航空电子系统的发展历程及发展建议
2019-11-30王恒贾蒙西北工业大学
王恒 贾蒙 西北工业大学
引言
航空电子系统涉及通信、导航、识别、探测、飞行管理、显示控制等功能，对民机飞行员而言，航空电子系统提供全部飞行信息及决策建议，可以实现双向人机交互和空地通信，帮助飞行员完成给定的飞行任务。
1 航空电子系统发展历程
近年来，由于AR、VR、量子计算机、人工智能等高新技术的快速发展，航空电子系统发展迅速，综合化、智能化、模块化水平不断提高，已经日益成为大型飞机不可或缺的组成部分，在保障大型飞机安全、可靠的完成相关任务中发挥着非常重要的作用。航空电子系统经过近一个世纪的发展，经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式四个发展阶段。
1.1 分立式航空电子系统
第一代航空电子系统为分立式结构，20 世纪初到20 世纪50 年代是离散式结构阶段，雷达、通信、导航等设备各自均有专用且相互独立的天线、射频前端、处理器、显示器等，连接方式为点对点连接。各个系统和模块是独自完成各自功能的，即在整个完成任务的过程中，从参数获取，数据分析到数据输出都是在各自独立的系统中完成的。所以在飞行过程中，飞行员需要时刻观察各个飞机参数，通工这些独立的参数来判断飞机的状态。另外，在对飞机操控的过程中，飞行员需要分别对各个系统进行操作和修正，这种形式的航空电子系统被定义为第一代航空电子系统。所以对于第一代航空电子系统而言，不存在终端计算机对整个系统的控制，每个子系统有各自的传感器、控制器、显示器以及自己专用的计算机并且专用性强。同时存在着一些弊端，例如缺少灵活性，难以实现大量的信息交换，而且任何改进都需要通过更改硬件来实现。
1.2 联合式航空电子系统
第二代航空电子系统为联合式结构，各设备前端和处理部分均独立，信息链的后端控制与显示部分综合在一起，达到资源共享，60至70 年代的航空电子系统逐步推广到这种结构，现已广泛应用于现役航空器中。与第一代分立式航空电子系统相比，该系统大大减轻了飞行员的负担，简化了系统设计。在该系统中，各个独立的设备通过1553B 总线互联，实现了各个子模块之间的数据共享，进而提高了系统性能。而且由于子系统之间的相对独立性，可以实现模块化软件设计，使得整个系统便于维护、更改和功能扩充，进而可以降低研制的成本。
虽然在一定程度上解决了数据资源共享和综合显示控制的问题，但随着航空电子系统的进一步复杂化，第二代联合式航空电子系统也表现出了一些问题：各个模块之间未实现软件和硬件的共享，仅是在显示和控制层面上实现了综合，即综合化程度低；信息传输速率较低，1553B 总线的传输速率仅为1Mb/s，无法满足日益增长的数据传输需求；系统通过总线控制器集中控制，缺乏系统控制上的健壮性；需要外场、内场和车间三级维修支持，使得维修成本提高。
1.3 综合式航空电子系统
80 年代美国的“宝石柱”航空电子系统是其典型代表，它具有更大范围的综合信号处理和控制/显示功能。这一代系统的主要特征是可以用少量模块单元完成几乎全部的信号与数据处理，导航、通信、地形等数据可以融合。综合式航空电子系统将整个系统分为传感器区、数字信号处理区、任务管理区和飞机管理区。在各个功能区中，许多基础功能模块实现共享，提高了系统的健壮性。进而使得系统结构层次化，功能模块标准化，数据总线高速化，同时维护方便、容错率强且易扩展。
2 航空电子系统发展方向
2.1 开放式的系统结构
开放式系统结构便于构成分布式系统，便于不同厂家生产的、不同型号计算机或其他硬件之间互联、互通和互操作，也便于硬件、软件的移植，便于系统功能的增强和扩充。此外开放式系统结构还支持系统可变规模，有利于缩短研制开发周期。
2.2 综合核心处理系统（ICP）技术
系统中高度综合的核心处理系统是多种先进技术的汇集地，很多计算、处理、控制和管理功能都是在ICP 中完成，负责实现传感器输入数据的综合处理、数据融合、任务计算、视频信息生成、导航计算、通信管理、系统控制和故障监视、检测、重构等多种功能。新一代航空电子系统的许多特性都在ICP 中。
2.3 软件技术
随着航电系统结构的发展和任务功能的增长，软件的比重和开发费用正在逐步上升。软件替代了硬件为一些航空电子系统提供计算。这种软件被叫做功能函数，每个功能函数都替代了一些设备，并使这种多重函数在同一个CPM 上使用相同的硬件。即软件就是设备。
2.4 总线技术
多路传输总线系统是航空电子综合系统的信息传递枢纽。通过多路复用原理，大大减少了航空电子系统内部的耦合电缆数量，并提供了信息充分利用和融合的必要条件。目前，广泛采用的总线有：MIL-STD-1553B 和 高 速 数 据 总 线（HSDB）等。MIL-STD-1773 总线是1553B 总线采用光纤作为传输介质的总线，它具有不产生点磁干扰的特性。采用光纤作为传输介质，具有很强的抗电磁干扰能力。
3 航空电子系统未来发展建议
3.1 量子计算机的应用
量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0 或1，也能同时代表0 和1 以及0 和1 之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。因此，量子计算机高效的运算能力使其在未来替代现有的中央处理器成为可能，届时航电系统的数据处理能力将得到大幅度的提升。
3.2 云计算的应用
云计算是一种基于互联网的大众参与的计算模式，其计算资源（包括计算能力、存储能力、交互能力等）是动态、可伸缩、虚拟化的，而且以服务的方式提供。云计算加速从数据共享、信息共享走向服务共享。随着5G 的普及，信息传输带宽将得到大幅度提升，届时可以将航电系统的一部分数据传送到云端进行处理，这样不但可以提升航电系统的性能，在一定程度上降低航电平台的复杂度，而且可以降低维修成本。
