通用飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)過程中的需求研究

劉文學(xué)，馮偉，劉文，李亞杰

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710065）

通用飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)過程中的需求研究

劉文學(xué)，馮偉，劉文，李亞杰

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710065）

在通用飛機(jī)的航電系統(tǒng)開發(fā)過程中，需求定義是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，本文以飛機(jī)級(jí)需求、相關(guān)適航法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和未來技術(shù)發(fā)展為參考，對(duì)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的功能需求、適航需求、安全性需求、人機(jī)功效需求、經(jīng)濟(jì)性需求和維護(hù)保障需求進(jìn)行了研究分析，并在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)某型航電系統(tǒng)的開發(fā)形成了有效指導(dǎo)。

航電系統(tǒng)；功能需求；適航；安全性

0 引言

在系統(tǒng)工程中，需求分析是系統(tǒng)開發(fā)過程中比不可少的環(huán)節(jié)，需求是系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)、集成和驗(yàn)證的基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)開發(fā)的成本和周期具有重要的影響。如果在前期沒有做好需求分析，當(dāng)系統(tǒng)開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)需求不正確或者需求不能滿足實(shí)際要求，此時(shí)重新進(jìn)行需求更改過程，系統(tǒng)開發(fā)的成本和周期就會(huì)成倍的增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)失敗。因此在系統(tǒng)開發(fā)過程中一定要重視需求，進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的需求研究，是系統(tǒng)開發(fā)成功的基礎(chǔ)。

本文以通用飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)為目標(biāo)，在需求分析階段通過對(duì)航電系統(tǒng)不同的需求進(jìn)行研究，包括功能需求、適航需求、安全性需求、人機(jī)功效需求、經(jīng)濟(jì)性需求和維護(hù)保障需求，識(shí)別出這些需求的特點(diǎn)和相關(guān)因素，最終用于指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)過程。

1 通用飛機(jī)航電系統(tǒng)介紹

通用飛機(jī)航電系統(tǒng)是指為支持完成通用飛機(jī)正常飛行任務(wù)所需配備的機(jī)載電子系統(tǒng),一般包括綜合顯示、通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、飛行管理、空管等功能。航電系統(tǒng)作為通用飛機(jī)的核心系統(tǒng)和關(guān)鍵的人機(jī)交互界面，先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠幫助飛行員提高的飛行能力和對(duì)周圍環(huán)境的感知能力，以提高飛行的安全性，同時(shí)還能減輕飛行員的飛行負(fù)擔(dān)、提高飛行效率。圖1為某型通用飛機(jī)航電系統(tǒng)示意圖。

2 通用飛機(jī)航電系統(tǒng)需求研究

2.1 通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的功能需求

通用飛機(jī)航電系統(tǒng)功能需要考慮未來國家航空管理的規(guī)定，對(duì)一些未來可能需要升級(jí)或新增的功能規(guī)定進(jìn)行需求分析研究，形成對(duì)這些功能需求的準(zhǔn)確定義。

圖1 通用飛機(jī)航電系統(tǒng)示意圖

我國“十一五”規(guī)劃初步建成的“新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)”，國際民航組織提出的“新航行系統(tǒng)”以及美國政府聯(lián)合規(guī)劃發(fā)展辦公室(JPDO)提出的“下一代空中運(yùn)輸系統(tǒng)(NGATS)”，其核心思想基本相同，與目前基于地面的雷達(dá)導(dǎo)航、有聲無線電和人工空中交通管理的系統(tǒng)不同，新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)將是基于衛(wèi)星導(dǎo)航、電子數(shù)據(jù)交換和自動(dòng)化空中交通管理的系統(tǒng)，將會(huì)提高航空運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性，減少環(huán)境污染。這種改變將會(huì)對(duì)綜合座艙顯示、CNS/ATM、飛行管理等機(jī)載電子系統(tǒng)功能產(chǎn)生非常大的影響。

其中對(duì)導(dǎo)航能力的要求表現(xiàn)為，采用GPS、GALELIO、GLONASS或者北斗等多傳感器定位信息的融合，通過地面、空間和機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)提高導(dǎo)航精度，可保障航路、終端區(qū)、進(jìn)近飛行和著陸；能夠使基于軌跡的航空器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的空域管理、分配和使用，靈活選擇航跡，增加自主間隔調(diào)配。

綜合座艙顯示要求把相鄰航空器位置、航跡、機(jī)場(chǎng)電子地圖、氣象信息等傳輸?shù)今{駛艙進(jìn)行顯示，采用駕駛艙顯示技術(shù)使得飛行員和管制員看到的是同一種真實(shí)的情景。

新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)需要建立在新技術(shù)、新程序上的新型的空中交通管理系統(tǒng)和基于性能的航空運(yùn)行模式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播系統(tǒng)（ADS-B），飛機(jī)把自身空間位置和軌跡（機(jī)載計(jì)算機(jī)提供的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)）通過數(shù)據(jù)鏈廣播到空間和地面，其周邊飛機(jī)和地面管制員可以看到該飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置及飛行軌跡。

這些都充分體現(xiàn)了新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)機(jī)載電子系統(tǒng)的影響，需要通過研究并形成面向通用飛機(jī)航電系統(tǒng)功能性需求。

2.2 適航需求

民用航空管理局審查部門對(duì)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的要求是系統(tǒng)研制的最基本要求，因?yàn)閷彶椴块T的要求是對(duì)飛機(jī)安全性的最低要求，只有滿足該要求才能保證系統(tǒng)的安全性。適航需求研究的層次說明如下。

（1）CCAR23部《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》F章對(duì)航電系統(tǒng)設(shè)備的要求，分析總結(jié)出其中適用于適用于通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)需要研究CCAR121部中K章儀表和設(shè)備要求、T章飛行運(yùn)作、U章簽派和飛行放行等內(nèi)容對(duì)飛機(jī)儀表和設(shè)備中提出的操作要求，在此基礎(chǔ)上研究CCAR91部中規(guī)定的飛行規(guī)則，嚴(yán)格按照該規(guī)則設(shè)計(jì)平臺(tái)中相關(guān)功能，確保平臺(tái)的實(shí)用性和適航性。

（2）民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的適航性技術(shù)要求是“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（TSO）”，審定部門針對(duì)每一類機(jī)載設(shè)備會(huì)頒布一個(gè)TSO，TSO是機(jī)載設(shè)備的最低性能標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的適航技術(shù)要求。通過研究系統(tǒng)集成的相關(guān)功能，確定系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的CTSO標(biāo)準(zhǔn)。

（3）為了保證系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)盡量采用國際通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過研究ARINC651、ARINC653、ARINC764、ARINC661等綜合化航空電子系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究通用飛機(jī)航電系統(tǒng)中硬件平臺(tái)、接口、軟件、總線、安裝等需求，使系統(tǒng)具備良好的通用性和兼容性。

2.3 系統(tǒng)安全性需求

民機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備安全性評(píng)估工作將根據(jù)SAE ARP4754和ARP4761中規(guī)定的安全性評(píng)估方法進(jìn)行，分析通用飛機(jī)航電系統(tǒng)中承擔(dān)的飛機(jī)級(jí)功能，采用功能危害度分析對(duì)平臺(tái)所有功能進(jìn)行安全性評(píng)估，并確定其失效對(duì)飛機(jī)級(jí)的影響從而確定失效危害度等級(jí)。

FHA過程是識(shí)別每一種失效狀態(tài)及其分類原理，隨著設(shè)計(jì)過程中飛機(jī)的功能被分配到各個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)每一個(gè)綜合了多項(xiàng)功能的系統(tǒng)再進(jìn)行FHA檢查。此時(shí)系統(tǒng)FHA應(yīng)為考慮分配到該系統(tǒng)的單個(gè)功能或其組合。FHA的輸出將成為系統(tǒng)初步安全性分析（PSSA）的起始點(diǎn)，將定性和定量的安全性要求作為平臺(tái)研制的安全性需求。

2.4 人機(jī)功效需求

人機(jī)功效主要體現(xiàn)在機(jī)載電子系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)中，航空人機(jī)工程學(xué)是載人飛行器設(shè)計(jì)和操縱員訓(xùn)練的理論基礎(chǔ)之一?，F(xiàn)在大多數(shù)通用飛機(jī)都采用綜合化座艙顯示系統(tǒng)，為減輕飛行員的工作負(fù)荷和疲勞度，保持良好的態(tài)勢(shì)感知能力，以減少人因飛行事故，提高綜合座艙數(shù)字顯示界面的整體工作績(jī)效，對(duì)綜合座艙數(shù)字顯示界面進(jìn)行人機(jī)交互功效設(shè)計(jì)和評(píng)估的問題亟待解決。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期應(yīng)充分考慮到人機(jī)工效的內(nèi)容和需求，并應(yīng)用到座艙顯控單元的設(shè)計(jì)。需要對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)座艙顯控單元進(jìn)行充分調(diào)研，歸納分析顯控單元存在的人機(jī)工效問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合面向通用飛機(jī)的綜合座艙顯控單元的趨勢(shì)和特點(diǎn)確立人機(jī)工效評(píng)估和需求。

2.5 經(jīng)濟(jì)性需求

通用飛機(jī)面對(duì)的用戶大部分是私人用戶和企業(yè)用戶，用戶對(duì)飛機(jī)本身的價(jià)格和后期的運(yùn)營成本非常敏感，因此通用飛機(jī)設(shè)計(jì)中非常注意成本的控制。需要研究通用飛機(jī)各方面的成本對(duì)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)總的低成本實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2.6 維護(hù)保障需求

通用飛機(jī)的所面對(duì)的用戶群體，決定了通用飛機(jī)不可能像大飛機(jī)擁有專業(yè)化的培訓(xùn)、維護(hù)和升級(jí)團(tuán)隊(duì)，通用飛機(jī)需要更加簡(jiǎn)單、快捷的方式、手段和方法進(jìn)行飛機(jī)和系統(tǒng)的培訓(xùn)、維護(hù)和升級(jí)，研究通用飛機(jī)的這些維護(hù)保障需求對(duì)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)中的需求進(jìn)行研究，分析了系統(tǒng)需求中的核心功能要素、涉及的適航和安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、以及滿足新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)的要求。能夠有效指導(dǎo)通用飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)過程中的需求定義，并且已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)中得到應(yīng)用。

[1]David D.Walden.A guide for system life cycle process and activities[M],ISBN 978-1-118-99940-0,2015.

[2]伊群,ICAO全球空中交通管理運(yùn)行概念[J]，中國民用航空，2003年, 35( 11): 48- 51.

[3]肖靖,孫濤,陳宇.在我國實(shí)施ADS-B技術(shù)的探討[J].中國民航航空,2005年,第10期,25-29.

[4]SAE ARP4761, Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Civil Airborne Systems and Equipment[M],1996.

Requirements Research For The Development Of General Aircraft Avionics

Liu Wenxue, Feng Wei, Liu Wen, Li Yajie
（Avic xi ‘a(chǎn)n aviation institute of computing technology,Xi’an Shaanxi,710065）

Requirement definition is an important process for the development of general aircraft avionics.For the reference of aircraft requirements, laws, regulations, technical standard orders and future technical development, functions requirements, airworthiness requirements, safety requirements, human factors, economical requirements and maintenance requirements for the general aircraft avionics is researched in this paper. The results of this research have got real application for some avionics development.

avionics; function requirements; airworthiness; safety