實現(xiàn)航行新技術(shù)的CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計研究

鄧浩昌 / DENG Haochang

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

實現(xiàn)航行新技術(shù)的CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計研究

鄧浩昌 / DENG Haochang

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

從國際民航組織、美國聯(lián)邦航空局、歐洲航空安全局和中國民用航空局已經(jīng)發(fā)布的航行新技術(shù)政策及規(guī)章出發(fā)，包括基于性能的導航技術(shù)、自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和衛(wèi)星著陸技術(shù)，提出了民機機載通信導航監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)這些航行新技術(shù)的需求，總結(jié)了通信導航監(jiān)視系統(tǒng)的傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合先進的航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計技術(shù)、先進的航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)，在民機型號研制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種新的通信導航監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)。新架構(gòu)是高度綜合化、開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，增加了系統(tǒng)擴充功能的靈活性。最后，提出了工程實現(xiàn)上需要進一步考慮的適航和安全性分析、時間延遲及信號失真等方面的問題。

基于性能的導航；自動相關(guān)監(jiān)視；衛(wèi)星通信；衛(wèi)星著陸系統(tǒng)

0 引言

針對新航行技術(shù)，國際民航組織(ICAO)、中國民用航空局(CAAC)、美國國家航空管理局(FAA)、歐洲航空管理署(EASA)，都已經(jīng)做出了規(guī)劃，并進一步頒布了相應(yīng)的政策、法規(guī)、技術(shù)標準和指導程序等文件。ICAO在2007年9月第36屆大會上，正式要求各締約國在2016年前以全球一致和協(xié)調(diào)的方式，從傳統(tǒng)陸基導航飛行模式完全過渡到基于性能的導航(PBN)，PBN包括所需導航性能(RNP)、所需通信性能(RCP)和所需監(jiān)視性能(RSP)。中國民用航空局2009年10月發(fā)布了《中國民航PBN實施路線圖》[1]。先后頒發(fā)了IB-FS-2008-002《廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)在飛行運行中的應(yīng)用》[2]、AC-121-FS-2011-004R1《航空承運人運行中心(AOC)政策與標準》[3]、2012年11月發(fā)布《中國民用航空ADS-B 實施規(guī)劃》[4]、《航空公司運行控制衛(wèi)星通信實施方案》[5](民航發(fā)[2013]10號)和AC-91-FS AA-2010-14 《在無雷達區(qū)使用1090兆赫擴展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的適航和運行指南》[6]。 2014年12月18日，CAAC正式成立了民航局航行新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展工作委員會。隨即，CAAC 又于 2015年1月5日召開的民航局航行新技術(shù)委員會第一次會議，明確了PBN、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)、衛(wèi)星著陸系統(tǒng)(GLS)等新技術(shù)應(yīng)用重點工作。FAA正在實施的下一代空中交通管理(NextGen)計劃和EASA 的歐洲單一天空(SESAR)計劃中，也都包括PBN技術(shù)、ADS-B、數(shù)據(jù)通信(數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星通信SATCOM)、GLS等技術(shù)。相應(yīng)的咨詢通告(AC)、技術(shù)標準(TSO)做出了相應(yīng)補充要求。為實施新航行技術(shù)中的PBN、ADS-B、DATA Link、SATCOM、GLS等技術(shù)，工業(yè)界也配套出版或修訂了機載通信導航監(jiān)視系統(tǒng)相應(yīng)的工業(yè)規(guī)范和標準，主要包括ARINC系列規(guī)范和RTCA DO系列規(guī)范。

航行新技術(shù)中，RNP是提升導航能力和提高導航安全性的重要技術(shù)途徑；以ADS-B為主的新監(jiān)視技術(shù)作為空中交通主要監(jiān)視手段，可實現(xiàn)“空-空”監(jiān)視和“空-地”協(xié)同運行；全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)在現(xiàn)有的美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GLONASS)、歐盟全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GALILEO)的基礎(chǔ)上，將引入中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(COMPASS)，進一步提高GNSS的定位能力，可助力GLS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，提升著陸安全性。衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈、甚高頻數(shù)據(jù)鏈、高頻數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用，將滿足空中交通信息服務(wù)、航空公司運營控制的新需求?？盏貙拵ㄐ判l(wèi)星系統(tǒng)，可進一步提升客艙服務(wù)系統(tǒng)的品質(zhì)。

新航行技術(shù)的應(yīng)用需求，對傳統(tǒng)的機載通信導航監(jiān)視(CNS)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計提出了新的要求?；诂F(xiàn)代民用飛機ARINC664數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、ARINC653操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)及綜合化模塊化航電(IMA)設(shè)計技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使傳統(tǒng)CNS系統(tǒng)頂層架構(gòu)，由基于ARINC429數(shù)據(jù)總線和獨立LRU的聯(lián)合式頂層架構(gòu)走向基于IMA平臺和ARINC664數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的開放式頂層架構(gòu)，駐留在IMA平臺通用硬件模塊上的CNS功能應(yīng)用軟件采用符合開放式標準的ARINC653嵌入式實時操作系統(tǒng)規(guī)范來開發(fā)。

1 新航行技術(shù)對CNS系統(tǒng)的要求

1.1 PBN對CNS的功能要求

根據(jù)ICAO、CAAC、FAA和EASA有關(guān)PBN的要求和規(guī)劃，近期的民航運行必須滿足PBN運行要求，如，RNP AR定量指標要求。傳遞到機載CNS系統(tǒng)，就必須進行機載CNS系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計和需求分解，對系統(tǒng)導航傳感器精度、導航解算誤差、飛行控制誤差進行合理分配，提出具體的誤差函數(shù)值，變?yōu)閷C載系統(tǒng)和設(shè)備的采購要求。

1.2 ADS-B對CNS的功能要求

機載ADS-B應(yīng)用功能可分為ADS-B OUT發(fā)送(地空監(jiān)視)和ADS-B IN接收(空空監(jiān)視)兩類。ADS-B OUT是指航空器向外發(fā)送信息。監(jiān)視數(shù)據(jù)可來自不同的機載數(shù)據(jù)源(例如，水平位置、氣壓高度、ATC應(yīng)答機控制面板等)。機載發(fā)射機以一定周期發(fā)送航空器的各種信息，包括：航空器識別碼、位置、高度、速度、方向和升降率等。OUT是機載ADS-B設(shè)備的基本功能，需要具備充分的監(jiān)視數(shù)據(jù)提供能力、報文處理(編碼和生成)能力、報文發(fā)送能力。只要相關(guān)機載電子設(shè)備正確安裝且正常運行，ADS-B OUT系統(tǒng)一般無需駕駛員干預(yù)即可自動工作。ADS-B IN是指航空器接收其他航空器發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面服務(wù)設(shè)施發(fā)送的信息，為駕駛員提供運行支持。ADS-B IN的一個典型應(yīng)用是駕駛員通過駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI)獲知其他航空器的運行狀況，從而提高駕駛員的空中交通情景意識。要求機載設(shè)備ADS-B Version 2(RTCA DO-260B)，一般采用ADS-B數(shù)據(jù)鏈1090ES(1090MHz)。美國FAA要求ADS-B支持兩種ADS-B數(shù)據(jù)鏈：UAT(978MHz)和1090ES(1090MHz)。

1.3 數(shù)據(jù)通信對CNS的功能要求

數(shù)據(jù)通信協(xié)議要求同時支持飛機通信尋址與報告系統(tǒng)(ACARS)網(wǎng)和航空電信網(wǎng)(ATN)。機載數(shù)據(jù)通信任務(wù)，可由甚高頻數(shù)據(jù)鏈(VHF Data Link)、高頻數(shù)據(jù)鏈(HF Data Link)、衛(wèi)星通信(SATCOM)系統(tǒng)來完成。CNS系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需具備符合ARINC623基于字符的空中交通服務(wù)(ATS)的數(shù)據(jù)通信、符合ARINC618空地基于字符協(xié)議(AOC)的數(shù)據(jù)通信。需要進行管制員-飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC)與合同式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-C)時，飛行管理系統(tǒng)(FMS)需具備相應(yīng)空中交通管理(ATC)功能。還可以通過FMS實現(xiàn)符合ARINC702A的AOC數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)航空公司運營數(shù)據(jù)通信，傳送航路信息和航空公司運營信息。另外，客艙旅客服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求越來越大，機載CNS系統(tǒng)也需要增加寬帶衛(wèi)星通信功能。

1.4 GLS對CNS的功能要求

GLS基于GNSS系統(tǒng)和地基增強系統(tǒng)(GBAS)或星基增強系統(tǒng)(SBAS)，提供精密進近和著陸引導功能，未來將成為飛機的標配，支持III類著陸，不需平整場地和校驗，支持多個跑道端，性能/價格比遠高于ILS。GLS功能要求機載CNS系統(tǒng)和FMS，具備支持GNSS多種星系的信號接收和處理能力、機場數(shù)據(jù)庫、著陸地圖顯示及告警能力。

1.5 新航行技術(shù)對CNS的架構(gòu)要求

飛行運營采用新航行技術(shù)，需要地面導航通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、衛(wèi)星網(wǎng)路系統(tǒng)、機載系統(tǒng)共同組成一個大系統(tǒng)，協(xié)同工作來實現(xiàn)。這就要求機載CNS系統(tǒng)增加功能、提高性能指標。在CNS系統(tǒng)架構(gòu)上，采用IMA架構(gòu)和先進數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將會提高系統(tǒng)的綜合效能，減輕系統(tǒng)的重量，提高數(shù)據(jù)處理能力，減少系統(tǒng)的功耗和重量。

2 實現(xiàn)新航行技術(shù)的機載CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)CNS系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)CNS系統(tǒng)架構(gòu)是基于ARINC429總線網(wǎng)絡(luò)和獨立航線可更換單元(LRU)的聯(lián)合式架構(gòu)。CNS系統(tǒng)的功能分別固化在LRU硬件中，各個LRU之間如需要信息交互，可以ARINC429總線連接。如圖1所示，是一個典型的傳統(tǒng)CNS系統(tǒng)架構(gòu)[7]。圖中縮略語：

ATC-空中交通管理；

ISS-綜合監(jiān)視系統(tǒng)；

WXR-氣象雷達；

TCAS-交通防撞與告警系統(tǒng)；

TAWS-地形提示和警告系統(tǒng)；

S-MODE-S模式應(yīng)答機(含ADS-B功能)；

RNAV-無線電導航系統(tǒng)；

ILS-儀表著陸系統(tǒng)；

VOR-甚高頻全向信標；

ADF-自動定向儀；

MB-指點信標；

GNSS-全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；

DME-測距儀；

RA-無線電高度表；

CMU-通信管理單元(含數(shù)據(jù)鏈路由)；

CSA-(數(shù)據(jù)鏈)控制和狀態(tài)應(yīng)用軟件。

圖1 傳統(tǒng)CNS系統(tǒng)架構(gòu)

RNP導航解算功能主要由FMS軟件實現(xiàn)，RNAV系統(tǒng)(含GNSS)、慣性基準系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供必要的傳感器數(shù)據(jù)，飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)提供飛機參數(shù)。ADS-B功能由ISS的S-模式應(yīng)答機實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈功能，由通信系統(tǒng)的VHF、HF、SATCOM系統(tǒng)各自實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路由功能由數(shù)據(jù)管理單元實現(xiàn)。機載維護系統(tǒng)實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的管理和軟件加載功能。機載打印機，實現(xiàn)機載打印功能。

傳統(tǒng)的CNS系統(tǒng)架構(gòu)中，由于LRU大都采用成熟的產(chǎn)品，經(jīng)濟型和安全性較好，但是，面臨新技術(shù)運行要求的挑戰(zhàn)。已經(jīng)有越來越多的幾種功能綜合在一起的LRU不斷地被研發(fā)出來，來代替原先幾個獨立功能的LRU。如ISS綜合處理機，綜合了TCAS、S模式應(yīng)答機、氣象雷達和TAWS的數(shù)據(jù)處理功能。多模接收機(MMR)也綜合了無線電導航系統(tǒng)的大部分功能等。

2.2 基于IMA平臺的CNS系統(tǒng)架構(gòu)

基于IMA平臺的CNS系統(tǒng)架構(gòu)，建立在ARINC664數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上。IMA平臺中的通用處理模塊(GPM)，采用了符合ARINC653規(guī)范的嵌入式實時操作系統(tǒng)，駐留在GPM上的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)航行新技術(shù)功能。

圖2 基于IMA平臺的CNS系統(tǒng)架構(gòu)

圖中：

AGU-音頻網(wǎng)關(guān)；

CSA-控制和狀態(tài)應(yīng)用軟件。

FMS軟件實現(xiàn)RNP導航功能、FMS數(shù)據(jù)鏈ATC(CPDLC應(yīng)用)、數(shù)據(jù)鏈AOC(傳輸飛行計劃、氣象數(shù)據(jù)、起飛速度、飛行前準備等)。GPM上可以駐留的軟件還包括ADS-B、SATCOM數(shù)據(jù)處理軟件、AOC、ATS、CMU路由、CSA。還可以考慮駐留音頻網(wǎng)關(guān)(AGU)、ILS、VOR、DME、ADF、MB、GNSS(含GLS)、S模式上應(yīng)答機軟件(含ADS-B)、WXR、TCAS、TAWS功能軟件等。隨著航行新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和航電系統(tǒng)開放式IMA平臺和ARINC664數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，CNS系統(tǒng)的設(shè)計，也開始考慮在已經(jīng)較成熟的IMA平臺和ARINC664網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將越來越多的已有CNS系統(tǒng)應(yīng)用軟件和新技術(shù)功能軟件，駐留在IMA平臺的通用處理模塊中，通過ARINC664網(wǎng)絡(luò)，與飛機各系統(tǒng)交聯(lián)。

CNS各功能的射頻單元、調(diào)諧控制單元、音頻綜合控制單元，通過顯示控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和ARINC664網(wǎng)絡(luò)與CNS功能軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

新CNS系統(tǒng)架構(gòu)，現(xiàn)對于傳統(tǒng)架構(gòu)，減少了LRU數(shù)量，減少了系統(tǒng)功耗、減少了裝機電纜、減輕了飛機重量。

3 基于IMA平臺的CNS系統(tǒng)架構(gòu)所面臨問題

3.1 安全性問題和適航取證

基于IMA平臺和ARINC664數(shù)據(jù)網(wǎng)路的航電系統(tǒng)適航取證，已經(jīng)走過了幾個飛機型號，積累了一定的工程經(jīng)驗，也發(fā)布了與之相對應(yīng)的工業(yè)標準。對IMA平臺的硬件和軟件，已經(jīng)發(fā)布了相應(yīng)的咨詢通告AC、工業(yè)規(guī)范RTCA等，并已經(jīng)取得了幾個飛機型號的FAA和EASA的TC證、CAAC的TC證，安全性問題不突出。但是對于CNS系統(tǒng)新技術(shù)功能，安全性分析變得比以前更為復雜，并且，在新架構(gòu)下的CNS適航驗證流程和經(jīng)驗相對較少。這些是后續(xù)飛機型號研制中需要特別引起重視的部分技術(shù)難點和取證難點。

3.2 延時問題

航行新技術(shù)中，對于時間延遲要求較高的功能，在軟件駐留在IMA平臺后，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)增多了，能否滿足型號的實時性要求，需要進一步做分析、仿真和試驗，在CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)配置上，需采取針對性的應(yīng)對措施。

3.3 失真問題

無線電信號，在經(jīng)過IMA平臺駐留功能軟件處理后，需要特別注意數(shù)字化后的信號失真問題。特別是數(shù)字音頻綜合后，會帶來音頻失真、音質(zhì)變差的問題，需要不斷的工程試驗和設(shè)計優(yōu)化來逐步解決。

4 結(jié)論

航行新技術(shù)需求和民航管理當局的政策法規(guī)的完善，催生了CNS系統(tǒng)設(shè)備的更新、系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展、系統(tǒng)需求的增加、適航驗證方法的革新和行業(yè)標準的完善?；贗MA平臺的CNS系統(tǒng)架構(gòu)，由于對民用飛機航電系統(tǒng)帶來的益處，已經(jīng)成為下一代CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向，正在被廣泛采納。

[1] 中國民用航空局. 中國民航PBN實施路線圖[S]. 北京：中國民用航空局，2009.

[2] 中國民用航空局飛行標準司. 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)在飛行運行中的應(yīng)用：IB-FS-2008-002[S].北京：中國民用航空局飛行標準司，2008.

[3] 中國民用航空局飛行標準司. 航空承運人運行中心(AOC)政策與標準：AC-121-FS-2011-004R1[S].北京：中國民用航空局飛行標準司，2011.

[4] 中國民用航空局. 航空公司運行控制衛(wèi)星通信實施方案, 民航發(fā)[2013]10號[S]. 北京：中國民用航空局,2013.

[5] 中國民用航空局. 航空公司運行控制衛(wèi)星通信實施方案, 民航發(fā)[2013]10號[S]. 北京：中國民用航空局,2013.

[6] 中國民用航空局. 在無雷達區(qū)使用1090兆赫擴展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視的適航和運行指南: AC-91-FS AA-2010-14[S].北京：中國民用航空局飛行標準司，2010.

[7] 周貴榮，鄧浩昌. 實現(xiàn)航跡跟蹤功能的機載系統(tǒng)架構(gòu)[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2016(12): 35-39.

CNS System Architecture Design for Implementation of New Flight Technology

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This paper puts forward the requirement for implementing the new flight technology based on the policy and rules from the International Civil Aviation Organization, Federal Aviation Administration of USA, Europe Aviation Safety Administration, and Civil Aviation Administration of China. These new flight technologies are including Performance Based Navigation, Auto-Dependent Surveillance Broadcasting, GNSS(Global Navigation Satellite System)Landing System. It summarizes the system architecture of traditional communication system, navigation system, and surveillance system. Combining with advanced avionics system architecture design technology and advanced avionics data bus networks technology, it develops a new system architecture of integrated communication system, navigation system, and surveillance system, based on the experience of civil aircraft development engineering. The new high level integrated system architecture is open to add new application software, with flexibility for extensional function. At the end, the paper also points out the issues which may be faced on system engineering implementation, including system safety analysis and certification, time delay and signal distortion.

PBN; ADS-B; SATCOM; GLS

V241.01

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.001

鄧浩昌男，本科，研究員。主要研究方向：民機航電系統(tǒng)設(shè)計和驗證。Tel: 021-20866556;E-mail: denghaochang@comac.cc