航空電子系統(tǒng)的發(fā)展歷程及發(fā)展建議

王恒 賈蒙 西北工業(yè)大學

引言

航空電子系統(tǒng)涉及通信、導航、識別、探測、飛行管理、顯示控制等功能，對民機飛行員而言，航空電子系統(tǒng)提供全部飛行信息及決策建議，可以實現(xiàn)雙向人機交互和空地通信，幫助飛行員完成給定的飛行任務。

1 航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷程

近年來，由于AR、VR、量子計算機、人工智能等高新技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)發(fā)展迅速，綜合化、智能化、模塊化水平不斷提高，已經(jīng)日益成為大型飛機不可或缺的組成部分，在保障大型飛機安全、可靠的完成相關(guān)任務中發(fā)揮著非常重要的作用。航空電子系統(tǒng)經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進綜合式四個發(fā)展階段。

1.1 分立式航空電子系統(tǒng)

第一代航空電子系統(tǒng)為分立式結(jié)構(gòu)，20 世紀初到20 世紀50 年代是離散式結(jié)構(gòu)階段，雷達、通信、導航等設(shè)備各自均有專用且相互獨立的天線、射頻前端、處理器、顯示器等，連接方式為點對點連接。各個系統(tǒng)和模塊是獨自完成各自功能的，即在整個完成任務的過程中，從參數(shù)獲取，數(shù)據(jù)分析到數(shù)據(jù)輸出都是在各自獨立的系統(tǒng)中完成的。所以在飛行過程中，飛行員需要時刻觀察各個飛機參數(shù)，通工這些獨立的參數(shù)來判斷飛機的狀態(tài)。另外，在對飛機操控的過程中，飛行員需要分別對各個系統(tǒng)進行操作和修正，這種形式的航空電子系統(tǒng)被定義為第一代航空電子系統(tǒng)。所以對于第一代航空電子系統(tǒng)而言，不存在終端計算機對整個系統(tǒng)的控制，每個子系統(tǒng)有各自的傳感器、控制器、顯示器以及自己專用的計算機并且專用性強。同時存在著一些弊端，例如缺少靈活性，難以實現(xiàn)大量的信息交換，而且任何改進都需要通過更改硬件來實現(xiàn)。

1.2 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

第二代航空電子系統(tǒng)為聯(lián)合式結(jié)構(gòu)，各設(shè)備前端和處理部分均獨立，信息鏈的后端控制與顯示部分綜合在一起，達到資源共享，60至70 年代的航空電子系統(tǒng)逐步推廣到這種結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已廣泛應用于現(xiàn)役航空器中。與第一代分立式航空電子系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)大大減輕了飛行員的負擔，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。在該系統(tǒng)中，各個獨立的設(shè)備通過1553B 總線互聯(lián)，實現(xiàn)了各個子模塊之間的數(shù)據(jù)共享，進而提高了系統(tǒng)性能。而且由于子系統(tǒng)之間的相對獨立性，可以實現(xiàn)模塊化軟件設(shè)計，使得整個系統(tǒng)便于維護、更改和功能擴充，進而可以降低研制的成本。

雖然在一定程度上解決了數(shù)據(jù)資源共享和綜合顯示控制的問題，但隨著航空電子系統(tǒng)的進一步復雜化，第二代聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)也表現(xiàn)出了一些問題：各個模塊之間未實現(xiàn)軟件和硬件的共享，僅是在顯示和控制層面上實現(xiàn)了綜合，即綜合化程度低；信息傳輸速率較低，1553B 總線的傳輸速率僅為1Mb/s，無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求；系統(tǒng)通過總線控制器集中控制，缺乏系統(tǒng)控制上的健壯性；需要外場、內(nèi)場和車間三級維修支持，使得維修成本提高。

1.3 綜合式航空電子系統(tǒng)

80 年代美國的“寶石柱”航空電子系統(tǒng)是其典型代表，它具有更大范圍的綜合信號處理和控制/顯示功能。這一代系統(tǒng)的主要特征是可以用少量模塊單元完成幾乎全部的信號與數(shù)據(jù)處理，導航、通信、地形等數(shù)據(jù)可以融合。綜合式航空電子系統(tǒng)將整個系統(tǒng)分為傳感器區(qū)、數(shù)字信號處理區(qū)、任務管理區(qū)和飛機管理區(qū)。在各個功能區(qū)中，許多基礎(chǔ)功能模塊實現(xiàn)共享，提高了系統(tǒng)的健壯性。進而使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化，功能模塊標準化，數(shù)據(jù)總線高速化，同時維護方便、容錯率強且易擴展。

2 航空電子系統(tǒng)發(fā)展方向

2.1 開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便于構(gòu)成分布式系統(tǒng)，便于不同廠家生產(chǎn)的、不同型號計算機或其他硬件之間互聯(lián)、互通和互操作，也便于硬件、軟件的移植，便于系統(tǒng)功能的增強和擴充。此外開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還支持系統(tǒng)可變規(guī)模，有利于縮短研制開發(fā)周期。

2.2 綜合核心處理系統(tǒng)（ICP）技術(shù)

系統(tǒng)中高度綜合的核心處理系統(tǒng)是多種先進技術(shù)的匯集地，很多計算、處理、控制和管理功能都是在ICP 中完成，負責實現(xiàn)傳感器輸入數(shù)據(jù)的綜合處理、數(shù)據(jù)融合、任務計算、視頻信息生成、導航計算、通信管理、系統(tǒng)控制和故障監(jiān)視、檢測、重構(gòu)等多種功能。新一代航空電子系統(tǒng)的許多特性都在ICP 中。

2.3 軟件技術(shù)

隨著航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和任務功能的增長，軟件的比重和開發(fā)費用正在逐步上升。軟件替代了硬件為一些航空電子系統(tǒng)提供計算。這種軟件被叫做功能函數(shù)，每個功能函數(shù)都替代了一些設(shè)備，并使這種多重函數(shù)在同一個CPM 上使用相同的硬件。即軟件就是設(shè)備。

2.4 總線技術(shù)

多路傳輸總線系統(tǒng)是航空電子綜合系統(tǒng)的信息傳遞樞紐。通過多路復用原理，大大減少了航空電子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合電纜數(shù)量，并提供了信息充分利用和融合的必要條件。目前，廣泛采用的總線有：MIL-STD-1553B 和 高 速 數(shù) 據(jù) 總 線（HSDB）等。MIL-STD-1773 總線是1553B 總線采用光纖作為傳輸介質(zhì)的總線，它具有不產(chǎn)生點磁干擾的特性。采用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有很強的抗電磁干擾能力。

3 航空電子系統(tǒng)未來發(fā)展建議

3.1 量子計算機的應用

量子計算機以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，利用原子的量子特性進行信息處理。由于原子具有在同一時間處于兩個不同位置的奇妙特性，即處于量子位的原子既可以代表0 或1，也能同時代表0 和1 以及0 和1 之間的中間值，故無論從數(shù)據(jù)存儲還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的兩倍。因此，量子計算機高效的運算能力使其在未來替代現(xiàn)有的中央處理器成為可能，屆時航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力將得到大幅度的提升。

3.2 云計算的應用

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計算模式，其計算資源（包括計算能力、存儲能力、交互能力等）是動態(tài)、可伸縮、虛擬化的，而且以服務的方式提供。云計算加速從數(shù)據(jù)共享、信息共享走向服務共享。隨著5G 的普及，信息傳輸帶寬將得到大幅度提升，屆時可以將航電系統(tǒng)的一部分數(shù)據(jù)傳送到云端進行處理，這樣不但可以提升航電系統(tǒng)的性能，在一定程度上降低航電平臺的復雜度，而且可以降低維修成本。