民用飛機(jī)綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)及趨勢(shì)研究

李偉 鄭智明

摘 要：集成化和模塊化是現(xiàn)代民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。綜合監(jiān)視系統(tǒng)將航空電子系統(tǒng)中的氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視功能集成，從而使得綜合監(jiān)視系統(tǒng)能夠獲得相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)更小的設(shè)備體積和更低的功率消耗。該文介紹了民用飛機(jī)綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，對(duì)于指導(dǎo)民用飛機(jī)綜合監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)視系統(tǒng) 氣象雷達(dá) 交通告警和防撞系統(tǒng) 地形提示與告警系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V243.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（a）-0015-03

1 系統(tǒng)概述

在現(xiàn)代民用航空電子系統(tǒng)中，監(jiān)視功能主要包括對(duì)氣象的監(jiān)視、對(duì)地形的監(jiān)視以及對(duì)交通狀態(tài)的監(jiān)視。

氣象監(jiān)視功能由氣象雷達(dá)實(shí)現(xiàn)，由氣象雷達(dá)天線、驅(qū)動(dòng)、收發(fā)機(jī)和處理機(jī)組成。其中，氣象雷達(dá)天線將雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的射頻信號(hào)向前輻射并接收氣象回波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)裝置控制天線的掃描運(yùn)動(dòng)，收發(fā)機(jī)產(chǎn)生射頻信號(hào)并通過(guò)平板天線輻射，同時(shí)負(fù)責(zé)接收天線接收的氣象回波信號(hào)后放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳遞給處理機(jī)，處理機(jī)將數(shù)字化的氣象回波信號(hào)處理計(jì)算，并將氣象圖像發(fā)送到顯示告警系統(tǒng)進(jìn)行顯示并向機(jī)組提供必要的告警。目前主流的氣象雷達(dá)功能包括氣象探測(cè)、紊流探測(cè)、地形探測(cè)和預(yù)測(cè)型風(fēng)切變等功能，主要的輸入信號(hào)來(lái)自慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無(wú)線電高度表、全球定位系統(tǒng)、地形提示與告警系統(tǒng) 起落架系統(tǒng)等。

地形監(jiān)視功能由地形提示與告警系統(tǒng)（TAWS）提供，主要包括傳統(tǒng)的近地警告系統(tǒng)功能（GPWS）、基于地形數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)測(cè)型地形功能，以及反應(yīng)型風(fēng)切變功能，其主要架構(gòu)包括地形數(shù)據(jù)庫(kù)（包括地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)和跑道數(shù)據(jù)等）、告警包線、運(yùn)算處理單元等組成，集成于單獨(dú)的LRU中。地形提示與告警系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、無(wú)線電高度表、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等系統(tǒng)提供的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)位置、高度等，并與地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而計(jì)算出飛機(jī)與地形發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)，并通過(guò)目視與音響系統(tǒng)將撞地風(fēng)險(xiǎn)向飛行機(jī)組發(fā)出告警。

交通監(jiān)視功能由交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS）和應(yīng)答機(jī)的詢(xún)問(wèn)和應(yīng)答協(xié)同工作提供：交通告警和防撞系統(tǒng)向附近空域中的其他飛機(jī)的應(yīng)答機(jī)發(fā)出詢(xún)問(wèn)，并接收其回復(fù)的相應(yīng)飛機(jī)的高度、速度、垂直速度和航向等數(shù)據(jù)，并結(jié)合該機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以判斷是否存在撞機(jī)危脅；該機(jī)應(yīng)答機(jī)回復(fù)其他飛機(jī)或地面交通管制臺(tái)發(fā)出的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，并與其他飛機(jī)協(xié)調(diào)避讓策略。另外，廣播式自主相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）作為交通監(jiān)視未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，也在民用航空領(lǐng)域中得到積極的推動(dòng)，而在目前的過(guò)度階段，交通告警和防撞系統(tǒng)與應(yīng)答機(jī)分別實(shí)現(xiàn)了ADS-B功能的接收（ADS-B IN）和發(fā)射（ADS-B OUT）功能。

隨著航電技術(shù)的發(fā)展，主流的航電系統(tǒng)供應(yīng)商將傳統(tǒng)的氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視功能進(jìn)行集成，形成了多功能的綜合的監(jiān)視系統(tǒng)。

2 綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)

集成化和模塊化是現(xiàn)代民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。由于地形監(jiān)視、氣象監(jiān)視和交通監(jiān)視的相似輸入（如位置、航向、氣壓高度、飛機(jī)姿態(tài)、中地狀態(tài)、空速以及地速等），因此，將這幾個(gè)功能進(jìn)行集成可以提高航電系統(tǒng)的利用效率；同時(shí)，根據(jù)DO-254要求，不同的研制保障等級(jí)的硬件和軟件有不同的設(shè)計(jì)和研制要求，如果將研制保障等級(jí)差異過(guò)大的功能進(jìn)行集成，有可能大大增加開(kāi)供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)成本，因此，進(jìn)行集成還需要考慮到各個(gè)功能的研制保障等級(jí)，而民用飛機(jī)中地形監(jiān)視、氣象監(jiān)視和交通監(jiān)視功能一般定義為C級(jí)的研制保障等級(jí)，相同的研制保障等級(jí)為幾項(xiàng)監(jiān)視功能的集成提供了基礎(chǔ)。因此，在現(xiàn)代最新的民用飛機(jī)航電系統(tǒng)中將以上的監(jiān)視功能進(jìn)行集成，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，組成綜合監(jiān)視系統(tǒng)，提高了航電網(wǎng)絡(luò)的利用效率，減輕航電系統(tǒng)設(shè)備重量，減小設(shè)備體積。

對(duì)于綜合監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前主流的航電系統(tǒng)供應(yīng)商通常將三種監(jiān)視功能集成于同一LRU（綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)）中，三種監(jiān)視功能分別駐留于單獨(dú)的功能模塊（板卡）中，氣象雷達(dá)功能中的天線組件、驅(qū)動(dòng)組件和收發(fā)機(jī)模塊安裝于雷達(dá)罩內(nèi)部，由綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)進(jìn)行供電，并通過(guò)光纖或電纜與綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)中的氣象雷達(dá)處理模塊進(jìn)行通信。

由于在民用飛機(jī)運(yùn)行要求中規(guī)定，運(yùn)輸類(lèi)的民用飛機(jī)必具備兩套TCAS和應(yīng)答機(jī)功能，因此，在綜合監(jiān)視系統(tǒng)中需要具備兩套TCAS和應(yīng)答機(jī)功能，兩套交通監(jiān)視功能可通過(guò)天線切換開(kāi)關(guān)切換/共享的頂部和底部交通監(jiān)視天線組件；另外，氣象雷達(dá)功能為飛機(jī)飛行過(guò)程中經(jīng)常使用到的功能，且氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置等組件均安裝于雷達(dá)罩內(nèi)，屬于非環(huán)控區(qū)域，設(shè)備的工作環(huán)境相對(duì)比較惡略，比較容易發(fā)生故障，因此航空公司對(duì)多套氣象雷達(dá)的配置具有較大的需求，目前主流的綜合監(jiān)視系統(tǒng)供應(yīng)商可提供多套的氣象雷達(dá)配置，將雙套的氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)模塊安裝于驅(qū)動(dòng)單元兩側(cè)，并分別與兩套綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)中的氣象雷達(dá)處理單元進(jìn)行連接，通過(guò)共用驅(qū)動(dòng)單元和平板天線的形式實(shí)現(xiàn)了雙套氣象雷達(dá)配置；另外，TAWS功能也可以根據(jù)航空公司的要求選擇單套或者雙套的配置。目前Boeing 787和Airbus 380均采用了上述的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。其架構(gòu)如圖1所示，圖中虛線部分為可根據(jù)客戶(hù)要求進(jìn)行選裝的功能模塊。

在上述的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)中，由于綜合監(jiān)視系統(tǒng)采用了高的集成設(shè)計(jì)，因此造成了整個(gè)綜合監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備均需要由特定的供應(yīng)商提供，而這種情況恰恰限制了綜合監(jiān)視系統(tǒng)的客戶(hù)個(gè)性化的要求，特別是不同供應(yīng)商之間差異化較大的氣象雷達(dá)。因此，部分的綜合監(jiān)視系統(tǒng)方案中將氣象雷達(dá)設(shè)備從綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)中獨(dú)立出來(lái)，只將地形監(jiān)視和交通監(jiān)視功能集成于獨(dú)立的LRU中，而氣象雷達(dá)設(shè)備由客戶(hù)進(jìn)行先擇，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)集成。Airbus 330飛機(jī)安裝的T3CAS系統(tǒng)即采用了上述的綜合監(jiān)視架構(gòu)。

3 基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)

IMA平臺(tái)是一個(gè)共享硬件和軟件資源的通用平臺(tái)。IMA平臺(tái)本身不提供飛機(jī)級(jí)功能，它為飛機(jī)功能提供包含數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在內(nèi)的資源功能，以及包含健康監(jiān)控、故障管理等功能的支持功能。這里所說(shuō)的飛機(jī)功能指的是駐留在應(yīng)用 和駐留功能。駐留應(yīng)用是駐留在IMA平臺(tái)內(nèi)并執(zhí)行一定飛機(jī)功能的軟件。駐留功能是使用IMA平臺(tái)的飛機(jī)功能。

集成化和模塊化是現(xiàn)代民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)，IMA平臺(tái)做為飛機(jī)數(shù)據(jù)處理了交換的中樞，其也越來(lái)越多的承擔(dān)了飛機(jī)其他功能應(yīng)用程序的駐留任務(wù)，但是，由于目前技術(shù)能力的限制和民用飛機(jī)高運(yùn)行安全性的要求，IMA平臺(tái)無(wú)法滿(mǎn)足高研制保障等級(jí)的功能適航要求，而地形監(jiān)視、氣象監(jiān)視和交通監(jiān)視功能的研制保障等級(jí)相對(duì)較低，因此可以考慮利用IMA平臺(tái)的軟件駐留能力，以進(jìn)一步提高航電系統(tǒng)的集成化。同時(shí)，由于IMA平臺(tái)本身使是飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的中心，因此，將部分應(yīng)用軟件駐留在IMA平臺(tái)中，可以有效的減小綜合監(jiān)視功能與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，提高數(shù)據(jù)的及時(shí)性，尤其對(duì)于交通監(jiān)視功能格外重要。

IMA平臺(tái)只能駐留綜合監(jiān)視功能數(shù)據(jù)處理、計(jì)算相關(guān)的應(yīng)用軟件模塊，因此對(duì)于需要射頻的功能依然需要依賴(lài)外部的射頻模塊以及相應(yīng)的天線組件，如同綜合監(jiān)視監(jiān)視系統(tǒng)中的氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)模塊、天線組件與氣象雷達(dá)的綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系。另外，由于在IMA平臺(tái)中存在其他應(yīng)用的駐留，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮與其他系統(tǒng)共用軟件模塊，例如在綜合監(jiān)視功能中可以考慮將TAWS的地形數(shù)據(jù)庫(kù)模塊與飛行管理系統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行共用。基于IMA平臺(tái)的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

在以上的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)中，將綜合監(jiān)視功能的所有計(jì)算處理功能以軟件模塊的形式駐留在IMA平臺(tái)中，僅將交通監(jiān)視功能的射頻模塊和氣象探測(cè)功能的收發(fā)機(jī)兩個(gè)射頻模塊獨(dú)立硬件，這樣的架構(gòu)充分利用了IMA平臺(tái)的計(jì)算處理能力。在精典的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)中，其他飛機(jī)系統(tǒng)的輸入信號(hào)要通過(guò)飛機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（即IMA平臺(tái)的一部分功能）傳遞至綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)單元，而基于IMA架構(gòu)的綜合監(jiān)視功能省去了信號(hào)的二次傳輸，直接提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度以及相關(guān)的可靠性和完整性指標(biāo)。

對(duì)于基于IMA平臺(tái)的功能架構(gòu)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)供應(yīng)商將不再提供完整的軟件、硬件設(shè)備，而只需要提供駐留于IMA平臺(tái)下的功能應(yīng)用，因此，在此架構(gòu)下，飛機(jī)主制造商的系統(tǒng)集成能力和適航驗(yàn)證能力將受到極大的考驗(yàn)，依然需要進(jìn)行不斷的研究和積累。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著航空電子技術(shù)的日益發(fā)展，綜合化、模塊化和集成化已經(jīng)成為了航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，航空電子系統(tǒng)設(shè)備重量越來(lái)越小，功能起來(lái)越低。氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視由于其相似的輸入輸出以及相似的功能等級(jí)，綜合監(jiān)視系統(tǒng)的概念也隨即提出，并且綜合監(jiān)視系統(tǒng)的相關(guān)RTCA/DO和ARINC標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)發(fā)布，并在世界主流的主制造商中應(yīng)用。另外，隨著航電系統(tǒng)IMA平臺(tái)的發(fā)展，其軟件駐留能力也越來(lái)越受到了重視，而選擇將綜合監(jiān)視功能與IMA平臺(tái)相結(jié)合，將進(jìn)一步提高航電系統(tǒng)軟件和硬件的利用率，進(jìn)一步提高航電系統(tǒng)的綜合化了和集成化。

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