典型通用飞机航电系统分析

2023-03-11祁美照雷中洲杨济睿

科技创新与应用 2023年6期

魏麟，祁美照，雷中洲，杨济睿

（中国民用航空飞行学院，四川广汉 618307）

作为民用航空中不可分割的部分，通用航空在发达国家拥有成熟的生产链，仅美国的通用飞机数量便达22.3万，是全球总量的61.9%。我国通用航空器截至2021年3月数量为4 164，随着通用航空的快速发展，通用航空领域拥有着巨大的市场潜力。作为通用飞机中处理各种信息的“大脑”，航电系统逐渐成为极为关键的系统组件之一。

航电系统包含着航空器中的不同电子设备且有着众多子系统。其在各种数据总线的帮助下将多个航线可更换单元（LRU）交联起来，各LRU能够相对独立地实现系统的部分功能，但又不是完全独立的，系统的许多功能需要多个LRU协作才能完成。在G1000航电系统中，LRU中最为重要的便是集成电子组件GIA 63，GIA 63有效地将姿态航向基准系统GRS 77、大气数据计算机GDC 74、发动机/机身组件GEA 71等多个LRU通过RS-485与ARINC（429）数据总线交联起来，并将处理的数据通过高速以太网传递给两个显示器GDU，即主飞行显示器（PFD）和多功能显示器（MFD）。

1 航电系统发展过程

按照航电系统的发展，可以将航电系统的发展阶段分为分立式、联合式、综合式和先进综合式4个阶段。

分立式航电系统：拥有数个独立的系统，各个系统采用点对点连接方式且需要专业人员独立地进行操作控制。缺点是灵活性较差、专用性强且很难传递大量的信息。

联合式航电系统：与分立式航电系统不同的是，联合式的各个设备组件的操作控制结构相同，初步完成了一定的模块化设计。

综合式航电系统：设备组件之间可以相互传递大量的信息，整个航电系统拥有了处理控制更多信号的能力。综合式的优势是通过模块化设计可以实现海量的数据处理，系统结构层次化，总线的高速化且扩展成本低[1]。不同设备组件的信号数据处理可以直接在系统内部完成，降低了工作人员的负担和出现人为失误的可能性。而先进综合式阶段，就是在综合式的基础上对设备进一步综合化、集成化。

目前，美国的通用飞机数量占全球总量的61.9%，且能自主生产通用飞机航电系统产品，例如Garmin公司的G1000系统、Honeywell公司的Primus Apex系统和L-3公司的SmartDeck系统等。单是Garmin公司的产品，便在世界上通飞航电的市场引领着全球通飞航电的发展，而G1000系统的市场占有率更是达到近70%。与此同时，国内搭载的航电系统产品虽有小部分是自主研发，但大部分是依赖进口。

2 典型的通用飞机航电系统

高度集成化的航电系统涵盖了计算机、传感器、控制显示装置和LRU，是一次多学科的交叉与融合。随着计算机技术、数字技术的发展，现代大部分航电系统逐步变得高度数字化、综合模块化和智能化，这种转变有效提高了飞机的整体性能和飞行品质。

2.1 G1000系统

在中小型通用飞机中，G1000系统的市占率较高。易于操作的飞行界面、对巨量信息的高效处理，有效降低了工作人员的负荷，提升了飞行品质。由于电子显示器的应用，G1000系统的占地面积更小，操作起来更加轻便灵活。我国最近几年进口的训练机，如Cessna公司的172型飞机、钻石公司的DA40与DA42型飞机，便搭载了G1000系统[2]。

G1000系统由多个LRU组成，包括显示器GDU、大气数据计算机GDC74、集成电子组件GIA 63/63W、姿态航向基准组件GRS77、机身/发动机传感器接口组件GEA71和应答机GTX33等，并且安置大量的传感器设备。这些LRU之间通过各种数据总线有着紧密而错综复杂的协作关系，其中最为重要的是GIA 63/63W。塞斯纳NAVIIIIG1000系统架构图如图1所示。

图1 塞斯纳NAVIIIIG1000系统架构

GIA 63/63W主要通过RS-232、RS-485、ARINC 429总线收集处理几个主要LRU的数据，在后台处理完成后通过高速以太网数据总线将这些数据信号传送给2个GDU并显示给飞行员感知，以便更好地操纵飞机[3]。此外，系统内部有3种信号方式：模拟、数字和离散信号。

2.2 SmartDeck系统

SmartDeck由L-3航空电子系统公司开发，是当今众多被称为“玻璃驾驶舱”的系统之一。该系统结构比较复杂，功能齐全，可扩展性高，安全性和可靠性也能得到保障，常搭载于高端公务机。

在通用航空领域中，G1000与SmartDeck的显示器功能类似。SmartDeck的MFD提供发动机和系统状态，并且能够以各种模式提供GPS移动地图和地形感知警告系统（TAWS）等。而MFD左侧的PFD数据叠加在合成视觉显示器，该显示器包括地形、障碍物和来自L-3 Sky-Watch接收器的活动交通，并且PFD放置有操控飞机的关键信息（包括空速、高度和垂直速度等）[4]。

SmartDeck的系统架构如图2所示。其核心设备包括：数据集中单元（DCU）、中央控制单元（CCU）、主飞行显示器（PFD）、多功能显示器（MFD）、传感器参考系统（SRS）及飞行数据卡（FDC）。这些组件主要由双冗余1394环网互联，系统的可靠性得到大大提升[5-6]。此外，SmartDeck通过RS-422、RS-232和ARINC 429总线把传感器设备的数据送给（DCU），然后这些数据经过集中采集与处理后送入CCU、PFD和MFD并显示给飞行员查看。

图2 SmartDeck系统架构

2.3 G500系统

G500航电系统含有主要的飞行仪表、导航信息和移动地图，全部显示在2个16.5 cm的LCD显示屏GDU 620上。G500系统架构图如图3所示。

图3 G500系统架构

作为一个较为先进的技术电子套件，G500系统由数个航线可更换组件LRU组成，使用点对点连接。LRU采用模块化设计，每个LRU都有一个或一组特定的功能，可以直接安装在仪表盘后面，也能够独自安装在一个电子舱。这种方式的设置使得G500系统的故障排除和维护得到简化，发生的故障可以被隔离到特定LRU。与G1000系统类似，G500系统是通过RS-232、RS-485、ARINC 429与高速以太网这些低成本高可靠性的常规总线处理各LRU数据[7]。

3 异同性和特点

在Garmin公司，G1000系统选择了显示和处理功能合二为一的GDU 1040作为综合显示器。综合显示器是系统处理核心，通过综合无线电设备外接大气、航姿和航管等外围传感器。与G1000系统不同的是，G500系统采用了GDU 620作为显示器[8]。

G1000系统使得飞行员可以查看多种天气信息，但所显示的信息类型并不是根据飞行阶段定制的，这增加了飞行员的负荷，而且飞行员每次只能看到1个天气信息来源。从这个意义上说，其没有很好地集成，信息也没有被总结。

SmartDeck系统提供了实时的卫星天气，并且还能够通过点击屏幕上的项目直接查询数据信息。此外，SmartDeck系统应用了画中画显示和弹出窗口，能够一次获取并显示多种类型的天气信息。然而，SmartDeck没有给出如何避免天气危害的建议和关于天气信息确定性的指示[9]。

在G1000系统中，维系正常运行最重要的总线分别是：RS-232串行总线、RS-485串行总线及ARINC 429数据总线。RS-232串行总线尽管能实现点对点的通信，但这种方法无法实现联网的效果；RS-485串行总线采用了差分信号传输，故RS-485的抗干扰性能好，通信距离也比RS-232远；而ARINC 429总线结构简单、性能稳定。因为ARINC 429非集中控制、隔离性好的特性和单向布线方式，使得ARINC 429总线的抗干扰性强、传输可靠性和安全性都比较高。G500系统采用的总线与G1000系统相同。

SmartDeck系统采用的RS-422、RS-232和ARINC 429总线把数据信息传送给DCU，这些数据经过集中采集与处理后送入CCU、PFD和MFD。虽然RS-422与RS-485都是以差动方式发送、接收数据，两者电气性能也是一样的，但RS-422是全双工，支持点对多的双向通信，而RS-485是半双工。