典型通用飛機航電系統分析

魏 麟，祁美照，雷中洲，楊濟睿

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

作為民用航空中不可分割的部分，通用航空在發達國家擁有成熟的生產鏈，僅美國的通用飛機數量便達22.3萬，是全球總量的61.9%。我國通用航空器截至2021年3月數量為4 164，隨著通用航空的快速發展，通用航空領域擁有著巨大的市場潛力。作為通用飛機中處理各種信息的“大腦”，航電系統逐漸成為極為關鍵的系統組件之一。

航電系統包含著航空器中的不同電子設備且有著眾多子系統。其在各種數據總線的幫助下將多個航線可更換單元（LRU）交聯起來，各LRU能夠相對獨立地實現系統的部分功能，但又不是完全獨立的，系統的許多功能需要多個LRU協作才能完成。在G1000航電系統中，LRU中最為重要的便是集成電子組件GIA 63，GIA 63有效地將姿態航向基準系統GRS 77、大氣數據計算機GDC 74、發動機/機身組件GEA 71等多個LRU通過RS-485與ARINC（429）數據總線交聯起來，并將處理的數據通過高速以太網傳遞給兩個顯示器GDU，即主飛行顯示器（PFD）和多功能顯示器（MFD）。

1 航電系統發展過程

按照航電系統的發展，可以將航電系統的發展階段分為分立式、聯合式、綜合式和先進綜合式4個階段。

分立式航電系統：擁有數個獨立的系統，各個系統采用點對點連接方式且需要專業人員獨立地進行操作控制。缺點是靈活性較差、專用性強且很難傳遞大量的信息。

聯合式航電系統：與分立式航電系統不同的是，聯合式的各個設備組件的操作控制結構相同，初步完成了一定的模塊化設計。

綜合式航電系統：設備組件之間可以相互傳遞大量的信息，整個航電系統擁有了處理控制更多信號的能力。綜合式的優勢是通過模塊化設計可以實現海量的數據處理，系統結構層次化，總線的高速化且擴展成本低[1]。不同設備組件的信號數據處理可以直接在系統內部完成，降低了工作人員的負擔和出現人為失誤的可能性。而先進綜合式階段，就是在綜合式的基礎上對設備進一步綜合化、集成化。

目前，美國的通用飛機數量占全球總量的61.9%，且能自主生產通用飛機航電系統產品，例如Garmin公司的G1000系統、Honeywell公司的Primus Apex系統和L-3公司的SmartDeck系統等。單是Garmin公司的產品，便在世界上通飛航電的市場引領著全球通飛航電的發展，而G1000系統的市場占有率更是達到近70%。與此同時，國內搭載的航電系統產品雖有小部分是自主研發，但大部分是依賴進口。

2 典型的通用飛機航電系統

高度集成化的航電系統涵蓋了計算機、傳感器、控制顯示裝置和LRU，是一次多學科的交叉與融合。隨著計算機技術、數字技術的發展，現代大部分航電系統逐步變得高度數字化、綜合模塊化和智能化，這種轉變有效提高了飛機的整體性能和飛行品質。

2.1 G1000系統

在中小型通用飛機中，G1000系統的市占率較高。易于操作的飛行界面、對巨量信息的高效處理，有效降低了工作人員的負荷，提升了飛行品質。由于電子顯示器的應用，G1000系統的占地面積更小，操作起來更加輕便靈活。我國最近幾年進口的訓練機，如Cessna公司的172型飛機、鉆石公司的DA40與DA42型飛機，便搭載了G1000系統[2]。

G1000系統由多個LRU組成，包括顯示器GDU、大氣數據計算機GDC74、集成電子組件GIA 63/63W、姿態航向基準組件GRS77、機身/發動機傳感器接口組件GEA71和應答機GTX33等，并且安置大量的傳感器設備。這些LRU之間通過各種數據總線有著緊密而錯綜復雜的協作關系，其中最為重要的是GIA 63/63W。塞斯納NAVIIIIG1000系統架構圖如圖1所示。

圖1 塞斯納NAVIIIIG1000系統架構

GIA 63/63W主要通過RS-232、RS-485、ARINC 429總線收集處理幾個主要LRU的數據，在后臺處理完成后通過高速以太網數據總線將這些數據信號傳送給2個GDU并顯示給飛行員感知，以便更好地操縱飛機[3]。此外，系統內部有3種信號方式：模擬、數字和離散信號。

2.2 SmartDeck系統

SmartDeck由L-3航空電子系統公司開發，是當今眾多被稱為“玻璃駕駛艙”的系統之一。該系統結構比較復雜，功能齊全，可擴展性高，安全性和可靠性也能得到保障，常搭載于高端公務機。

在通用航空領域中，G1000與SmartDeck的顯示器功能類似。SmartDeck的MFD提供發動機和系統狀態，并且能夠以各種模式提供GPS移動地圖和地形感知警告系統（TAWS）等。而MFD左側的PFD數據疊加在合成視覺顯示器，該顯示器包括地形、障礙物和來自L-3 Sky-Watch接收器的活動交通，并且PFD放置有操控飛機的關鍵信息（包括空速、高度和垂直速度等）[4]。

SmartDeck的系統架構如圖2所示。其核心設備包括：數據集中單元（DCU）、中央控制單元（CCU）、主飛行顯示器（PFD）、多功能顯示器（MFD）、傳感器參考系統（SRS）及飛行數據卡（FDC）。這些組件主要由雙冗余1394環網互聯，系統的可靠性得到大大提升[5-6]。此外，SmartDeck通過RS-422、RS-232和ARINC 429總線把傳感器設備的數據送給（DCU），然后這些數據經過集中采集與處理后送入CCU、PFD和MFD并顯示給飛行員查看。

圖2 SmartDeck系統架構

2.3 G500系統

G500航電系統含有主要的飛行儀表、導航信息和移動地圖，全部顯示在2個16.5 cm的LCD顯示屏GDU 620上。G500系統架構圖如圖3所示。

圖3 G500系統架構

作為一個較為先進的技術電子套件，G500系統由數個航線可更換組件LRU組成，使用點對點連接。LRU采用模塊化設計，每個LRU都有一個或一組特定的功能，可以直接安裝在儀表盤后面，也能夠獨自安裝在一個電子艙。這種方式的設置使得G500系統的故障排除和維護得到簡化，發生的故障可以被隔離到特定LRU。與G1000系統類似，G500系統是通過RS-232、RS-485、ARINC 429與高速以太網這些低成本高可靠性的常規總線處理各LRU數據[7]。

3 異同性和特點

在Garmin公司，G1000系統選擇了顯示和處理功能合二為一的GDU 1040作為綜合顯示器。綜合顯示器是系統處理核心，通過綜合無線電設備外接大氣、航姿和航管等外圍傳感器。與G1000系統不同的是，G500系統采用了GDU 620作為顯示器[8]。

G1000系統使得飛行員可以查看多種天氣信息，但所顯示的信息類型并不是根據飛行階段定制的，這增加了飛行員的負荷，而且飛行員每次只能看到1個天氣信息來源。從這個意義上說，其沒有很好地集成，信息也沒有被總結。

SmartDeck系統提供了實時的衛星天氣，并且還能夠通過點擊屏幕上的項目直接查詢數據信息。此外，SmartDeck系統應用了畫中畫顯示和彈出窗口，能夠一次獲取并顯示多種類型的天氣信息。然而，SmartDeck沒有給出如何避免天氣危害的建議和關于天氣信息確定性的指示[9]。

在G1000系統中，維系正常運行最重要的總線分別是：RS-232串行總線、RS-485串行總線及ARINC 429數據總線。RS-232串行總線盡管能實現點對點的通信，但這種方法無法實現聯網的效果；RS-485串行總線采用了差分信號傳輸，故RS-485的抗干擾性能好，通信距離也比RS-232遠；而ARINC 429總線結構簡單、性能穩定。因為ARINC 429非集中控制、隔離性好的特性和單向布線方式，使得ARINC 429總線的抗干擾性強、傳輸可靠性和安全性都比較高。G500系統采用的總線與G1000系統相同。

SmartDeck系統采用的RS-422、RS-232和ARINC 429總線把數據信息傳送給DCU，這些數據經過集中采集與處理后送入CCU、PFD和MFD。雖然RS-422與RS-485都是以差動方式發送、接收數據，兩者電氣性能也是一樣的，但RS-422是全雙工，支持點對多的雙向通信，而RS-485是半雙工。

4 通用飛機航電系統發展趨勢

1）經濟性：因為資源分配的需求以及對機載平臺尺寸、重量和功率的考慮，要降低運行成本和所需物理資源的壓力[10]。研發和維修成本決定了市場的反應，故在保障安全和功能的條件下，需要盡可能地降低成本。

2）智能化：由于人工智能的發展和現實需求的推動，自動飛行控制和警報可以逐步應用到通用飛機中，這將進一步減少工作人員的工作量，提高飛行員的舒適度，降低飛行員操作的復雜度[11]。

3）分布式集成模塊化：通過分布式集成技術、混合關鍵任務調度、實時容錯調度和時間觸發通信機制的設計，能夠使系統的安全性和實時性大幅提高。分布式綜合模塊化將會是處理資源分配方式的重大改變[12]。

4）高可靠性：航空電子系統在惡劣的物理環境下運行，高可靠性意義重大，且與飛機本身的安全性密切相關。在極為關鍵的航空電子系統中，任何微小的錯誤都可能造成不可挽回的損失。為了保證飛行任務能夠安全穩定地完成，即使系統發生故障，也必須采用一定的方法來提高系統可靠性。

5 結束語

隨著通用航空的快速發展，航電系統逐漸發展為通用飛機中極為關鍵的系統組件并融合了多學科交叉，綜合模塊化、智能化程度得到不斷提高，持續涌現的新技術也推動通飛航電的研究實現飛躍性的突破。此外，對于通用飛機航電系統的深入研究，有助于找到安全可靠性與經濟性的平衡點，縮小我國與發達國家在航電領域的差距。