通用飛機綜合航電技術發(fā)展綜述*

趙 明

(中電科航空電子有限公司，成都611731)

1 引 言

“通用飛機”是根據飛機用途所提出的概念，包括所有用于公共航空運輸以外目的的飛機［1－2］，其中有起飛重量達到數(shù)十噸的大型滅火救援飛機，也有不足一噸的小型飛機。本文所述的“通用飛機”，專指由23 部民航規(guī)章所界定的飛機，即19 座以下(不含駕駛員)、最大起飛重量不超過約8 600 kg 的固定翼飛機［3］。此類飛機廣泛應用于公務飛行、飛行培訓、旅游觀光、航空作業(yè)等多種領域。

在龐大市場需求的推動下，隨著低空空域開放政策的逐步實施，我國的通用航空產業(yè)將迎來快速發(fā)展。航電系統(tǒng)是飛機的重要組成部分，我國未來對通用飛機的巨大需求意味著通用飛機航電系統(tǒng)(以下簡稱“通飛航電”)擁有廣闊的市場前景。

歐美的通用航空產業(yè)較為發(fā)達，其通飛航電技術也較為成熟，有多家企業(yè)可以提供貨架產品。特別是美國，早在10年前就出現(xiàn)了針對通用飛機的綜合化航電系統(tǒng)，應用相當廣泛。相比之下，我國的通用航空產業(yè)方興未艾，通飛航電的研制還處于起步階段。目前，國內通用飛機所使用的航電產品主要依賴進口，自主研發(fā)水平亟待提高。

本文在總結航電技術發(fā)展動因的基礎上，以通飛航電的特點及系統(tǒng)架構為切入點，對具有代表性的產品進行了分析，結合應用需求提出了對于通飛航電技術未來發(fā)展趨勢的觀點，并指出了所涉及的關鍵技術。

2 發(fā)展動因

無論是通用飛機、運輸類飛機，還是軍用飛機，其航電系統(tǒng)都經歷了從獨立式到聯(lián)合式、再到綜合化的發(fā)展歷程，這是業(yè)內普遍的共識。

現(xiàn)代航電系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)、多種環(huán)境、多項任務、多種資源構成的相互關聯(lián)、相互支持、相互集成、相互制約的復雜系統(tǒng)，具有多目標、多信息、多專業(yè)、多任務、多功能、多資源、多過程的特征。如何實現(xiàn)多目標構成、多信息構建、多任務組成、多功能組織、多專業(yè)配置、多資源組合、多過程支撐，滿足功能多、品質高、能力強、成本低的需求，是新一代航電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。針對日趨復雜的航電系統(tǒng)而言，綜合化技術已經成為該領域內最為關注的發(fā)展方面之一。

3 系統(tǒng)特點

雖然安全性與經濟性是運輸類飛機與通用飛機航電系統(tǒng)的共同特點，但通過更為深入的分析可以發(fā)現(xiàn)通飛航電有別于運輸類航電的方面。

(1)安全性要求稍低

根據相關適航規(guī)定，除通勤類飛機以外，其他通用飛機的安全性要求比運輸類飛機低1～3 個數(shù)量級［4］。因此，通用飛機的航電系統(tǒng)相對簡單，研發(fā)成本相對較低。

(2)追求經濟性

與運輸類飛機相比，通用飛機的技術門檻相對較低，競爭相對激烈，研發(fā)成本是決定其市場表現(xiàn)的關鍵因素。在保證安全性要求的前提下，通飛航電的設計需要最大限度地降低成本。為了實現(xiàn)多功能與低成本的兼顧，綜合化、模塊化設計已經得到廣泛應用。

(3)系統(tǒng)架構緊湊，系統(tǒng)構型靈活

運輸類飛機的航電系統(tǒng)規(guī)模龐大、功能完備、設備眾多、綜合化程度高、系統(tǒng)構型相對固定，其設計理念追求的是“大而全”。相比之下，受成本、重量、安裝空間等因素的制約，通飛航電的設計追求的是“小而精”，除基本功能外，其他功能可以根據需要靈活配置?；竟δ馨w行參數(shù)指示、引擎參數(shù)指示、話音通信、GPS 導航、VOR(甚高頻全向信標)導航、儀表著陸、航管應答等，擴展功能包括自動飛行、飛行管理、數(shù)據通信、多種無線電導航、合成視景、近地告警、氣象雷達、防撞、自動相關監(jiān)視等［5－6］。

(4)先進技術運用有限

飛控計算機、光纖、AFDX(全雙工交換式航空以太網)總線、TCAS(交通防撞系統(tǒng))、HUD(平視顯示)等先進技術已經廣泛應用于運輸類飛機，但在通用飛機上卻很少見，這同樣是由于成本因素的制約。

(5)隨機取證為主

運輸類飛機的航電系統(tǒng)相當龐大，設備供應商較多，因此主要以設備獨立取證的方式完成適航取證。通用飛機的航電系統(tǒng)通常由一個供應商提供，為控制成本，主要采用隨機取證的方式，即航電系統(tǒng)跟隨飛機一同完成適航取證。表1給出了通用飛機與運輸類飛機航電系統(tǒng)的簡要對比，此處的安全性指標為系統(tǒng)發(fā)生災難性失效的概率［4］。

表1 通用飛機與運輸類飛機航電系統(tǒng)簡要對比Table 1 Brief comparison between avionics systems for general and transport aircraft

4 系統(tǒng)架構

通用飛機航電系統(tǒng)按照基本功能可劃分為9 個子系統(tǒng)，相應的功能及設備配置如表2所示，ADS－B 為廣播式自動相關監(jiān)視，ILS 為儀表著陸系統(tǒng)，TAWS 為地形感知與告警系統(tǒng)。

表2 通用飛機綜合航電系統(tǒng)的組成Table 2 Major subsystems of general aircraft avionics

綜合化技術使得通飛航電系統(tǒng)中的獨立設備數(shù)量大大減少?；镜木C合化通飛航電系統(tǒng)由智能飛行顯示器、大氣航姿設備、綜合無線電設備、自動駕駛儀、音頻控制面板、機身/引擎接口設備等獨立單元組成，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 綜合化通飛航電系統(tǒng)架構Fig.1 Integrated general aircraft avionics architecture

系統(tǒng)的綜合化主要體現(xiàn)在:

(1)基于帶控制接口的智能顯示器，實現(xiàn)顯示控制界面以及飛行管理功能的綜合;

(2)通過大氣數(shù)據與航姿數(shù)據的集中處理，實現(xiàn)飛行參數(shù)處理功能的綜合;

(3)基于綜合無線電設備，實現(xiàn)通信、導航、監(jiān)視功能的綜合;

(4)通過音頻控制面板，實現(xiàn)音頻信號的集中處理;

(5)通過機身/引擎接口設備，實現(xiàn)飛機參數(shù)采集功能的綜合。

5 典型產品

在目前眾多的通飛航電系統(tǒng)中，具有代表性的是Garmin 公司的G1000 系統(tǒng)和Avidyne 公司的Entegra 系統(tǒng)，下面分別進行介紹。

5.1 G1000 系統(tǒng)

G1000 系統(tǒng)主要針對中小型通用飛機，具有較高的市場占有率。該系統(tǒng)主要由下列設備構成［7－8］:2 臺智能飛行顯示器;2 臺綜合無線電設備;2 臺大氣數(shù)據計算機;2 臺航姿測量設備;2 臺模式應答機;1 臺引擎/機身接口設備;1 臺音頻控制面板。

該系統(tǒng)的主要特點是:

(1)開放式架構，構型靈活，便于功能擴展;

(2)雙余度設計，具有較高的可靠性與功能可用性;

(3)以智能飛行顯示器和綜合無線電設備為核心，綜合化程度較高;

(4)在飛行顯示器中以軟件的形式集成了飛行管理、合成視景、交通咨詢等功能;

(5)綜合無線電設備集成了超短波通信、超短波導航、GPS、自動駕駛、飛行指引、接口管理等功能;

(6)較多地采用了普通以太網、RS232、RS429等廉價總線，有助于成本控制。

5.2 Entegra 系統(tǒng)

Entegra 是第一款針對輕型通用飛機的綜合化航電系統(tǒng)，于2003年推向市場。該系統(tǒng)包含完整的航電功能，最新版本為R9。

基本型的Entegra R9 由綜合飛行顯示器、控制顯示單元、自動駕駛儀、音頻控制面板、數(shù)據采集單元、氣象數(shù)據接收機等設備組成，同時可擴展S 模式應答、交通咨詢、自動定向、測距、近地告警等功能［9］。該系統(tǒng)主要具有以下特點:

(1)以綜合飛行顯示器為核心，實現(xiàn)了高度的綜合化與模塊化。綜合飛行顯示器實際上是液晶顯示模塊與顯示器機箱的組合，主要的航電設備均以模塊的形式集成在機箱中，這些模塊包括核心處理模塊、大氣航姿模塊、通信導航模塊、GPS 模塊和接口模塊;

(2)采用常見于運輸類飛機的IMA 技術，實現(xiàn)了多個功能軟件在核心處理模塊上的綜合。借助分區(qū)操作系統(tǒng)，這些功能軟件之間能得到可靠的隔離，從而在保證系統(tǒng)安全性的同時降低研制成本［10］;

(3)雙冗余架構與雙冗余數(shù)據總線結合，避免了單點故障擴展為級聯(lián)故障;

(4)基于“FMS Vectors”和“GeoFill”等功能，整套系統(tǒng)界面友好，操作簡單。

6 發(fā)展趨勢及關鍵技術

6.1 發(fā)展趨勢

推動通飛航電技術發(fā)展的因素主要來自民航空管部門和用戶兩個方面。一方面，隨著空域內飛行密度的不斷增加，空管部門要求通用飛機安全性更高、對空域資源的利用更加有效;另一方面，用戶要求通用飛機經濟性更好，操縱更簡便［11］。在此背景下，通用飛機航電技術的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個趨勢。

(1)適應未來低空空管體系的發(fā)展

可以預見，在未來的低空空管體系中，各種先進技術將得到應用，以適應空中交通流量的日益增長。多模式航管應答、ADS－B、地空數(shù)據鏈等功能將被納入通飛航電。

(2)全面的安全性考慮與更加人性化的設計

通過氣象探測、近地告警、合成視景、ADS－ B等技術，未來的通用飛機將具有氣象、地形、交通等全方位的態(tài)勢感知能力，飛行更為安全。在操控方面，通飛航電強調簡單易用的設計理念，最大限度降低誤操作隱患。

(3)飛行過程的智能化

在應用需求的推動下，飛行管理、自動飛行、電傳飛控等常見于運輸類飛機的先進技術正逐漸在通用飛機上出現(xiàn)。這些技術的應用，將大幅降低飛行員的工作負擔，實現(xiàn)飛行過程的智能化，提升飛行品質［12］。

(4)經濟性與功能多樣性的平衡

未來的通用航空需要航電系統(tǒng)具有多種功能，同時要求功能成本盡可能低。在此前提下，開放式架構和綜合化設計是解決經濟性與功能多樣性之間矛盾的有效途徑。

6.2 關鍵技術

(1)IMA 技術［13］

IMA 即“綜合模塊化航空電子”，它基于模塊化設計、高性能計算機、先進數(shù)據總線、分區(qū)實時操作系統(tǒng)等技術，帶來了航電系統(tǒng)的更新?lián)Q代。IMA 的目標是，在可接受的成本范圍內，實現(xiàn)航電系統(tǒng)功能的多樣性、可用性、可維護性以及可擴展性［14］。目前IMA 技術在運輸類飛機上已經得到廣泛應用，在通用飛機上的應用也已經開始。

(2)軟件技術

軟件已經開始在航電系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用［15］。飛行管理、合成視景、近地告警、飛行控制、綜合顯控［16］等功能均由軟件實現(xiàn)。借助于分區(qū)操作系統(tǒng)，多個功能軟件可以在同一處理平臺上運行，功能之間可以有效隔離，這樣既能保證安全性，又能降低制造成本。

(3)電傳飛控技術

由于成本較高，電傳飛控目前主要應用于運輸類飛機。近年來，隨著技術的發(fā)展，國外已經出現(xiàn)了使用電傳技術的通用飛機。這項技術可以取代傳統(tǒng)的機械操縱機構，使飛機操縱輕便化，實現(xiàn)飛行軌跡優(yōu)化及包線保護，從而降低飛機重量、減輕飛機員工作負擔、保證飛行安全、提升飛行品質。

(4)輕/小型化與低成本的設計與制造技術

如前所述，通用飛機對航電設備的尺寸和重量都有較高的要求。為此，一方面需要通過IMA 技術提高硬件的集成度和功能的軟件化程度，另一方面需要在結構設計過程中多采用有助于減小尺寸和重量的工藝和材料，以實現(xiàn)輕/小型化目標。

在充分采用上述4 種先進技術的同時，系統(tǒng)的設計與制造成本應當?shù)玫匠浞挚紤]。性價比才是決定系統(tǒng)最終市場表現(xiàn)的決定因素。可以預見，成熟、廉價的設計與制造技術仍將在未來的通飛航電系統(tǒng)中得到廣泛運用。

7 結束語

2013年11月18日，中國人民解放軍總參謀部會同中國民用航空局聯(lián)合發(fā)布了《通用航空飛行任務審批與管理規(guī)定》，并計劃于2013年12月1日起正式實施，這對整個通用航空產業(yè)的發(fā)展是一個實質性的重大利好。在此背景下，通用飛機綜合航電技術具有較高的研究價值，相關單位宜盡早開展相關的技術研究及產品研制，形成國內自主研發(fā)能力，爭取市場份額。

［1］ 通用航空飛行管制條例［S］.Rules of general aviation flight control［S］.(in Chinese)

［2］ 耿建華.通用航空概論［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2007.GENG Jian－h(huán)ua.Introduction to General Aviation［M］.Beijing:Aviation Industry Press，2007.(in Chinese)

［3］ CCAR－23－R3，正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規(guī)定［S］.CCAR－23－R3，Airworthiness Standards:Normal，Utility，Acrobatic，and Commuter Category Airplanes［S］.(in Chinese)

［4］ AC23.1309－1E，System Safety Analysis and Assessment for Part 23 Airplanes［S］.

［5］ Illman P E. 飛行員航空知識手冊［M］.4 版. 王同樂，楊新湦，譯.北京:航空工業(yè)出版社，2006.Illman P E. Pilot＇s Handbook of Aeronautical Knowledeg［M］.4th ed.Translated by WANG Tong－le，YANG Xinsheng.Beijing:Aviation Industry Press，2006.(in Chinese)

［6］ Welch J F，Bjork L，Bjork L. 現(xiàn)代飛行技術［M］. 熊峻江，譯.北京:國防工業(yè)出版社，2011.Welch J F，Bjork L，Bjork L. Modern Airmanship［M］.Translated by XIONG Jun－ jiang. Beijing:National Defense Industry Press，2011.(in Chinese)

［7］ Garmin Ltd. G1000 Integrated Flight Deck Pilot＇s Guide［EB/OL］. 2008［2013－ 12－ 23］. http://static.garmincdn. com/pumac/G1000:Non－ AirframeSpecific_PilotsTrainingGuide_－05_.pdf.

［8］ 任可，茍江.GARMIN1000 航空電子系統(tǒng)原理及維護方法［J］.自動化與儀器儀表，2009(2):87－90.REN Ke，GOU Jiang.GARMIN1000 avionics system principle and maintain methods［J］.Automation ＆ Instrumentation，2009(2):87－90.(in Chinese)

［9］ Avidyne Corporation. Entegra Integrated Flight Display System Release 9 Pilot＇s Guide［EB/OL］.2009［2013－12－ 23］. http://www. avidyne. com/downloads/brochures/AV829－R9－Brochure－RS－LR.pdf.

［10］ ARINC Specification 653－1，Avionics Application Software Standard Interface［S］.

［11］ 胡問鳴.通用飛機［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2008.HU Wen－ min. General Aircraft［M］. Beijing:Aviation Industry Press，2008.(in Chinese)

［12］ 李鵬，張磊，竇愛萍. 通用飛機航空電子系統(tǒng)技術發(fā)展研究［J］.電子技術，2013(10):5－7，4.LI Peng，ZHANG Lei，DOU Ai－ ping. Research on the Technology Development of General Aircraft Avionics System［J］.Electronic Technology，2013(10):5－7，4.(in Chinese)

［13］ ARINC Report 651－1，Design Guidance for Integrated Modular Avionics［S］.

［14］ 尤海峰，劉煜.大型民用飛機IMA 系統(tǒng)應用分析及發(fā)展建議［J］.電訊技術，2013，53(1):110－116.YOU Hai－feng，LIU Yu.Application analysis of and development suggestion for IMA system on large civil aircrafts［J］. Telecommunication Engineering，2013，53(1):110－116.(in Chinese)

［15］ 陳穎，苑仁亮，曾利. 航空電子系統(tǒng)模塊化綜合系統(tǒng)集成技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2013.CHEN Ying，YUAN Ren－liang，ZENG Li.Integrated avionics system module integrated system［M］. Beijing:National Defense Industry Press，2013.(in Chinese)

［16］ 張雙，茹偉，張磊. 小型綜合座艙顯示系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)［J］.電光與控制，2013，20(6):62－65.ZHANG Shuang，RU Wei，ZHANG Lei. Design and Implementation of Small Integrated Cockpit Display System Software［J］. Electronics Optics and Control，2013，20(6):62－65.(in Chinese)