通用飞机综合航电技术发展综述*

赵 明

(中电科航空电子有限公司，成都611731)

1 引 言

“通用飞机”是根据飞机用途所提出的概念，包括所有用于公共航空运输以外目的的飞机［1－2］，其中有起飞重量达到数十吨的大型灭火救援飞机，也有不足一吨的小型飞机。本文所述的“通用飞机”，专指由23 部民航规章所界定的飞机，即19 座以下(不含驾驶员)、最大起飞重量不超过约8 600 kg 的固定翼飞机［3］。此类飞机广泛应用于公务飞行、飞行培训、旅游观光、航空作业等多种领域。

在庞大市场需求的推动下，随着低空空域开放政策的逐步实施，我国的通用航空产业将迎来快速发展。航电系统是飞机的重要组成部分，我国未来对通用飞机的巨大需求意味着通用飞机航电系统(以下简称“通飞航电”)拥有广阔的市场前景。

欧美的通用航空产业较为发达，其通飞航电技术也较为成熟，有多家企业可以提供货架产品。特别是美国，早在10年前就出现了针对通用飞机的综合化航电系统，应用相当广泛。相比之下，我国的通用航空产业方兴未艾，通飞航电的研制还处于起步阶段。目前，国内通用飞机所使用的航电产品主要依赖进口，自主研发水平亟待提高。

本文在总结航电技术发展动因的基础上，以通飞航电的特点及系统架构为切入点，对具有代表性的产品进行了分析，结合应用需求提出了对于通飞航电技术未来发展趋势的观点，并指出了所涉及的关键技术。

2 发展动因

无论是通用飞机、运输类飞机，还是军用飞机，其航电系统都经历了从独立式到联合式、再到综合化的发展历程，这是业内普遍的共识。

现代航电系统是由多个子系统、多种环境、多项任务、多种资源构成的相互关联、相互支持、相互集成、相互制约的复杂系统，具有多目标、多信息、多专业、多任务、多功能、多资源、多过程的特征。如何实现多目标构成、多信息构建、多任务组成、多功能组织、多专业配置、多资源组合、多过程支撑，满足功能多、品质高、能力强、成本低的需求，是新一代航电系统面临的挑战。针对日趋复杂的航电系统而言，综合化技术已经成为该领域内最为关注的发展方面之一。

3 系统特点

虽然安全性与经济性是运输类飞机与通用飞机航电系统的共同特点，但通过更为深入的分析可以发现通飞航电有别于运输类航电的方面。

(1)安全性要求稍低

根据相关适航规定，除通勤类飞机以外，其他通用飞机的安全性要求比运输类飞机低1～3 个数量级［4］。因此，通用飞机的航电系统相对简单，研发成本相对较低。

(2)追求经济性

与运输类飞机相比，通用飞机的技术门槛相对较低，竞争相对激烈，研发成本是决定其市场表现的关键因素。在保证安全性要求的前提下，通飞航电的设计需要最大限度地降低成本。为了实现多功能与低成本的兼顾，综合化、模块化设计已经得到广泛应用。

(3)系统架构紧凑，系统构型灵活

运输类飞机的航电系统规模庞大、功能完备、设备众多、综合化程度高、系统构型相对固定，其设计理念追求的是“大而全”。相比之下，受成本、重量、安装空间等因素的制约，通飞航电的设计追求的是“小而精”，除基本功能外，其他功能可以根据需要灵活配置。基本功能包括飞行参数指示、引擎参数指示、话音通信、GPS 导航、VOR(甚高频全向信标)导航、仪表着陆、航管应答等，扩展功能包括自动飞行、飞行管理、数据通信、多种无线电导航、合成视景、近地告警、气象雷达、防撞、自动相关监视等［5－6］。

(4)先进技术运用有限

飞控计算机、光纤、AFDX(全双工交换式航空以太网)总线、TCAS(交通防撞系统)、HUD(平视显示)等先进技术已经广泛应用于运输类飞机，但在通用飞机上却很少见，这同样是由于成本因素的制约。

(5)随机取证为主

运输类飞机的航电系统相当庞大，设备供应商较多，因此主要以设备独立取证的方式完成适航取证。通用飞机的航电系统通常由一个供应商提供，为控制成本，主要采用随机取证的方式，即航电系统跟随飞机一同完成适航取证。表1给出了通用飞机与运输类飞机航电系统的简要对比，此处的安全性指标为系统发生灾难性失效的概率［4］。

表1 通用飞机与运输类飞机航电系统简要对比Table 1 Brief comparison between avionics systems for general and transport aircraft

4 系统架构

通用飞机航电系统按照基本功能可划分为9 个子系统，相应的功能及设备配置如表2所示，ADS－B 为广播式自动相关监视，ILS 为仪表着陆系统，TAWS 为地形感知与告警系统。

表2 通用飞机综合航电系统的组成Table 2 Major subsystems of general aircraft avionics

综合化技术使得通飞航电系统中的独立设备数量大大减少。基本的综合化通飞航电系统由智能飞行显示器、大气航姿设备、综合无线电设备、自动驾驶仪、音频控制面板、机身/引擎接口设备等独立单元组成，系统架构如图1所示。

图1 综合化通飞航电系统架构Fig.1 Integrated general aircraft avionics architecture

系统的综合化主要体现在:

(1)基于带控制接口的智能显示器，实现显示控制界面以及飞行管理功能的综合;

(2)通过大气数据与航姿数据的集中处理，实现飞行参数处理功能的综合;

(3)基于综合无线电设备，实现通信、导航、监视功能的综合;

(4)通过音频控制面板，实现音频信号的集中处理;

(5)通过机身/引擎接口设备，实现飞机参数采集功能的综合。

5 典型产品

在目前众多的通飞航电系统中，具有代表性的是Garmin 公司的G1000 系统和Avidyne 公司的Entegra 系统，下面分别进行介绍。

5.1 G1000 系统

G1000 系统主要针对中小型通用飞机，具有较高的市场占有率。该系统主要由下列设备构成［7－8］:2 台智能飞行显示器;2 台综合无线电设备;2 台大气数据计算机;2 台航姿测量设备;2 台模式应答机;1 台引擎/机身接口设备;1 台音频控制面板。

该系统的主要特点是:

(1)开放式架构，构型灵活，便于功能扩展;

(2)双余度设计，具有较高的可靠性与功能可用性;

(3)以智能飞行显示器和综合无线电设备为核心，综合化程度较高;

(4)在飞行显示器中以软件的形式集成了飞行管理、合成视景、交通咨询等功能;

(5)综合无线电设备集成了超短波通信、超短波导航、GPS、自动驾驶、飞行指引、接口管理等功能;

(6)较多地采用了普通以太网、RS232、RS429等廉价总线，有助于成本控制。

5.2 Entegra 系统

Entegra 是第一款针对轻型通用飞机的综合化航电系统，于2003年推向市场。该系统包含完整的航电功能，最新版本为R9。

基本型的Entegra R9 由综合飞行显示器、控制显示单元、自动驾驶仪、音频控制面板、数据采集单元、气象数据接收机等设备组成，同时可扩展S 模式应答、交通咨询、自动定向、测距、近地告警等功能［9］。该系统主要具有以下特点:

(1)以综合飞行显示器为核心，实现了高度的综合化与模块化。综合飞行显示器实际上是液晶显示模块与显示器机箱的组合，主要的航电设备均以模块的形式集成在机箱中，这些模块包括核心处理模块、大气航姿模块、通信导航模块、GPS 模块和接口模块;

(2)采用常见于运输类飞机的IMA 技术，实现了多个功能软件在核心处理模块上的综合。借助分区操作系统，这些功能软件之间能得到可靠的隔离，从而在保证系统安全性的同时降低研制成本［10］;

(3)双冗余架构与双冗余数据总线结合，避免了单点故障扩展为级联故障;

(4)基于“FMS Vectors”和“GeoFill”等功能，整套系统界面友好，操作简单。

6 发展趋势及关键技术

6.1 发展趋势

推动通飞航电技术发展的因素主要来自民航空管部门和用户两个方面。一方面，随着空域内飞行密度的不断增加，空管部门要求通用飞机安全性更高、对空域资源的利用更加有效;另一方面，用户要求通用飞机经济性更好，操纵更简便［11］。在此背景下，通用飞机航电技术的发展呈现出以下几个趋势。

(1)适应未来低空空管体系的发展

可以预见，在未来的低空空管体系中，各种先进技术将得到应用，以适应空中交通流量的日益增长。多模式航管应答、ADS－B、地空数据链等功能将被纳入通飞航电。

(2)全面的安全性考虑与更加人性化的设计

通过气象探测、近地告警、合成视景、ADS－ B等技术，未来的通用飞机将具有气象、地形、交通等全方位的态势感知能力，飞行更为安全。在操控方面，通飞航电强调简单易用的设计理念，最大限度降低误操作隐患。

(3)飞行过程的智能化

在应用需求的推动下，飞行管理、自动飞行、电传飞控等常见于运输类飞机的先进技术正逐渐在通用飞机上出现。这些技术的应用，将大幅降低飞行员的工作负担，实现飞行过程的智能化，提升飞行品质［12］。

(4)经济性与功能多样性的平衡

未来的通用航空需要航电系统具有多种功能，同时要求功能成本尽可能低。在此前提下，开放式架构和综合化设计是解决经济性与功能多样性之间矛盾的有效途径。

6.2 关键技术

(1)IMA 技术［13］

IMA 即“综合模块化航空电子”，它基于模块化设计、高性能计算机、先进数据总线、分区实时操作系统等技术，带来了航电系统的更新换代。IMA 的目标是，在可接受的成本范围内，实现航电系统功能的多样性、可用性、可维护性以及可扩展性［14］。目前IMA 技术在运输类飞机上已经得到广泛应用，在通用飞机上的应用也已经开始。

(2)软件技术

软件已经开始在航电系统中发挥越来越重要的作用［15］。飞行管理、合成视景、近地告警、飞行控制、综合显控［16］等功能均由软件实现。借助于分区操作系统，多个功能软件可以在同一处理平台上运行，功能之间可以有效隔离，这样既能保证安全性，又能降低制造成本。

(3)电传飞控技术

由于成本较高，电传飞控目前主要应用于运输类飞机。近年来，随着技术的发展，国外已经出现了使用电传技术的通用飞机。这项技术可以取代传统的机械操纵机构，使飞机操纵轻便化，实现飞行轨迹优化及包线保护，从而降低飞机重量、减轻飞机员工作负担、保证飞行安全、提升飞行品质。

(4)轻/小型化与低成本的设计与制造技术

如前所述，通用飞机对航电设备的尺寸和重量都有较高的要求。为此，一方面需要通过IMA 技术提高硬件的集成度和功能的软件化程度，另一方面需要在结构设计过程中多采用有助于减小尺寸和重量的工艺和材料，以实现轻/小型化目标。

在充分采用上述4 种先进技术的同时，系统的设计与制造成本应当得到充分考虑。性价比才是决定系统最终市场表现的决定因素。可以预见，成熟、廉价的设计与制造技术仍将在未来的通飞航电系统中得到广泛运用。

7 结束语

2013年11月18日，中国人民解放军总参谋部会同中国民用航空局联合发布了《通用航空飞行任务审批与管理规定》，并计划于2013年12月1日起正式实施，这对整个通用航空产业的发展是一个实质性的重大利好。在此背景下，通用飞机综合航电技术具有较高的研究价值，相关单位宜尽早开展相关的技术研究及产品研制，形成国内自主研发能力，争取市场份额。

［1］ 通用航空飞行管制条例［S］.Rules of general aviation flight control［S］.(in Chinese)

［2］ 耿建华.通用航空概论［M］.北京:航空工业出版社，2007.GENG Jian－hua.Introduction to General Aviation［M］.Beijing:Aviation Industry Press，2007.(in Chinese)

［3］ CCAR－23－R3，正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定［S］.CCAR－23－R3，Airworthiness Standards:Normal，Utility，Acrobatic，and Commuter Category Airplanes［S］.(in Chinese)

［4］ AC23.1309－1E，System Safety Analysis and Assessment for Part 23 Airplanes［S］.

［5］ Illman P E. 飞行员航空知识手册［M］.4 版. 王同乐，杨新湦，译.北京:航空工业出版社，2006.Illman P E. Pilot＇s Handbook of Aeronautical Knowledeg［M］.4th ed.Translated by WANG Tong－le，YANG Xinsheng.Beijing:Aviation Industry Press，2006.(in Chinese)

［6］ Welch J F，Bjork L，Bjork L. 现代飞行技术［M］. 熊峻江，译.北京:国防工业出版社，2011.Welch J F，Bjork L，Bjork L. Modern Airmanship［M］.Translated by XIONG Jun－ jiang. Beijing:National Defense Industry Press，2011.(in Chinese)

［7］ Garmin Ltd. G1000 Integrated Flight Deck Pilot＇s Guide［EB/OL］. 2008［2013－ 12－ 23］. http://static.garmincdn. com/pumac/G1000:Non－ AirframeSpecific_PilotsTrainingGuide_－05_.pdf.

［8］ 任可，苟江.GARMIN1000 航空电子系统原理及维护方法［J］.自动化与仪器仪表，2009(2):87－90.REN Ke，GOU Jiang.GARMIN1000 avionics system principle and maintain methods［J］.Automation ＆ Instrumentation，2009(2):87－90.(in Chinese)

［9］ Avidyne Corporation. Entegra Integrated Flight Display System Release 9 Pilot＇s Guide［EB/OL］.2009［2013－12－ 23］. http://www. avidyne. com/downloads/brochures/AV829－R9－Brochure－RS－LR.pdf.

［10］ ARINC Specification 653－1，Avionics Application Software Standard Interface［S］.

［11］ 胡问鸣.通用飞机［M］.北京:航空工业出版社，2008.HU Wen－ min. General Aircraft［M］. Beijing:Aviation Industry Press，2008.(in Chinese)

［12］ 李鹏，张磊，窦爱萍. 通用飞机航空电子系统技术发展研究［J］.电子技术，2013(10):5－7，4.LI Peng，ZHANG Lei，DOU Ai－ ping. Research on the Technology Development of General Aircraft Avionics System［J］.Electronic Technology，2013(10):5－7，4.(in Chinese)

［13］ ARINC Report 651－1，Design Guidance for Integrated Modular Avionics［S］.

［14］ 尤海峰，刘煜.大型民用飞机IMA 系统应用分析及发展建议［J］.电讯技术，2013，53(1):110－116.YOU Hai－feng，LIU Yu.Application analysis of and development suggestion for IMA system on large civil aircrafts［J］. Telecommunication Engineering，2013，53(1):110－116.(in Chinese)

［15］ 陈颖，苑仁亮，曾利. 航空电子系统模块化综合系统集成技术［M］.北京:国防工业出版社，2013.CHEN Ying，YUAN Ren－liang，ZENG Li.Integrated avionics system module integrated system［M］. Beijing:National Defense Industry Press，2013.(in Chinese)

［16］ 张双，茹伟，张磊. 小型综合座舱显示系统软件设计与实现［J］.电光与控制，2013，20(6):62－65.ZHANG Shuang，RU Wei，ZHANG Lei. Design and Implementation of Small Integrated Cockpit Display System Software［J］. Electronics Optics and Control，2013，20(6):62－65.(in Chinese)