民用飞机综合航电系统技术分析

张悆晅

（上海飞机制造有限公司，上海 201324）

1 民用飞机综合航电系统发展现状

本文以波音787和空客A380的综合航电系统为例进行现状分析。

1.1 波音787

波音787的综合航电系统采用开放式CCS结构，具体构成为CDN（通用数据网）、CCR（通用计算设备）、RDC（远程数据采集器）等，构成相对复杂，结构成分较多。其中，通用计算设备的机柜中安插若干个GCM（通用处理模块）、通用数据网（每秒100兆字节）以及LRM（可更换模块）。波音787的综合航电系统还整合了非传统航电系统的处理与控制功能，具体包括燃油、环控、防火、电源、起落架、液压、防冰、舱门系统等。除此之外，其计算机系统以ARINC 653为标准进行设计，以此控制系统改变流程期间的成本投入，同时提高系统的兼容属性，为日后迭代优化等工作提供支持。该民用飞机的综合航电系统中还采用了网络技术以及与其相兼容的技术，由此可以实现数据的准确、高效传递。数据链由核心网络、孔底数据链和通用核心系统组成，主要负责外界数据采集与上传。其中，数据传输期间统一落实AFDX标准，依托于LED液晶显示屏的使用以及工业标准GUI图形界面的设计，满足相关人员的数据查看与操控所需[1]。

1.2 空客A380

空客A380的综合航电系统以IM A为主，所谓IMA，是指集成模块化航空电子设备，同时辅以CTOS（商用货架产品）技术和Integeity-178B操作系统。在整个系统框架中，该飞机共使用32个IMA模块，均属于场外可更换模块，分别应用于起落架、显示系统、告警系统、环控系统、引气系统、电传操纵系统、电气系统、自动驾驶系统、燃油系统和液压系统等。对于该综合航电系统的核心处理以及输入、输出模块而言，其统称为CPIOM，组成要素较多，构成成分包括PCI内部互联板、中央处理器线路板、输入线路板等。系统选用以ARINC 664（AFXD）标准为基础的全双工网络，数据网络为全交换、100BASE-TX快速以太网以及全双工构成，无须大量布线，数据传输速率较高。空客A380综合航电系统的NSS（网络系统服务器）是无纸化驾驶舱的核心，主要面向使用人员提供飞行日志、航空图标等功能，操控人员通过加装的LCD显示屏即可得到相关信息数据[2]。

由此可见，当前民用飞机综合航电系统均以开放式结构为主，整合使用了IMA和先进数据总线等技术，依托于网络传输，系统的集成度和功能服务愈发先进。

2 分析民用飞机综合航电系统技术特点 及关键技术

2.1 民用飞机综合航电系统技术特点

2.1.1 系统为开放式结构

相较于以往的分布式结构，当前民用飞机综合航电系统主要采用开放式结构，并结合飞机实际与需求对系统结构进行层次性划分，每个层次均具有其标准接口，通过连接接口即可实现各项操作。综合航电系统运用开放式结构，有助于各项功能服务的集成与综合，有利于系统日后的升级更新与迭代优化，便于CTOS等技术结合使用。除此之外，综合航电系统容错度加大，通过开放式结构的运用，其更为理想的容错度可显著提高飞机整体的安全可靠性。

在将开放式结构应用于民用飞机综合航电系统时，需从接口、规范两方面打好基础。例如，根据系统的功能需求与特征选用标准模块的机械接口、模拟和数字信号接口等，以此提高系统的适用性。对于民用飞机综合航电系统而言，其开放式结构的特点主要体现在：系统以开放式航电模块平台为基础，含有PCI标准内部接口，采用UDP/IP和AFDX全双工网络传输，整个系统满足IEEE 802局域网规范条件。在该技术组成下，能够有效控制数据传输延迟，使其低于1 ms，获得更为理想的信息交互效率。与此同时，可在现场更换功能模块，只要符合软件应用的标准接口要求即可[3]。

选用开放式结构搭建民用飞机综合航电系统，能够有效降低此类飞机航空电子制造成本、后期飞机改进和维护成本，同时能够确保系统软件和硬件之间互相独立，避免在取证、系统修改设计等方面浪费太多时间，从而提高系统运行效率，合理降低飞机产品开发成本，尽可能地规避后期运行风险。

2.1.2 IMA模块技术

所谓IMA模块技术，主要是指以ARINC 600标准为基础的技术。相较于传统的LRU（外场可更换件），IMA选用的是综合机箱方式，从而支持系统持续升级、迭代优化。此项技术对系统提出相应的要求，即采用开放式、模块化体系结构，具有较高的数据融合等处理计算能力，采用高度互联通信网络等。新一代航空飞行器为更好地完成信息数据、资源的共享与交互，多数选用高度综合处理系统，在该系统的运作下，无论是前端传感器数据处理，还是后端处理结果显示，整个流程均能实现全行点系统的高度综合，而该系统结构的主要技术特征是使用核心处理平台。核心处理平台将系统综合控制与管理、数据与信号综合处理、飞机接口控制、战术任务计算、系统健康管理等功能进行合理综合，在执行相关功能与任务时直接调用模块即可。

民用飞机综合航电系统中的IMA模块应用使共用多个PSU（供电装置）成为可能。一般情况下，LRU主要负责旅客服务组件、EMI（电磁干扰）屏蔽箱等功能的提供，在其运作过程中，这些功能成本占总成本三成到四成左右。故为有效控制功能成本，合理降低资源、能源投入，多数LRU采用的PSU为简化版本。这样虽然成本得到有效降低，但如果出现故障，简化后的PSU下的LRU将失去全部功能。而在综合航电系统中采用IMA技术模块，则能够在不增加成本的前提下保证系统的完整功能。以窄体喷气客机为例，若是在其综合航电系统中运用IMA技术模块，能够较原系统设计方案中飞机的质量减少160 kg。

IMA模块技术作为民用飞机综合航电系统中系统综合及更高级别综合的基础，能够有效地对系统进行整体化调整，使其转变为模块化结构，进而能够灵活应对突发性故障。同时，其能够适应新技术的结合应用，并自动化开展系统重构工作，提高了系统的可靠性。另外，IMA模块技术在民用飞机综合航电系统中的应用也给子系统带来较多益处，如无须在外场进行大量可更换组件的部署等，进一步降低了飞机的质量与系统部署的复杂性。

2.1.3 先进总线技术

AFDX总线优势突出，具体有：以IMA结构为基础，支持多种功能集成应用；100 Mbps的全双工通信速率；采用以太网协议；更高容错度。先进总线技术可以为综合航电系统提供有关容错的双余度，与此同时，通过在操作系统中配置相关表格，先进的总线技术还可以实现传统架构与当前架构的数据传输与交换，如传统架构LRU和IMA架构LRM之间的数据交互[4]。

2.2 民用飞机综合航电系统关键技术

2.2.1 软件综合集成技术

民用飞机综合航电系统功能完善。为支撑诸多系统功能，必然会运用到软件集成技术，且从系统整体结构来看，软件集成技术属于关键性核心技术。实现软件集成需对接软件接口，而民用飞机综合航电系统具有典型的开放式特征，可良好支撑综合航电系统软件集成技术的应用。现阶段，前沿民用飞机综合航电系统多结合功能需求设置多个硬件模块，因此，模块化硬件平台是民用飞机综合航电系统的重要组成部分。但当代科技更迭较快，模块化硬件平台随电子技术的进步而更新，而硬件平台的更新则又促进了综合航电系统的升级。为全面保障综合航电系统功能，在硬件平台更新的同时还需调整软件系统结构，确保其可良好支撑民用飞机综合航电系统的可持续发展。结合该要求，航电系统需构建具有重塑重构功能的软件框架，并应用可重复利用的应用程序组件。

综合航电系统软件共有三层，即应用层、操作系统层、模块支持层。不同软件层之间以标准化接口为纽带进行交互，标准化接口封装于下级软件层内。应用层是民用飞机实现各类功能的软件层，是软件集成技术主要应用结构。应用层内集成多种功能软件，不同功能软件的应用场景、应用空间、应用时间均存在差异。为避免不同功能软件之间发生冲突而影响综合航电系统的运行，必须借助软件集成系统加以调节，使不同功能软件均可稳定运行，杜绝软件功能丧失等问题。操作系统层是各类功能软件的运行平台，是表现软件集成技术功能效果的主要软件层。在操作系统层内，可按照综合航电系统所设定的功能软件优先切换与调度各类运行任务，以此保障重点功能的实现。结合现阶段民用飞机综合航电系统实际情况来看，VXWORKS653、Integrity、AOS是当前普遍应用的操作系统。模块支持层与民用飞机综合航电系统硬件直接关联，属于硬件资源访问接口。其在运行期间主要提供模块资源服务、自测试服务、时间服务、通信服务、加载服务等，用于完善综合航电系统功能。

2.2.2 硬件平台设计技术

（1）远程接口单元。主要负责采集传感信号、处理并输出信号、输出控制指令等。远程接口单元支持多个功能模块，凭借其网络集成功能能够实现与计算机处理平台、网络交换机的通信。

（2）以LRM为基础的计算机处理平台。采用若干个LRM将其组成IMA机柜，用于计算机输入、电源输出等，主要构成模块有电源模块、输入/输出模块、计算机模块。计算机模块负责对系统平台出现的各项任务进行处理，如处理数据、信号，或是提供电源转换、存储等功能；电源模块负责电能供应，通过背板供电，保证IMA机柜的平稳运作；输入/输出模块，负责信号输出、输入以及信号类型的转换[5]。

（3）网络交换机。综合航电系统采用双工分组以太网交换机，在该装置设备的运作下，通过以太网可以实现各类数据的快速转发，保证目标端全面、准确地接收到相关数据。

2.2.3 数据总线传输技术

新时期民用飞机综合航电系统技术水平不断提高，作为新一代综合航电系统的关键技术之一，机载高速数据总线技术极大地提高了系统整体集成化程度。在将其应用于此类系统时，关键点是以实际需求为基础研制并落实总线桥接器模块与网关，从而兼容差异化的总线标准与传输能力。其中，数据传输的实现前提为通用的数据传输机制，要求总线具有较高的处理能力与吞吐率。为此，数据总线传输技术的设计使用要求主要体现在带宽、实时性和可靠性三个方面。

（1）带宽。以航电子系统能力、综合功能水平高低为基础准确确定带宽需求，不仅要满足民用飞机综合航电系统的数据传输要求，还应具有一定的可升级余量。

（2）实时性。规定时间内完成总线数据在节点间的传输，以此保证整个网络传输的响应速度。

（3）可靠性。该指标主要指容错能力，即总线通信不能因数据网络中的某个节点故障而中断，还能够在冗余技术的运用下获得更强容错能力。

2.2.4 系统仿真实验技术

基于计算机软硬件的系统仿真实验技术采用相似性原理方法和现代控制论，通过构建系统模型对系统开展解析或仿真试验研究。对于民用飞机的综合航电系统而言，其需要支持飞机符合现行飞机安全条例与适航条款要求，所以无论是关键技术选用、系统组成部分的设计，或是最终产品研制，均要在各个环节开展相应的检验工作，从而为满足适航标准要求提供保证。因此，对于民用飞机综合航电系统技术而言，需要经过严格验证试验，满足飞机设计四性要求，从而确保综合航电系统满足适航标准。

3 结束语

综上所述，民用飞机作为当前交通运输系统的质要组成部分，其使用的综合航电系统直接关系到飞机运行的安全可靠性。综合航电系统能够将功能、系统技术进行合理整合，从而减少电子设备的重量，便于后期维护与迭代升级，使系统、飞机可靠性均得到有效提高。同时，该系统也降低了飞行员的工作负担，该系统的综合已成为民用飞机航空电子的主要发展趋势。■