基于IMA的大型客机CNS系统集成试验和验证❋

陈世浩❋❋

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

基于IMA的大型客机CNS系统集成试验和验证❋

陈世浩❋❋

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

基于综合模块化航空电子系统（IMA）的通信导航监视（CNS）系统与传统CNS的系统架构、信息传输方式等都有很大的不同，所以需要研究以IMA为信息处理核心、AFDX加RDIU为信息传输网络的航电系统架构中CNS系统的集成实验的技术途径和验证方法。提出了一种按照不同研制阶段将系统集成试验分为全模拟仿真系统、半实物仿真系统、全实物仿真系统三阶段集成的技术途径和系统验证方法。该技术途径和方法充分考虑不同阶段系统对集成试验和验证的需求，对CNS集成试验和验证设计具有一定的借鉴意义。

大型客机；综合模块化航空电子；通信导航监视；集成试验；仿真系统

1 引言

大型客机的航电系统架构从ARINC429总线为传输网络发展为以全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）为信息传输网络的综合化航电系统，从联合式的航电系统向综合模块化航空电子系统（Integrated Modular Avionics，IMA）转变［1］。通信、导航和监视系统（Communication，Navigation and Surveillance，CNS）是民用运输飞机航空电子系统的重要组成部分，集中了飞机上几乎所有的无线电传感器设备［2］，传统采用ARINC429接口的设备大多技术成熟，已取得了适航证，目前先进机型在航电系统架构中仍采用这些设备参与集成，通过远程数据接口单元（Remote Data Interface U-nit，RDIU）将各设备的ARINC429总线信息转换、整合为适合AFDX总线传输的信息格式。由于航电系统架构的变化和以IMA为信息处理核心的特点与传统航电存在巨大区别，所以CNS系统集成试验手段和方法也需要发生相应的变化。国内对基于IMA架构的CNS系统集成和验证方法研究还较为少见。本文首先研究基于IMA的CNS系统架构，根据不同阶段系统对集成试验和验证的需求将系统集成试验分为三阶段，分析出各个阶段需要集成验证的内容，给出对系统集成试验和验证方法。

2 大型客机CNS系统架构

现代大型客机航电系统一般由AFDX网络和RDIU组成航电系统的核心网络［3］，大气数据系统、惯导系统、通信导航系统、综合监视系统、机载维护系统以及非航电系统的相关设备均通过就近的RDIU挂接在AFDX网络上，而机载信息系统与客舱系统通过网关接入AFDX核心网络，数据信息单向流入机载维护和客舱系统，以保证核心网络的安全性。

IMA是航电系统的信息处理中心，除机载信息系统和客舱系统外，其余所有系统均作为IMA的外围系统，向IMA计算中心提供各种必要的数据信息，并从IMA获得相应的控制参数、命令等信息。CNS由无线电通信设备、无线电导航设备、无线电监视设备、音频控制板（ACP）、无线电管理面板（RMP）、应急定位发射器、舱门监视摄像头及视频接口单元、静电释放器等LRU组成，同时还包括了通信管理功能、无线电调谐功能、地形提示警告（Terrain Awareness Warning System，TAWS）功能及其他监视解算告警功能等软件，这些软件驻留在IMA机架的通用处理模块内；其中通信设备、导航设备、监视设备又分别包括了多个无线电传感器设备。图1［4］为ARINC 660A推荐的机载CNS顶层功能架构。

图1 ARINC 660A推荐的机载CNS顶层功能架构Fig.1 Airborne CNS top-level functional architecture recommended by ARINC 660A

为了提高系统的安全性和任务可靠性，CNS一般采取冗余配置方式，根据飞机对功能依赖程度的不同以及对安全性的考虑，设备冗余量有所不同，VHF电台、RMP、ACP等采用三余度配置，ELT（Emergency Location Transmitters）、WXR（Weather Radar）、TCAS（Traffic Alerting and Collision System）没有余度，卫通设备则作为选装件，而其他通信、导航和监视设备采用双余度配置［5］。

3 系统集成试验和验证方法

3.1 CNS系统集成、试验内容

CNS与航电系统相互之间有很多信息和信号交联，并共享同一个AFDX网络和核心处理资源；同时，CNS集中了飞机几乎全部的无线电传感器设备，通过这些无线电传感器获取导航信息和与地面进行通信。CNS系统集成和试验是一个复杂的系统工程，需要验证的内容非常丰富而细致，任何的遗漏都可能将隐患带上飞机，给试飞和取证活动带来隐患，直接导致成本上升和周期的延长。经分析，CNS系统集成、试验应包括两个方面的内容：机载系统集成试验和空地系统应用验证试验。

机载系统集成试验主要围绕机载系统和设备功能的测试验证，主要包括：传输资源占用验证；调谐功能验证；针对设备的静态功能验证；系统检测功能验证；应用层功能验证；系统冗余和重构验证；系统全飞行剖面全动态验证。

空地系统应用是指机载系统与机外系统共同作用所完成的功能应用，包括话音/数据通信、无线电导航、无线电监视等功能，除了传统的通信、导航和监视以外，需要重点进行系统验证的主要有数据链集成应用验证、卫星通信应用验证、卫星导航应用验证。

3.2 CNS系统集成方法和技术途径

CNS系统集成试验活动需要完成上述的验证内容，最终达到全系统动态稳定运行目标需要建立一整套集成试验环境，包括硬件、软件和集成试验方法等。CNS系统集成试验在架构设计时就应该开始，以验证架构的可行性，通过试验还能为后续设计提供有力的技术支持。CNS系统集成方法和试验环境分为全模拟仿真系统验证、半实物仿真系统验证和全实物系统验证。

3.2.1 CNS全模拟仿真系统

CNS全模拟仿真系统按现代大型客机总体架构建立，主要验证CNS融合在航电架构中其控制流、数据流的正确性，验证在保证CNS正确功能性能条件下对总线网络资源占用情况、对各传输处理环节缓存资源占用情况等，为航电系统总体设计提供有力的依据。除了AFDX交换机和总线分析仪外，其余部分全是由计算机进行模拟仿真。模拟器由通用计算机插入AFDX终端卡、429接口卡和数据采集卡组成。

CNS仿真模拟系统中用到多种模拟器，基于通用计算机并配以各种插卡和仿真软件实现的。这些模拟器因为需要仿真的接口不同，配置的插卡也不尽相同，但组成模式是相同的。图2是通用模拟器组成框图。

图2 CNS通用模拟器组成图Fig.2 Block diagram of CNS universal simulator

模拟器都采用软硬件接口仿真，内部功能完全由软件实现，因此该系统具有相当的灵活性和伸缩性，可以根据验证内容需要进行多种组合、裁剪或扩展。CNS仿真模拟系统中用到多种模拟器由基于通用计算机并配以各种插卡和仿真软件实现。利用各种基于通用计算机插槽的接口卡所提供的丰富的接口，并开发适当的软件实现任意功能的模拟器，具有构建速度快、成本低的优点，适合CNS早期和中期集成验证。

3.2.2 CNS半实物仿真系统

在CNS全模拟仿真阶段完成在航电体系架构下控制流、数据流和数字音频流的验证以后，能为IMA、RDIU和交换机提出相应的技术要求，根据这些要求承研单位应首先研制并提供IMA、RDIU和交换机的样机。CNS半实物仿真系统把IMA、RDIU模拟器和交换机换成样机。先前的模拟器是系统集成商为了验证系统架构设计而自主开发的，可以任意修改，直到确定系统方案和相应指标为止；样机是各承研单位根据系统集成商提出的功能要求和接口要求（包括ICD）研制的验证机，由样机构建的半实物仿真系统主要用于验证承研单位对于需求的理解和满足情况，也是对系统总体设计是否合理的进一步验证。

CNS半实物仿真系统集成试验完成后，样机将作为集成试验环境不可或缺的一部分被保留下来，作为CNS的基准设备，用于后续装机样件集成试验的参考标准，在装机样件缺失或不满足要求时，可以用样机代替参加试验，不影响CNS集成验证工作的开展。

3.2.3 CNS全实物系统

CNS全实物系统全部由装机样件构成，用于CNS开发后期的集成试验工作，为系统验收和装机试飞作最后准备。这个阶段主要完成三方面的验证工作：验证CMF（Configuration Management Function）软件、RTF软件和其他相关功能软件在IMA满负荷条件下的运行情况；通过无线电地面射频激励，验证CNS在装机样件条件下各项功能的运行情况；通过无线电地面射频动态激励，实现全动态全飞行剖面的无线电环境仿真，验证全航电系统运行条件下的通信、导航和监视功能。

无线电射频激励就是为机载无线电设备提供一种可随意控制的对通信号，或者模拟地面通信电台信号、无线电导航台信号、地面空管二次雷达信号，以及卫星通信转发器信号和导航卫星星座信号等，用于配合机载设备或系统的调试、测试工作。图3是一种模块化的无线电射频激励系统方案，将各种信号的激励器和模拟器分别用一个模块实现，再通过虚拟仪器VXI总线组织起来，受主控计算机的控制。这种方案可大量减小激励系统的体积、重量和能耗。

图3 无线电射频激励系统Fig.3 Radio frequency exciter system

为了实现全动态全飞行剖面仿真激励，无线电通信导航监视射频激励系统应能加载或预存多条模拟航路数据库，接收飞行仿真计算机以实时网络发送的飞机即时位置信息，其中应包括经度、纬度、无线电高度、航向和时间同步信息，还应包括入侵飞机位置、航向、气压高度和飞机地址码等信息，根据这些信息检索飞机即时位置附近一定范围内的通信电台频率、导航台站位置和工作频率，解算飞机即时位置相对于导航台站的方位、斜距、无线电高度，将这些参数转换成相应激励信号，通过射频电缆送机载设备。

在CNS集成试验过程中还需要一套数据链仿真、验证和测试系统，在实验室条件下完成数据链应用的集成验证。同时，还需要该系统能在数据链系统体系结构、顶层设计、性能仿真分析、标准分析验证和应用效能评估等方面提供平台支持。通过空中模拟平台、地面模拟平台、飞机多用户模拟系统、地面系统，构建HF数据链、VHF数据链（Mode A、Mode 2/3/4）以及卫通数据链，验证在起飞、航路、终端近进等各个运行阶段，飞机与地面系统（管制中心和航空公司）之间的通信。

卫星通信仿真验证平台模拟卫星网络及各种接入业务。航空地球站的仿真能够模拟航空地球站与其他航电设备之间的物理和逻辑接口，以及地-空和空-地间的通信过程，为机载卫星通信系统的集成验证提供仿真评估平台，并通过仿真整个航空业务的流程，验证机载卫星通信的可用性和可靠性。

3.3 CNS系统集成验证方法

CNS系统集成验证需要对传输资源占用、调谐功能、静态功能、系统检测功能、应用层功能、系统冗余和重构、系统全飞行剖面全动态等进行验证，下面分别对这些功能的验证展开讨论。

（1）传输资源占用情况在模拟仿真系统上进行验证，测试数据传输时延是否满足要求，话音通信是否连续、完整，并达到清晰度和可懂度要求。在不满足要求的情况下，需要调整传输资源的分配，直到满足为止。试验中需要测试出满足使用要求情况下的最低资源占用数据，以便为总体设计提供依据。

（2）调谐功能验证在项目的各个阶段都需要进行，对CNS模拟仿真试验平台或者全实物系统都需要进行调谐功能的验证，验证无线电通信、导航和监视设备在手动调谐控制下响应是否正常，回传是否正确，是否满足时延要求；除了对正常参数进行验证外，更应注重边界参数、超界参数的验证。

（3）静态功能验证需要在真实无线电设备构成的CNS进行，并需要无线电射频激励器的配合。根据需求列出每个通信、导航、监视设备的功能和针对每项功能的验证措施，设置好相关系统状态和工作参数，以及无线电射频激励器的状态和参数，在手动调谐控制下逐条验证其应有功能的正确性。

（4）系统检测功能验证主要验证CNS维护功能和故障监测能力，需要模拟各种故障模式，该项试验适合在全模拟仿真系统和半实物仿真系统上进行。事先应列举出各种通信、导航、监视设备的各种模式和模拟方式，然后调整系统工作状态和参数并启动系统运行，在设备模拟器上逐一模拟各种故障，验证系统故障检测和告警功能。

（5）应用层功能验证针对与CNS相关的各项顶层应用功能，验证时还需将这些功能进一步分解细化，并列出相应的验证措施和合格判据。此验证需在全实物系统进行，并需要无线电射频激励器配合。

（6）系统冗余和重构验证中几乎所有设备都有余度，而且这些互为余度的设备是同时工作的，都在响应系统命令和输出数据，有的设备还同时对相同的物理量进行测量。在模拟某个设备故障或输出数据超界的条件下，看能否作出正确的判决，系统处理结果是否正常。

（7）单项功能均通过验证后，利用飞行仿真系统和无线电地面激励仿真系统进行全飞行剖面全动态仿真，验证整个CNS及相关系统在接近真实的飞行条件下的工作情况。飞行航线和飞行环境的想定应具有代表性和一定覆盖面。

4 结束语

CNS在大型客机中涉及功能数量、设备数量和种类较多，其集成试验和验证的目的是指导设计和验证设计。本文在分析基于IMA的CNS系统架构基础上，研究设计出根据不同研制需求的系统集成系统集技术途径和验证方法，对CNS集成试验和验证设计具有借鉴意义。CNS系统集成和试验是一个复杂的系统工程，为了完成CNS系统集成试验和验证，必须清晰细致地列出其应用需求，以及每项需求的验证和检验方法、合格判据，根据这些需求和验证方法建立必要的试验系统和平台，开发必要的工具和软件，以高效地完成CNS的集成和验证工作，从而有效缩短系统需求验证、集成测试时间，提高验证覆盖率和准确度。

［1］刘天华.民机无线电CNS系统一体化架构设计［J］.电讯技术，2010，50（7）：1-5. LIU Tian-hua.Integrated Architecture Design of Radio CNS System for Civil Aircrafts［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（7）：1-5.（in Chinese）

［2］陈颖.从复杂系统观点看模块级综合集成航空电子结构［J］.电讯技术，2009，49（4）：98-102. CHEN Ying.The Integrated Modular Avionics Electronic Architecture from Complex System Views［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（4）：98-102.（in Chinese）

［3］ARINC Specification 653-2，Avionics Application Software Standard Interface Part 1-Required Services［S］.

［4］ARINC Report 660A，CNS/ATM Avionics，Functional Allo2cation and Recommended Architectures［S］.

［5］ARINC Specification 664P1-1，Aircraft Data Network Part 1-Systems Concepts and Overview［S］.

［6］姜震.航空电子统一网络关键技术研究［D］.北京：北京航空航天大学，2004. JIANG Zhen.Study on key technologies of avionics unified net-works［D］.Beijing：Beiing University of Aeronautics and Astronautics，2004.（in Chinese）

Integrated Test and Validation for IMA-based Large Civil Aircraft CNS

CHEN Shi-hao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The system architecture and information transmission of Integrated Modular Avionics（IMA）based Communication，Navigation and Surveillance（CNS）system is different from that of traditional CNS.It is necessary to research methods for IMA-based and AFDX＋RDIU as networks CNS integrated validation.According to development stage requirements，three stages（full simulation system，half real equipment system，full real equipment）integrated validation methods are proposed，which can meet the requirements of development stage and be useful to the CNS integration for reference.

large civil aircraft；integrated modular avionics；communication，navigation and surveillance；integrated test；simulation system

peternpu＠hotmail.com

V243

A

1001-893X（2013）05-0543-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.003

陈世浩（1979—），男，陕西人，2010年于西北工业大学获工学博士学位，现为工程师，主要研究方向为航空电子系统等。

2012-11-28；

2013-03-25 Received date：2012-11-28；Revised date：2013-03-25

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peternpu＠hotmail.com

CHEN Shi-hao was born in Shaanxi Province，in 1979.He received the Ph.D.degree from Northwest Polytechnical University in 2010.He is now an engineer.His research concerns avionics systems.

Email：peternpu＠hotmail.com