民用飞机综合监视系统架构及趋势研究

李伟 郑智明

摘 要：集成化和模块化是现代民用飞机航空电子系统的重要发展趋势。综合监视系统将航空电子系统中的气象监视、地形监视和交通监视功能集成，从而使得综合监视系统能够获得相对于传统监视系统更小的设备体积和更低的功率消耗。该文介绍了民用飞机综合监视系统架构，并对其发展趋势进行研究，对于指导民用飞机综合监视系统设计具有参考意义。

关键词：综合监视系统 气象雷达 交通告警和防撞系统 地形提示与告警系统

中图分类号：V243.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（a）-0015-03

1 系统概述

在现代民用航空电子系统中，监视功能主要包括对气象的监视、对地形的监视以及对交通状态的监视。

气象监视功能由气象雷达实现，由气象雷达天线、驱动、收发机和处理机组成。其中，气象雷达天线将雷达发射机产生的射频信号向前辐射并接收气象回波信号，驱动装置控制天线的扫描运动，收发机产生射频信号并通过平板天线辐射，同时负责接收天线接收的气象回波信号后放大并转化为数字信号后传递给处理机，处理机将数字化的气象回波信号处理计算，并将气象图像发送到显示告警系统进行显示并向机组提供必要的告警。目前主流的气象雷达功能包括气象探测、紊流探测、地形探测和预测型风切变等功能，主要的输入信号来自惯性基准系统、大气数据系统、无线电高度表、全球定位系统、地形提示与告警系统 起落架系统等。

地形监视功能由地形提示与告警系统（TAWS）提供，主要包括传统的近地警告系统功能（GPWS）、基于地形数据库的预测型地形功能，以及反应型风切变功能，其主要架构包括地形数据库（包括地形数据、障碍物数据、机场数据和跑道数据等）、告警包线、运算处理单元等组成，集成于单独的LRU中。地形提示与告警系统利用全球定位系统、惯性基准系统、无线电高度表、大气数据系统等系统提供的输入数据计算飞机位置、高度等，并与地形数据库中的数据进行对比，从而计算出飞机与地形发生碰撞的危险，并通过目视与音响系统将撞地风险向飞行机组发出告警。

交通监视功能由交通告警和防撞系统（TCAS）和应答机的询问和应答协同工作提供：交通告警和防撞系统向附近空域中的其他飞机的应答机发出询问，并接收其回复的相应飞机的高度、速度、垂直速度和航向等数据，并结合该机数据进行计算，以判断是否存在撞机危胁；该机应答机回复其他飞机或地面交通管制台发出的询问信号，并与其他飞机协调避让策略。另外，广播式自主相关监视系统（ADS-B）作为交通监视未来的发展趋势，也在民用航空领域中得到积极的推动，而在目前的过度阶段，交通告警和防撞系统与应答机分别实现了ADS-B功能的接收（ADS-B IN）和发射（ADS-B OUT）功能。

随着航电技术的发展，主流的航电系统供应商将传统的气象监视、地形监视和交通监视功能进行集成，形成了多功能的综合的监视系统。

2 综合监视系统架构

集成化和模块化是现代民用飞机航空电子系统的重要发展趋势。由于地形监视、气象监视和交通监视的相似输入（如位置、航向、气压高度、飞机姿态、中地状态、空速以及地速等），因此，将这几个功能进行集成可以提高航电系统的利用效率；同时，根据DO-254要求，不同的研制保障等级的硬件和软件有不同的设计和研制要求，如果将研制保障等级差异过大的功能进行集成，有可能大大增加开供应商的开发成本，因此，进行集成还需要考虑到各个功能的研制保障等级，而民用飞机中地形监视、气象监视和交通监视功能一般定义为C级的研制保障等级，相同的研制保障等级为几项监视功能的集成提供了基础。因此，在现代最新的民用飞机航电系统中将以上的监视功能进行集成，通过模块化设计，组成综合监视系统，提高了航电网络的利用效率，减轻航电系统设备重量，减小设备体积。

对于综合监视系统的设计，目前主流的航电系统供应商通常将三种监视功能集成于同一LRU（综合监视计算机）中，三种监视功能分别驻留于单独的功能模块（板卡）中，气象雷达功能中的天线组件、驱动组件和收发机模块安装于雷达罩内部，由综合监视计算机进行供电，并通过光纤或电缆与综合监视计算机中的气象雷达处理模块进行通信。

由于在民用飞机运行要求中规定，运输类的民用飞机必具备两套TCAS和应答机功能，因此，在综合监视系统中需要具备两套TCAS和应答机功能，两套交通监视功能可通过天线切换开关切换/共享的顶部和底部交通监视天线组件；另外，气象雷达功能为飞机飞行过程中经常使用到的功能，且气象雷达收发机、驱动装置等组件均安装于雷达罩内，属于非环控区域，设备的工作环境相对比较恶略，比较容易发生故障，因此航空公司对多套气象雷达的配置具有较大的需求，目前主流的综合监视系统供应商可提供多套的气象雷达配置，将双套的气象雷达收发机模块安装于驱动单元两侧，并分别与两套综合监视计算机中的气象雷达处理单元进行连接，通过共用驱动单元和平板天线的形式实现了双套气象雷达配置；另外，TAWS功能也可以根据航空公司的要求选择单套或者双套的配置。目前Boeing 787和Airbus 380均采用了上述的综合监视系统架构。其架构如图1所示，图中虚线部分为可根据客户要求进行选装的功能模块。

在上述的综合监视系统架构中，由于综合监视系统采用了高的集成设计，因此造成了整个综合监视系统设备均需要由特定的供应商提供，而这种情况恰恰限制了综合监视系统的客户个性化的要求，特别是不同供应商之间差异化较大的气象雷达。因此，部分的综合监视系统方案中将气象雷达设备从综合监视计算机中独立出来，只将地形监视和交通监视功能集成于独立的LRU中，而气象雷达设备由客户进行先择，进而进行系统集成。Airbus 330飞机安装的T3CAS系统即采用了上述的综合监视架构。

3 基于IMA的综合监视系统架构

IMA平台是一个共享硬件和软件资源的通用平台。IMA平台本身不提供飞机级功能，它为飞机功能提供包含数据计算、数据传输和数据转换在内的资源功能，以及包含健康监控、故障管理等功能的支持功能。这里所说的飞机功能指的是驻留在应用 和驻留功能。驻留应用是驻留在IMA平台内并执行一定飞机功能的软件。驻留功能是使用IMA平台的飞机功能。

集成化和模块化是现代民用飞机航空电子系统的重要发展趋势，IMA平台做为飞机数据处理了交换的中枢，其也越来越多的承担了飞机其他功能应用程序的驻留任务，但是，由于目前技术能力的限制和民用飞机高运行安全性的要求，IMA平台无法满足高研制保障等级的功能适航要求，而地形监视、气象监视和交通监视功能的研制保障等级相对较低，因此可以考虑利用IMA平台的软件驻留能力，以进一步提高航电系统的集成化。同时，由于IMA平台本身使是飞机各个系统数据交换的中心，因此，将部分应用软件驻留在IMA平台中，可以有效的减小综合监视功能与其他系统数据传输的延时，提高数据的及时性，尤其对于交通监视功能格外重要。

IMA平台只能驻留综合监视功能数据处理、计算相关的应用软件模块，因此对于需要射频的功能依然需要依赖外部的射频模块以及相应的天线组件，如同综合监视监视系统中的气象雷达收发机模块、天线组件与气象雷达的综合监视计算机之间的关系。另外，由于在IMA平台中存在其他应用的驻留，因此，在系统设计过程中可以考虑与其他系统共用软件模块，例如在综合监视功能中可以考虑将TAWS的地形数据库模块与飞行管理系统的地形数据进行共用。基于IMA平台的综合监视系统架构如图2所示。

在以上的综合监视系统架构中，将综合监视功能的所有计算处理功能以软件模块的形式驻留在IMA平台中，仅将交通监视功能的射频模块和气象探测功能的收发机两个射频模块独立硬件，这样的架构充分利用了IMA平台的计算处理能力。在精典的综合监视系统架构中，其他飞机系统的输入信号要通过飞机数据网络（即IMA平台的一部分功能）传递至综合监视计算机单元，而基于IMA架构的综合监视功能省去了信号的二次传输，直接提高了数据的传输速度以及相关的可靠性和完整性指标。

对于基于IMA平台的功能架构，传统的系统供应商将不再提供完整的软件、硬件设备，而只需要提供驻留于IMA平台下的功能应用，因此，在此架构下，飞机主制造商的系统集成能力和适航验证能力将受到极大的考验，依然需要进行不断的研究和积累。

4 结语

随着航空电子技术的日益发展，综合化、模块化和集成化已经成为了航电系统发展趋势，航空电子系统设备重量越来越小，功能起来越低。气象监视、地形监视和交通监视由于其相似的输入输出以及相似的功能等级，综合监视系统的概念也随即提出，并且综合监视系统的相关RTCA/DO和ARINC标准也已经发布，并在世界主流的主制造商中应用。另外，随着航电系统IMA平台的发展，其软件驻留能力也越来越受到了重视，而选择将综合监视功能与IMA平台相结合，将进一步提高航电系统软件和硬件的利用率，进一步提高航电系统的综合化了和集成化。

参考文献

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