多益處，如無須在外場進行大量可更換組件的部署等，進一步降低了飛機的質量與系統部署的復雜性。

2.1.3 先進總線技術

AFDX總線優勢突出，具體有：以IMA結構為基礎，支持多種功能集成應用；100 Mbps的全雙工通信速率；采用以太網協議；更高容錯度。先進總線技術可以為綜合航電系統提供有關容錯的雙余度，與此同時，通過在操作系統中配置相關表格，先進的總線技術還可以實現傳統架構與當前架構的數據傳輸與交換，如傳統架構LRU和IMA架構LRM之間的數據交互[4]。

2.2 民用飛機綜合航電系統關鍵技術

2.2.1 軟件綜合集成技術

民用飛機綜合航電系統功能完善。為支撐諸多系統功能，必然會運用到軟件集成技術，且從系統整體結構來看，軟件集成技術屬于關鍵性核心技術。實現軟件集成需對接軟件接口，而民用飛機綜合航電系統具有典型的開放式特征，可良好支撐綜合航電系統軟件集成技術的應用。現階段，前沿民用飛機綜合航電系統多結合功能需求設置多個硬件模塊，因此，模塊化硬件平臺是民用飛機綜合航電系統的重要組成部分。但當代科技更迭較快，模塊化硬件平臺隨電子技術的進步而更新，而硬件平臺的更新則又促進了綜合航電系統的升級。為全面保障綜合航電系統功能，在硬件平臺更新的同時還需調整軟件系統結構，確保其可良好支撐民用飛機綜合航電系統的可持續發展。結合該要求，航電系統需構建具有重塑重構功能的軟件框架，并應用可重復利用的應用程序組件。

綜合航電系統軟件共有三層，即應用層、操作系統層、模塊支持層。不同軟件層之間以標準化接口為紐帶進行交互，標準化接口封裝于下級軟件層內。應用層是民用飛機實現各類功能的軟件層，是軟件集成技術主要應用結構。應用層內集成多種功能軟件，不同功能軟件的應用場景、應用空間、應用時間均存在差異。為避免不同功能軟件之間發生沖突而影響綜合航電系統的運行，必須借助軟件集成系統加以調節，使不同功能軟件均可穩定運行，杜絕軟件功能喪失等問題。操作系統層是各類功能軟件的運行平臺，是表現軟件集成技術功能效果的主要軟件層。在操作系統層內，可按照綜合航電系統所設定的功能軟件優先切換與調度各類運行任務，以此保障重點功能的實現。結合現階段民用飛機綜合航電系統實際情況來看，VXWORKS653、Integrity、AOS是當前普遍應用的操作系統。模塊支持層與民用飛機綜合航電系統硬件直接關聯，屬于硬件資源訪問接口。其在運行期間主要提供模塊資源服務、自測試服務、時間服務、通信服務、加載服務等，用于完善綜合航電系統功能。

2.2.2 硬件平臺設計技術

（1）遠程接口單元。主要負責采集傳感信號、處理并輸出信號、輸出控制指令等。遠程接口單元支持多個功能模塊，憑借其網絡集成功能能夠實現與計算機處理平臺、網絡交換機的通信。

（2）以LRM為基礎的計算機處理平臺。采用若干個LRM將其組成IMA機柜，用于計算機輸入、電源輸出等，主要構成模塊有電源模塊、輸入/輸出模塊、計算機模塊。計算機模塊負責對系統平臺出現的各項任務進行處理，如處理數據、信號，或是提供電源轉換、存儲等功能；電源模塊負責電能供應，通過背板供電，保證IMA機柜的平穩運作；輸入/輸出模塊，負責信號輸出、輸入以及信號類型的轉換[5]。

（3）網絡交換機。綜合航電系統采用雙工分組以太網交換機，在該裝置設備的運作下，通過以太網可以實現各類數據的快速轉發，保證目標端全面、準確地接收到相關數據。

2.2.3 數據總線傳輸技術

新時期民用飛機綜合航電系統技術水平不斷提高，作為新一代綜合航電系統的關鍵技術之一，機載高速數據總線技術極大地提高了系統整體集成化程度。在將其應用于此類系統時，關鍵點是以實際需求為基礎研制并落實總線橋接器模塊與網關，從而兼容差異化的總線標準與傳輸能力。其中，數據傳輸的實現前提為通用的數據傳輸機制，要求總線具有較高的處理能力與吞吐率。為此，數據總線傳輸技術的設計使用要求主要體現在帶寬、實時性和可靠性三個方面。

（1）帶寬。以航電子系統能力、綜合功能水平高低為基礎準確確定帶寬需求，不僅要滿足民用飛機綜合航電系統的數據傳輸要求，還應具有一定的可升級余量。

（2）實時性。規定時間內完成總線數據在節點間的傳輸，以此保證整個網絡傳輸的響應速度。

（3）可靠性。該指標主要指容錯能力，即總線通信不能因數據網絡中的某個節點故障而中斷，還能夠在冗余技術的運用下獲得更強容錯能力。

2.2.4 系統仿真實驗技術

基于計算機軟硬件的系統仿真實驗技術采用相似性原理方法和現代控制論，通過構建系統模型對系統開展解析或仿真試驗研究。對于民用飛機的綜合航電系統而言，其需要支持飛機符合現行飛機安全條例與適航條款要求，所以無論是關鍵技術選用、系統組成部分的設計，或是最終產品研制，均要在各個環節開展相應的檢驗工作，從而為滿足適航標準要求提供保證。因此，對于民用飛機綜合航電系統技術而言，需要經過嚴格驗證試驗，滿足飛機設計四性要求，從而確保綜合航電系統滿足適航標準。

3 結束語

綜上所述，民用飛機作為當前交通運輸系統的質要組成部分，其使用的綜合航電系統直接關系到飛機運行的安全可靠性。綜合航電系統能夠將功能、系統技術進行合理整合，從而減少電子設備的重量，便于后期維護與迭代升級，使系統、飛機可靠性均得到有效提高。同時，該系統也降低了飛行員的工作負擔，該系統的綜合已成為民用飛機航空電子的主要發展趨勢。■