面向民用直升机的航电系统架构改进设计

朱兖植

(中国航空无线电电子研究所，上海 200241)

0 引言

民用直升机航电系统随着航空电子技术的更新换代，经历了从分立式仪表到联合式航电系统的发展，再逐步过渡到先进的综合模块化航空电子系统架构[1]。在日新月异的需求的牵引下，民用直升机航电系统往更开放的系统架构、高安全性设计、更好的人机交互体验方向发展。国内的民用直升机市场具备广阔的增长空间，但目前受国外技术管控、研发成本、商业模式等因素的影响，国内民用直升机产业发展得不成熟、不均衡。当前国内民用直升机的航电系统多以联合式系统架构为主，其功能性能与国外先进机型存在一定差距，仍具有较大的改进空间[2]。

民用直升机航电系统对于飞行管理功能的需求很强烈，一方面飞行管理系统(FMS)能结合多传感器导航，增强直升机符合民航运行要求的能力，提高飞行过程中的导航精度和系统的安全性；另一方面，可以实现高度自动化飞行，符合国外先进民用直升机操作风格，降低机组工作负荷，进一步保障飞行安全；同时能提供最佳飞行剖面的引导，可以降低油耗，改善经济性[3]。如何在现有架构基础上完善飞行管理系统的功能，成为民用直升机迫切需要解决的问题。

1 航电系统现有架构剖析

以国产某型民用直升机为例，其航电系统由综合显示系统、通信系统、导航系统、飞参及音频记录系统、机电管理系统等分系统或设备组成。该型机航电系统具备典型的联合式航电系统特点，配备了4台10英寸的有源矩阵液晶显示器，以ARINC429和RS422总线为主要数据传输载体，依靠两台综合显示处理机(IDP)作为外系统数据收发和处理中心，控制显示单元(CDU)作为主要人机交互接口，用于实施飞行计划和操作控制，有效地减少飞行员和机组的操作负荷，提升人机交互水平(图1)。

综合显示系统是该型直升机航电系统的核心分系统之一，主要承担飞行信息的显示、分系统数据接收和处理、外部系统控制交互、飞行航线制定、参数设置等主要功能。通信系统包括短波电台、超短波电台，用于飞行机组与地面之间的通信服务。导航系统包括组合导航、光纤航姿、无线电高度表、自动定向仪、组合接收设备等设备用于提供直升机的导航服务。该型机配备多普勒雷达和气象雷达，用于天气预测及搜索救援。

图1 原有航电系统架构示意图

2 航电系统升级需求捕获和分析

2.1 国外同类型机型航电系统分析

国外与该型机类似的直升机有阿古斯塔-韦斯特兰公司的AW101直升机、西科斯基公司的S-76直升机以及欧直公司的EC225直升机等。表1对这几款直升机的航电系统进行简略分析。

从表1中可以看出，该型机航空电子系统与目前国外同类型民用直升机无论是性能上还是功能上都存在一定差距，主要有以下几个方面：

其一，具备先进的有源矩阵液晶屏，但显示性能有待改善，显示内容相对单一，综合显示系统在功能和性能上有待提升；

其二，无监视相关的应用功能，TCAS、TAWS等应用缺少；

其三，没有装备飞行管理计算机或者飞行管理功能模块，不具备完整的飞行管理系统功能。

该型机仅能处理简单的飞行计划制定、航路点修改与显示、航线数据库管理、航段引导等任务，缺少标准进离场程序、航线偏置等飞行计划管理功能。

该型机不具备完备的数据库管理能力，缺少性能计算与预测、综合导航管理等功能，导航精度有待提升，缺乏最优的飞行剖面解算并进行飞行引导的能力。

表1 同类型机型航电主要特点对照表

2.2 典型应用场景分析

该型机是一款多用途中型民用直升机，按照飞行任务的不同，其主要应用场景包括人员与货物运输、海洋执法、森林和城市灭火、搜索和救援等[7]，具体分析如下：

1)人员与货物运输的应用场景，包括人员运输和伤员转送、短途旅游观光、物资补给运输等特定任务场景。该应用场景下，充分发挥民用直升机具备的人员和货物运输优势，其后舱空间大、发动机性能优异的特点保证了人员运输的舒适性和效率。

2)海洋执法的应用场景，包括海监巡逻、近海执法、海洋应急和海洋搜索等。该应用场景下，利用该型机优异的动力性能，开展近海巡逻与执法工作，配合其他舰船，进行多任务协同工作。

3)森林和城市消防的应用场景，包括森林消防、护林巡线、空中指挥以及城市灭火等场景。森林消防是该型直升机的另一个典型应用场景，该场景下直升机主要实施空中指挥、吊桶装载、灭火救援等任务，有效解决森林和城市火情下消防人员无法靠近的难题。

4)山区和高原的搜索救援应用场景。该应用场景下，充分利用该型直升机优异的高原飞行性能，在高原和山区交通不便的地区，开展搜索和应急救援等任务。

2.3 航空电子系统升级需求分析

结合国外同类型直升机的特点以及民用直升机的应用场景分析，梳理直升机航空电子系统的升级需求，主要是增强直升机符合民航运行的能力，提高系统安全性，改善人机工效并降低飞行员负担，提升经济性等方面。针对该型机不同的应用场景，分析各应用场景下对飞行管理系统的需求，具体如下：

1)人员与货物运输的场景下，利用FMS标准导航数据库的信息，结合多传感器导航和飞行计划管理，飞行民用航线，并在民用机场起降，扩大飞行空域，提升直升机的飞行效率。

2)海洋执法的应用场景下，利用FMS具备的性能计算和预测功能，实施精准的飞行引导，支持直升机快速响应作业任务，保障直升机在海上运行的效率和安全性。

3)森林和城市消防的应用场景下，利用FMS具备的导航数据库信息，实现高效的数据库管理调度，实施精确导航和飞行引导，有效支撑直升机消防作业。

4)搜索救援的应用场景下，利用FMS具有的搜索航路规划功能，优化飞行计划和水平引导，提升直升机搜索作业的效率，大大增强直升机的机动能力。

3 加装飞行管理系统的架构设计

针对该型民用直升机航空电子系统优化架构以及完善飞行管理系统的升级需求，目前主流的可选方案有四种，分别是“单独任务机”方案、“控制显示单元(CDU)一体化”方案、“综合显示处理机(IDP)”一体化方案以及“综合模块化(IMA)”方案。

3.1 “单独任务机”方案

“单独任务机”方案指的是飞行管理系统具备单独的飞行管理计算机，飞行管理应用驻留于飞行管理计算机内，借用综合显示系统的CDU作为人机接口装置，与飞行机组进行交互。该种方案下的航电系统架构图如图2所示。

图2 “单独任务机”架构示意图

“单独任务机”架构的特点在于具备独立的飞行管理计算机和标准的控制显示单元，飞行管理应用驻留于飞行管理计算机内部，飞行管理功能与显示系统功能分离。同时，外部交联系统需要留有飞行管理系统接口。

3.2 “控制显示单元(CDU)一体化”方案

“CDU一体化”方案指的是飞行管理系统不具备单独的飞行管理计算机设备，飞行管理处理模块驻留在CDU内部，整合飞行管理处理模块和CDU显示处理模块，实现部分物理综合和功能综合。该种方案下的航电系统架构图如图3所示。

图3 “CDU一体化”架构示意图

“CDU一体化”架构的特点在于飞行管理系统与综合显示系统的显示控制高度综合化，飞行管理系统与综合显示系统功能能有效分离，提升飞行管理系统操作控制的时效性；同时，没有独立的飞行管理计算机，从整个航电系统来看，重量和功耗增加相对较少；但外部系统仍然需要留有飞行管理系统接口，而原有的CDU需要同步增加对外系统交联的接口，因此，会对CDU的处理能力和接口能力提出更高的要求。

3.3 “综合显示处理机(IDP)一体化”方案

“IDP一体化”方案与“CDU一体化”方案类似，不具备单独的飞行管理计算机设备，飞行管理处理模块驻留在IDP内部，实现了部分物理综合和功能综合，CDU仍然作为飞行管理系统的操作输入以及人机交互接口。该种方案下的航电系统架构图如图4所示。

图4 “IDP一体化”架构示意图

“IDP一体化”方案的特点在于飞行管理系统的核心处理模块驻留于综合显示处理机内，调用综合显示处理机的接口资源，实现对外部分系统或者设备数据的采集，通过IDP内部总线，跟综合显示系统进行数据交互和控制操作，综合显示系统与飞行管理系统物理上高度综合，功能上则进一步区分。该种架构对原有综合显示系统的处理机提出较高要求，原有的接口资源、内部数据交互模式以及软件分工需要重新审视；但这种架构对整个航空电子系统架构影响最小，对外部系统和设备无需扩充电气接口。

3.4 “综合模块化(IMA)”方案

为了实现更快速高效的数据交互模式，对原有航电系统进行内部架构优化，采取“综合模块化(IMA)”架构形式，即采用符合ARINC664标准的数据总线，取代原有HDLC数据交互总线，作为综合显示系统内部以及各驻留系统的数据交互总线。外部交互分系统仍然以ARINC429或者RS422总线为主。“综合模块化(IMA)”方案的架构图如图5所示。

图5 “综合模块化(IMA)一体化”架构示意图

“综合模块化(IMA)”方案的特点是充分利用开放式体系架构以及统一的机载数据网络交换技术，实现各系统高度的物理综合和功能综合。综合显示系统中的显示控制装置功能进一步综合与优化，改变传统的点对点传输模式，充分实现数据的共享，极大地促进了数据交互的及时性和可靠性。飞行管理系统以通用处理单元的硬件平台为基础，实现与外系统的数据交互，既提升了与CDU之间的交互水平，又节省了接口资源。

4 不同架构实施途径的分析比较

上节中提到的四种加装飞行管理系统的方案是目前主流的实现形式，无论是“单独任务机”方案、“CDU一体化”方案还是“IDP一体化”方案，都是联合式航空电子架构形式，延续原有的以ARINC429和RS422等数据总线为主要传输载体的架构形式，不需要对既有航空电子系统架构做大的改动。“IMA”方案则会对原有航空电子系统架构进行优化升级，选择更高效可靠的以ARINC664总线为载体的架构形式，无论综合显示系统还是各交联分系统，均需要在接口、总线以及软件等方面做相应的改变。

4.1 改动量分析

我们从对原有系统平台软硬件的改动、接口需求、分系统或设备的改动等方面对四种方案进行深入分析。

“单独任务机”方案需要增加两台飞行管理计算机，飞行管理软件驻留于飞管计算机内。硬件上，“单独任务机”方案对既有综合显示系统硬件影响最小，综合显示处理机和CDU采用预留的ARINC429接口与新增的飞行管理计算机进行交互通信；但从整机角度出发，飞行管理系统所需的交联分系统均需要增加跟飞行管理系统的通信接口，这会导致增加相当数量的电气接口。从整个航空电子系统重量上分析，不仅增加了两台飞行管理处理机设备，同时增加了加装的机上电缆，产品功耗也会同步增加。

“CDU一体化”方案无需增加单独的飞行管理计算机，将飞行管理模块与CDU进行综合，原有CDU设备需要进行优化升级，同时CDU需预留ARINC429总线与分系统或者设备进行通信；从整机角度出发，“CDU一体化”方案下所需的交联分系统同样需要增加跟飞行管理系统的通信接口，导致增加相当数量的电气接口。虽然对飞行管理计算机进行了物理综合，减少了部分设备的重量，但增加的机上电缆仍然无法避免，同时对CDU设备的性能、接口要求更高。

“IDP一体化”方案也无需增加单独的飞管计算机，将飞行管理模块与IDP进行综合，对原有IDP和CDU设备进行优化设计。这种架构下，飞行管理模块借用IDP的对外接口与外部分系统或者设备进行交联，无需扩充电气接口，对整个航空电子系统架构的影响最小。但IDP需要在设备性能、接口分配、软件分工上进行优化升级。

“IMA”方案下需要对整个综合显示系统以及飞行管理系统进行全面的架构设计，以ARINC664总线形式作为主要交互形式。这种架构下，虽然能充分实现数据的交互和共享，但无论是综合显示处理机、控制显示单元还是显示器单元均需要从功能、性能、接口等方面进行整体升级；除此之外，还需要增加通用接口处理单元设备用于外系统数据之间的交互，硬件上的改动量最大；与此同时，相应的驻留软件均需要重新开发，以适应不同总线格式和数据规范的要求。

4.2 架构评估与建议

通过对四种方案的分析与比较，我们从技术成熟度、技术先进性、改动量大小、人机工效水平、可维修性、经济性等角度进行综合评价，以1-10分打分，分值越大越优，如表2所示。

表2 四种方案评估表

如果沿用原有的航空电子系统架构，则方案三(“IDP一体化”方案)最优，改动量最小，经济性最好，技术成熟度高，风险可控；如果从技术先进性以及航空电子技术发展的角度出发，选择方案四(“IMA”方案)较好。

5 结论

民用直升机航空电子系统的架构取决于直升机的应用场景和功能，本文从新时期民用直升机的应用场景出发，结合对联合式航空电子系统加装飞行管理系统的需求，提出了四种有效可行的方案。从四种方案的各自特点、对既有航空电子系统改动量和对整机的影响等方面作了深入分析和架构评估，为后续民用直升机航空电子系统平台的改进设计提供技术支持和方案借鉴。同时，针对民用直升机对安全性的高要求，在后续实施过程中，民机架构评估中更应引入系统安全性的分析与设计，充分识别技术风险，从多角度，科学地评估航电系统的架构。