无线网络技术在飞机系统中的应用与趋势分析

2022-03-17任宝平

电光与控制 2022年3期

任宝平，李创

(航空工业第一飞机设计研究院，西安 710000)

0 引言

随着航空技术的发展，飞机系统需要实时传输的信息量不断增加，对数据网络传输带宽也提出了更高要求。飞机系统之前普遍通过有线网络传递信息，例如ARINC664/AFDX，MIL-STD-1553B，ARINC429等总线网络。有线网络电缆需求数量巨大，A380-800飞机有约100 000根电缆，总长度约470 km，总质量超过5700 kg，固定电缆还需要专门的支架，电缆和支架的总质量达到7410 kg[1]。B787飞机的电缆长度约500 km，电缆和扎带的总质量约7400 kg，约占全机质量的3%[2]。电缆不仅质量大，而且增加了飞机制造成本。受导线制约，每个系统新增接口都需要重新规划布置导线，基础设施的布线时间带来了飞机设计的额外成本[3]。

波音和空中客车公司已经开始在飞行娱乐系统中使用无线技术。NASA正在开展推进航空机载内部无线通信(WAIC)项目研究工作，设计全无线飞机[4]。美国塞斯纳310R飞机的控制系统采用无线传感器网络(WSN)使得质量减轻40.82 kg，航程增加10%[5]。

飞机设计人员需要考虑替代技术来解决导线问题，如采用无线网络取代有线网络。无线技术因不需要系统布线可以显著减轻电缆和设备质量，减少线路老化等带来的使用维护问题，降低火灾风险，提高飞机的生存性和系统的可靠性，无线连接对于水、液压油、烟、火等环境因素具有更好的耐受性。

飞机系统应用无线网络技术必须考虑在高空恶劣环境下如何保证系统正常工作的问题，同时需要根据应用场景选择不同的无线网络方案，以满足不同的需求。

本文总结了无线网络技术的研究现状，分析了无线网络技术在飞机系统中的应用场景和技术挑战，展望了未来应用发展趋势，最后分析给出了不同应用场景对应可选的无线网络方案。

1 无线网络技术的研究现状

1.1 货架无线网络技术研究现状

货架(COTS)无线网络技术种类较多，包括IEEE 802.15.1(蓝牙),IEEE 802.11a(Wi-Fi)，IEEE 802.11n(Wi-Fi)，ECMA-368，IEEE 802.15.4(Zigbee)，IEEE 802.15.3(UWB)等。表1对各种COTS无线网络协议的特性进行了对比分析。文献[6]介绍了IEEE 802.11 a/b/g协议在塞斯纳172飞机无线飞行管理系统的开发和飞行测试情况，提出了基于ECMA-368的无线网络是替代ARINC 664/AFDX网络的首选技术；文献[7]介绍了洛克希德·马丁公司在编号为6282的F-16B试验机上验证了蓝牙技术在预测与健康管理系统中的应用可行性；文献[8]研究了IEEE 802.11n在客舱娱乐系统中的应用；文献[9]研究了Zigbee在飞机状态监测系统中的应用；文献[6]说明了Zigbee最适合在飞机WSN中应用；文献[10]分析WAIC系统的无线电通信范围在100 m以内，发射功率范围为10～50 mW，IEEE 802.15.4(Zigbee)和IEEE 802.11a/g是最适合应用的技术；文献[11]分析了蓝牙，Zigbee，Wi-Fi等无线网络技术在航空发动机控制系统中的研究现状；文献[12]对UWB在飞机机舱环境下的使用进行了建模和仿真分析研究。

表1 无线网络协议的特性比较表Table 1 Comparison of characteristics of wireless network protocols

1.2 新无线网络技术研究现状

1.2.1 ARINC822

ARINC822规范于2006年发布，其基于IP协议提供了停泊飞机与地面IP网络无线通信的参考标准，采用半双工的无线(基于射频)通信方式，存在于机场(或在维修点)的网络通信节点与飞机的网络通信节点之间。提供IEEE 802.11a/b/g/n与以太网连接，或使用其他兼容的无线技术实现同样的功能。文献[13]给出了ARINC822的应用示例。

1.2.2 5G网络

第五代移动通信技术(5G)具有超宽带、海量连接、低时延、高可靠的特点。5G技术主要使用6 GHz以下和24 GHz以上(毫米波)两个频段，融合了多种先进的无线通信和网络技术。通过毫米波技术可实现10 Gibit/s的短距离通信；采用大规模的多天线收发和波束赋型技术，成倍提升信道容量；依托新型多址技术，显著提升频谱效率与系统的接入容量。具有超高可靠、超低时延特点的5G通信技术是最有可能在飞机上得到广泛应用的技术。文献[14]给出了5G在航空装备中的应用场景。

1.2.3 6G网络

2019年11月，我国成立了第六代移动通信技术(6G)研发推进工作组和总体专家组，正式启动6G工作。6G采用毫米波与太赫兹等技术，峰值最大传输速率达到1 Tibit/s。6G的显著特征为全频谱、全覆盖、全应用、强智能、强安全。文献[15]研究了6G技术在航空应用中频谱认知智能管控的体系架构和关键技术。

1.2.4 可见光通信

可见光通信(Visible Light Communications，VLC)是一种光无线通信系统，通过调节用于照明的可见光(波长400～700 nm)来传输信息。VLC是一种短波通信技术，属于视距模式，只要信道被遮挡信号就会中断，减小了信息被窃取的概率。文献[16]研究了可见光在飞机机舱无线通信系统中的应用。

1.2.5 量子通信

量子通信是量子信息科学的重要分支，利用量子态作为信息载体的全新通信技术。量子通信技术的安全性由“测量塌缩理论”、“海森堡测不准原理”和“量子不可克隆定律”的量子力学基本定律保证，具有理论上无条件安全的优势[17]。2016年8月16日中国研制的“墨子号”量子通信实验卫星发射升空，并已开展了量子卫星通信实验。

量子通信具有高效率和绝对安全的特性，虽然在飞机上的应用研究很少，但是应用前景广阔。

2 应用场景及技术挑战

2.1 应用场景

飞机系统按照工作时段可以分为空中工作(包括滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近与着陆)和地面工作两类；无线网络按照是否参与系统闭环控制可以分为闭环和监控两类。组合之后有4类应用场景：地面-监控、空中-监控、地面-闭环、空中-闭环，每一类又包含多个具体的应用场景。

2.1.1 地面-监控

飞机处于地面，无线网络仅作为监控设备的通信网络，因此对无线网络的可靠性和时延要求都不高。具体应用场景如下。

1) 地面维护。飞机维护数据需要从飞机上传输到地面站，传统方式是当飞机停泊后，地勤人员携带地面设备或者移动存储盘与机载设备连接并下载数据，工作量大、耗时长。改用无线网络之后，飞行维护数据通过无线网络自动由机载设备传输到地面站设备，完成数据下载。

2) 地面监控与测量。飞机部分地面检查项目受到设备安装空间狭小和接触不方便的限制，地勤人员检查费时费力。通过安装无线传感器，地勤人员采用无线接收设备可实现非接触检查。文献[12]中提到的无线胎压和刹车温度测量已经在B737MAX和C919飞机上得到应用。

3) 货舱对讲。军用运输机的货舱较大，传统方式下货运人员通过固定话筒或者有线耳机与机组通话，通话时货运人员工作受限，效率不高。采用蓝牙无线技术，在货舱内部间隔一定距离布置蓝牙接收终端，货运人员佩戴蓝牙耳机可以一边与机组对讲，一边工作。

4) 机载软件远程升级。机载软件升级的传统方式是将设备拆卸升级或者通过移动存储盘插入到飞机特定设备上完成软件升级。升级过程复杂，耗费大量人力和时间，容易出错。机载软件远程无线升级是未来的发展方向。通过高安全的无线网络把待升级的软件直接传输到飞机系统软件存储单元中，可实现远程升级。

2.1.2 空中-监控

飞机处于空中，无线网络仅作为监控设备的通信网络，因此无线网络的可靠性要求高，时延要求不高。具体应用场景如下。

1) 客舱娱乐服务。传统飞机客舱娱乐系统将固定音视频内容存储在系统终端的硬盘中，供乘客选择。由于内容少、更新不及时、无法与互联网连接，已经不能满足乘客需求。采用无线网络技术可以实现系统终端与飞机固定服务器的无线连接，固定服务器通过专用设备与地面互联网连接，保证乘客既可以上网，又能看到最新的音视频内容。

2) 飞机状态信息监测。飞机的重要部件(如发动机、重要结构件、机翼载荷)在飞行过程中会产生大量的状态信息，监测并分析这些信息可以判断飞机的健康状态。传统飞机受到布线困难的限制，仅能小部分监测状态信息。采用无线网络技术可以解决布线困难的问题，在飞机上大量布置无线传感器，增强飞机状态信息监测和健康诊断的能力。

2.1.3 地面-闭环

飞机处于地面，无线网络参与系统闭环，因此对无线网络的可靠性要求不高，时延要求高。

无线控制可应用在地面货运系统。地面货运系统是民用货机和军用运输机完成装卸货任务的控制管理系统，包括吊车控制、绞车控制、导轨电控锁控制、货物信息识别等。传统地面货运系统采用线缆连接完成闭环控制，此类线缆的质量在飞行中消耗飞机的燃油，降低了飞机运营经济性。采用无线网络控制技术去除线缆，可以减轻飞机质量、降低燃油消耗、提高经济性。

2.1.4 空中-闭环

飞机处于空中，无线网络参与系统闭环，因此无线网络的可靠性要求高，时延要求高。

飞机系统包含对飞机安全至关重要的闭环控制系统，比如飞行控制系统、发动机控制系统等。随着技术的发展，飞机闭环控制系统也会逐渐向着无线技术方向发展，其演变过程见图1。

图1中右侧红色部分包括了WSN和无线主干网络两种应用场景。未来的应用将会先从WSN开始，过渡到主干网的备份应用，最终到主干网的全面替代。

图1 传统式、分布式、无线网络分布式控制系统架构对比图Fig.1 Comparison of traditional,distributed,and wireless network distributed control system architecture

文献[18]提出了多飞行器协同任务过程中的本质是各飞行器间机载设备与资源之间的协同，采用机内有线高速主干网+机载网络适配器+飞行器间低速无线网络的方式实现。当机内主干网被无线网络替代之后，多飞行器之间的机载设备任务协同实现起来更容易，效果更好。

2.2 技术挑战

无线网络技术在飞机系统中实际应用较少，主要原因是面临诸多挑战。

1) 安全性(Safety)。安全性包括完整性(出现未检测出的错误或者丢失的概率)和可用性(出现检测出的错误或者丢失的概率)，飞机系统的完整性和可用性需满足5E-10每飞行小时的要求。无线网络的安全性不达标，无法在安全关键系统中应用。

2) 安保性(Security)。提高安保性就是为了避免有意的、未授权的电子交换或攻击对飞机造成损害或者不良的后果。无线网络技术需要采用更好的认证、加密等技术手段提高安保性，降低受攻击概率及可能性。

3) 可靠性。飞机安全关键系统的可靠性要求不低于1E-9每飞行小时，满足高可靠性指标要求是面临的技术挑战之一。

4) 抗干扰性。随着航空通信空天地一体化的快速发展，频谱间的干扰关系将从平面拓展到立体空间，在提高抗干扰能力方面面临巨大挑战。

5) 适航性。现有的适航规章不包含对无线网络系统的有关规定，需要制定相应的适航要求，包含安全性和安保性等新颖特点的规定，而且必须阐明网络安全性威胁、商务威胁、信道干扰攻击等内容。无线网络技术缺乏相关技术保证、技术标准和参考资料[7]，适航取证面临新的挑战。

6) 超低时延。飞机安全关键系统的时延需要达到微秒级别。超低时延、超高可靠通信对于飞机尤为重要。

7) 频谱共享、共存性。无线网络技术包括多种频谱，空间环境中对频谱的需求量大。实现多频段、多体制动态频谱共享、共存面临重大挑战。

8) 供电和功耗。供电和功耗直接影响无线传感器的生命周期，功耗应尽可能低，以确保系统的高能效；生命周期应尽可能长，以确保系统的经济性。无线传感器的有源(电池提供)供电、无源(无电池)供电和射频(RF)供电的技术发展非常重要。

9) 可测性。无线网络技术必须具有通过试验验证的特性，该技术的测试项目、测试方法、测试手段都需要进一步规范。

3 应用实例与发展趋势展望

3.1 应用实例

2008年湾流公司利用其G550先进飞行控制系统试验台进行了无线电传(Fly-by-Wireless)控制系统的试验。该公司利用无线电技术在试验飞机的一个扰流板作动器和飞行计算机间建立了无线通道。这种无线电控制系统将进一步简化电传飞行控制系统的质量，减少出现故障的次数。虽然这种系统目前还不能作为主控模式，但在备份系统中可以应用[19]。

对于飞机系统中的飞行控制系统而言，备份系统的设计方案差异对飞机能力的影响很大。飞控系统传统备份方案经历了机械式、模拟电路式、数字电路式发展，但这3种方式，或使飞机背负沉重的机械钢索/拉杆，或使飞机背负同样沉重的电缆。

国内目前尚未有飞机应用无线技术作为飞机控制系统的备份方案。因此，将无线技术作为控制系统备份系统的再备份，进行试验、试飞验证后，将技术成熟度提升至七级以上，再应用到备份系统为最佳途径。

图2为一种无线技术作为飞行控制系统备份系统的再备份方案，即无线应急备份控制系统。