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大型飞机航空电子系统发展趋势

时间:08-30 00:00 阅读:71次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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大型飞机航空电子系统发展趋势

高书亮

一、概述

大型飞机主要指大型民用客机、大中型军用运输机和基于上述平台升级改装而来的预警机、加油机、反潜机、电子战飞机等大型特种飞机。大型飞机是现代航空航空武器装备和航空运输体系的重要组成部分,它具有作战/运行半径大、运载能力强、可执行多种类型任务、可适应多种不同飞行环境等特点,在现代战争和现代航空运输经济中发挥着不可替代的重要作用。随着我国运20大型运输机和C919大型客机的首飞成功,我国在这一领域已经取得了重大进展。近年来,随着通信、计算机、虚拟现实等相关技术的快速进步,航空电子系统(以下简称航电系统)发展迅速,综合化、智能化、模块化水平不断提高,已经日益成为大型飞机不可或缺的组成部分,在保障大型飞机安全、可靠的完成相关任务中发挥着非常重要的作用。

二、大型飞机航电系统的基本组成

不同类型飞机根据其任务使命和应用环境不同,其航电系统的组成、功能和配置有一定区别,但总体上看,航电系统主要功能是:在大型飞机运行过程中,根据其任务需要和环境特点,完成信息采集、任务管理、导航引导等基本飞行过程,为飞行机组提供基本的人机接口,确保飞行机组的态势感知和飞机系统管控能力,使得飞行机组能够及时、有效的管理和控制飞机安全、可靠的按照预定航迹飞行,高效的完成相关任务。一般来看,航电系统的基本组成包括:

 通信系统:主要承担飞机与外部的话音和数据传输,确保飞机与地面之间建立稳定、通信的通信联络;

 导航系统:通过多种导航传感器实时采集并测量飞机运动信息,通过各种监视手段及时获取危险地形、恶劣气象等飞行安全威胁信息,保证飞行的安全和经济;

 任务/飞行管理系统:根据飞机的实际任务需要,完成飞行过程中中的航迹预测、自动控制和性能优化等工作,确保飞机的飞行航迹和剖面能够满足执行相关任务的需要;

 综合显示系统:为飞行机组提供全面、清晰、直观的包括高度、航向、姿态、空速、地速、马赫数、位置等在内的飞行信息显示,帮助飞行机组准确及时地掌握飞行动态和飞机工况,从而更加安全高效的完成飞行操作任务;

 核心处理系统:以核心任务处理计算机、机载嵌入式实时操作系统和机载总线网络等为基础,完成机上相关系统设备的互联互通,为各项系统任务提供基本的处理平台;

 机载维护系统:实时接收、汇总和分析机上各系统提供的相关数据,及时发现、诊断和定位相关机载系统和设备的故障状况,从而有针对性的制定并采取相关的维护策略,从而保证飞机的可靠运行。

一般的,现代大型飞机的航电系统的基本架构如下所示:

图1 大型飞机航电系统的典型组成架构

三、大型飞机航电系统的发展趋势

航电系统是航空和电子两大技术门类相结合的产物,伴随着近年来两大领域的快速进步,航电系统及其相关技术呈现出快速发展的态势,主要的发展趋势包括:

3.1综合化、模块化的系统体系架构

随着大型飞机所需遂行的各类任务日益增多和复杂,必须改变原有的系统分立模式,采用综合模块化航电系统架构(IMA,Integrated  Modular Avionics),即:采用集中式的航电任务处理机作为信息处理平台,在高可靠的机载数据总线网络的支持下,实现多种不同系统功能的信息采集、转换、处理与应用,从而将过去大量分立的系统设备转化为了少量综合化设备。目前,B787,A380/350等大型飞机都已采用这种架构(如下图所示)。在这一架构下,系统大量使用标准化的外场可更换模块(LRM,Lined Replaced Module),从而使得模块的通用性提高,模块类型减少,具备良好的故障检测和隔离能力,同时可通过系统重构,进一步增强了系统容错能力,提高系统的可靠性。

图2 A380飞机的综合模块化航电架构

近年来。随着航电系统综合化、模块化趋势的不断加剧,集中式的IMA架构逐步向分布式综合模块化航电(DIMA)架构发展。在这一架构下,系统的处理、接入、网络、转换资源按照飞机任务区域进行分布式部署,使得数据就近接入、信息就近处理、各系统的功能应用就近执行,克服了原有的IMA架构中系统布线复杂、核心处理平台负担过重等问题,代表了航电系统的未来发展方向。

3.2高性能机载数据网络的逐渐应用

机载总线用于实现各子系统和模块之间的数据交换。航空电子系统需要高带宽、更高可靠性的数据通道,以满足航电系统实时性与可靠性的要求。相比于传统的IEEE1553B总线和ARINC429总线,航空电子全双工交换式以太网 (AFDX )基于 IEEE802.3以太网和TCP/IP通用原理, 利用商用货架(COTS)网络化技术来实现飞机设备间的数据高速通信,具有高带宽、低延迟、链路冗余链接和纠错等特点,提高了数据传输的可靠性和服务质量。目前,A380和波音787飞机都选择该总线作为机上综合化网络,对飞机的飞行控制、驾驶舱、动力、燃油、客舱、液压、起落架等系统的设备进行互连。,其峰值传输速率达到100MB/s的水平,数据吞吐量较以往有了大幅提升。

3.3现代空中交通管理体系升级对于航电系统的新要求

为了适应现代航空发展的实际需要,满足为了航空运输流量不断增长的实际需求,国际民航组织提出在飞机、空间和配套的地面设施3个环境中利用由卫星和数字信息提供的先进通信、导航和监视技术,来改善和提高空中监视和空中交通管理能力,以解决现有大型客机的飞行安全性不良、容量低、效率低下等突出问题,逐步形成了新航行体系。该体系的基本框架如下图所示:

图3 航行体系基本框架

新航行体系要求机载航电系统作出必要的升级以适应未来空中交通管理的变化:在通信手段上,逐步从以话音通信为主过渡到以数据链通信为主;在导航手段上,逐步从陆基无线电导航方式过渡到以卫星导航为主;在监视手段上,逐步从雷达视距监视过渡到以自动相关监视和地形气象监视的综合化机载监视上来;从而使得飞机能够在运行过程中实现更加高效、可靠与精确的运行态势感知,进而共同构建安全、高效的空中交通运行与管理体系。为了适应新的要求,美空军和海军已开始要求Rockwell Collins等航电供应商按照新航行体系的要求为包括C-130、E-2D在内的多种飞机进行现代化升级改装。

3.4先进的飞行管理系统逐步应用

飞行管理系统(FMS)综合了飞机上的导航、制导、自动飞行控制、性能优化、数据链管理等多种功能,飞行管理系统对于确保飞行安全和性能具有不可替代的作用:它通过各类导航传感器和飞机导航、性能数据库,估算并控制飞机按照最优化的航迹飞行,从而起到减少航班延误,改善飞行舒适度、降低飞机燃油排放,减轻飞行员的操作负担的效果。飞行管理系统的主要组成如下所示:

图4 飞行管理系统的基本组成

新一代飞行管理系统将不再简单的局限于对于飞机三维运动的优化,而是将逐步提高4维导航与运行能力,即使得飞机可以与地面ATC管制中心共享飞机的精确航迹,实现空地协同控制,可以严格的航行时间要求,更加提高飞机运行的精确性、安全性和可预测性。

3.5新型智能显示技术不断进步

综合显示系统是大型飞机的的人机接口,随着相关技术的不断进步,综合显示系统将更加人性化和智能化,营造更加直观、简洁和高效的飞机驾驶舱,从而增强飞行员的态势感知能力和飞行操控能力。以波音787飞机为例,该飞机的驾驶舱内则采用了5个大尺寸的AMLCD和2个平视显示器(HUD),在进近与着陆等关键飞行阶段,这些显示器能为飞行员提供从下视显示器到平视显示器的无缝隙信息迁移。同时,各显示器可实现互换和互为备份,当一台显示器故障时,其它显示器可立即对显示内容进行实时切换重构,保证飞行员的关键飞行参数显示不中断,从而确保飞行操控的安全性和连续性。

此外,为了应对复杂地形和恶劣气象对飞行安全带来的威胁,进一步提升大型飞机的环境适应能力,综合显示系统将结合当前虚拟现实和增强现实领域的最新技术成果,将合成视景(SVS)、增强视景(EVS)、平视显示(HUD)、自动语音识别(ASR)等多种新技术进行综合应用,从而进一步降低飞行员工作负担,提升态势感知能力。

四、相关建议

近年来,随着我国大型飞机重大专项等一批重点工程的实施,我国在大型飞机航电领域取得了一批重大成就,但在关键装备研发、系统集成验证、产品适航取证等方面与美国和欧洲等发达国家还存在着较大差距。为此,应进一步发挥我自主飞机型号的带动作用,积极开展航电领域前沿技术的研究和探索,不断强化航电系统的总体集成能力,进一步实现我国对于这一领域的技术掌控能力;应进一步的加强关键技术攻关,围绕航电领域内经济附加值高和技术含量高的关键性产品,围绕设计、研制、生成、验证和适航等核心环节下大力气,形成我国自主可控的航电产品配套能力和产品谱系;应进一步加强集成创新,应积极借鉴和结合目前在人工智能、云计算、物联网、大数据、虚拟现实等领域的最新技术成果,积极探索相关成果在航电领域进行应用的可行途径,从而牢牢把握未来航电系统的智能化趋势,努力实现弯道超车。

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