民用無人直升機綜合模塊化航電系統(tǒng)研究

無人直升機具有機動靈活、垂直起降和空中懸停等功能，飛行時不受場地環(huán)境限制，作業(yè)風險低，使其具有廣泛的使用價值和應用前景，可應用于反恐防暴、海事監(jiān)控、搜索救援、警務執(zhí)法、交通疏導、農(nóng)林作業(yè)、大氣監(jiān)測、森林防火和電力線路監(jiān)測等多個民用領域。隨著我國低空空域的逐步開放，中小型無人直升機在民用市場的競爭也日益激烈，未來高性能、低成本的無人直升機將占據(jù)市場主導地位。

本文的無人直升機航電系統(tǒng)是指廣義的機載航電設備，包括飛行控制、通信、導航、傳感器、任務控制等機載電子設備。它是無人直升機的神經(jīng)中樞，決定著無人直升機的性能和成本。為了滿足未來民用領域高可靠性、長航時、多任務和智能化的需求，將對無人直升機航電系統(tǒng)的功能和性能提出更高的要求。若采用傳統(tǒng)聯(lián)合式或分立式航電系統(tǒng)，勢必導致航電系統(tǒng)日趨龐雜，設備的數(shù)量、重量、體積、成本將大幅增加，從而降低無人直升機的機動性、可靠性和任務承受能力。為解決這一瓶頸以適應未來發(fā)展趨勢，無人直升機航電系統(tǒng)必須實現(xiàn)通用化、模塊化和重構化。

發(fā)展背景

目前，國內(nèi)無人直升機航電系統(tǒng)大部分采用聯(lián)合式或分立式架構，機上的航電設備都是獨立發(fā)展的，盡管考慮了各設備之間的接口關系和相互影響，但沒有把機載航電系統(tǒng)作為一個整體進行設計。隨著無人直升機航電系統(tǒng)復雜程度的增加，使得傳統(tǒng)航電系統(tǒng)出現(xiàn)以下弊端。（1）研發(fā)和維護成本日益增加。（2）性能重量比和性能體積比下降。（3）系統(tǒng)龐雜，降低了可靠性和可用性。（4）擴展和通用性差。聯(lián)合式航電系統(tǒng)的軟硬件與平臺及任務場景密切相關，缺乏通用性和可移植性，每種飛機的航電系統(tǒng)很少能夠互用，導致功能擴展和技術升級時需要很長的研發(fā)周期和費用，市場靈活性差。針對商用飛機和戰(zhàn)斗機的航電系統(tǒng)，以美國“聯(lián)合先進攻擊戰(zhàn)斗機”（JAST）計劃及“寶石臺”（Pave Pace）計劃為代表，北約聯(lián)合標準航電系統(tǒng)結構委員會（ASAAC）提出了綜合模塊化航電系統(tǒng)的（IMA）概念，并成功應用于F-35、F-22、A380、B787、C919等，綜合模塊化航電系統(tǒng)在有人機上的發(fā)展已經(jīng)達到了前所未有的水平。已成功商業(yè)化的S-100無人直升機就采用了綜合電子設備機箱，如圖1所示，箱內(nèi)集成了飛行控制模塊、數(shù)據(jù)鏈控制模塊和電源模塊，充分發(fā)揮了綜合模塊化航電系統(tǒng)的優(yōu)勢。

綜合模塊化航電系統(tǒng)主要是應用集成化和模塊化設計思想，把獨立機載電子設備進行綜合集成化設計，使功能獨立的外場可更換單元（LRU）變成現(xiàn)場可更換模塊（LRM），并將它們按照標準尺寸和接口協(xié)議綜合到一個機箱中，各模塊通過背板總線互連，實現(xiàn)資源共享、信息容錯和快速配置。因此，研究無人直升機綜合模塊化航電系統(tǒng)對于我國民用無人直升機的發(fā)展具有重要意義。

系統(tǒng)設計

現(xiàn)有的中小型無人直升機大多采用聯(lián)合式航電系統(tǒng)，圖2就是一個典型的聯(lián)合式航電系統(tǒng)組成圖。聯(lián)合式航電系統(tǒng)特點是功能設備分立、電子設備多、架構復雜、重量大、安裝空間不足，采購成本高，敷線繁雜。從而影響了任務承載能力和市場競爭力。為解決以上問題，本文基于綜合模塊化航電系統(tǒng)技術，搭建了一種綜合模塊化的民用無人直升機航電系統(tǒng)平臺。

系統(tǒng)架構

聯(lián)合式航電系統(tǒng)可參考以下原則完成綜合集成化設計，使各功能設備綜合成具備獨立功能的可更換模塊。

（1）資源共享

充分實現(xiàn)資源共享，在不影響性能的同時，減少模塊數(shù)量。如現(xiàn)有的微處理器都能滿足大數(shù)據(jù)的計算和處理，因此，可將飛行控制系統(tǒng)計算機內(nèi)部的計算處理部分與任務管理計算機集成為一個專業(yè)飛控計算模塊，作為無人直升機的大腦，負責處理所有飛行控制、系統(tǒng)監(jiān)控和任務管理等數(shù)據(jù)計算工作，并可以根據(jù)任務可靠性的要求，通過增減相同的飛控計算模塊配置成多余度架構。所有外圍的信號采集處理設備（如電氣信號采集器和發(fā)動機采集器）可與原飛控計算機內(nèi)部的接口電路綜合，形成獨立的接口模塊，并可根據(jù)不同平臺的接口特性配置模塊的數(shù)量和種類，快速適應平臺的改裝和升級。各模塊由電源模塊通過總線背板統(tǒng)一供電。

（2）接口統(tǒng)一

各模塊的外形尺寸和重量參考工業(yè)VITA48標準，并建立統(tǒng)一的硬件接口規(guī)范和軟件協(xié)議，盡量采用商用貨架（CTOS）技術，滿足模塊可更換、系統(tǒng)可擴展、軟件可升級的要求，而對于內(nèi)部實現(xiàn)不做要求。如遙控遙測組合可采用軟件無線電架構綜合成遙控遙測模塊，建立標準化波形接口規(guī)范和數(shù)據(jù)鏈路適配規(guī)范，支持波形重構，適用于不同的無人機平臺。

（3）靈活配置

綜合模塊化航電系統(tǒng)可以針對不同的任務場景進行靈活重構，客戶可根據(jù)模塊配置和任務場景拓撲表進行快速定制。各模塊可按功能類別分為標配模塊和選配模塊，標配模塊是保證平臺正常工作最基本的配置，如飛控計算模塊、存儲模塊、電源模塊、接口模塊、導航模塊、大氣模塊都是完成飛行任務的必要模塊。選配模塊是可根據(jù)不同的客戶或任務需求增減的專用模塊，如應答機模塊、圖像處理模塊等。另外，還可以按關鍵等級分為關鍵模塊和非關鍵模塊，依此對各模塊進行故障處理和供電保護。

（4）分類綜合

由于部分傳感器或其前端必須安裝在機身蒙皮外側或特殊部位，不宜綜合，如磁航向計、天線、溫度傳感器、全壓受感器和著陸測距器等。考慮舵機控制器功耗較大，若綜合到機箱內(nèi)部，大散熱量和大電流可能對各模塊的散熱、電源特性、電磁兼容造成影響，可將舵控器的功放和控制模塊綜合到各舵機內(nèi)部，不但減輕了重量還提升了系統(tǒng)可靠性。

按此原則對聯(lián)合式航電系統(tǒng)進行了綜合，搭建了如圖3所示的綜合模塊化航電系統(tǒng)架構。

功能模塊

綜合模塊化航電系統(tǒng)架構通常包括以下幾個模塊：

（1）飛控計算模塊：該模塊為無人機系統(tǒng)的核心模塊，采用高性能處理器，加載飛控應用程序后，可獨立完成原飛控計算機控制律解算、指令輸出、任務管理、發(fā)動機控制等工作。若配置2塊相同的飛控計算模塊，可實現(xiàn)飛控功能的余度配置，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

（2）電源模塊：單電源模塊可通過背板電源總線給其他模塊提供所需二次電源，綜合了原設備的電源模塊，使系統(tǒng)供電共享。雙電源卡的配置可實現(xiàn)供電余度。為保證關鍵模塊的供電安全，可采用分類供電、非關鍵模塊短路保護、電源監(jiān)控等安全措施。

（3）導航模塊：導航模塊集成了高精度的三軸微機電系統(tǒng)慣性測量單元（MIMU）和衛(wèi)星接收機單元，信息融合計算后可向飛控計算模塊提供飛機姿態(tài)和位置信號，代替原陀螺儀、角速率儀、加速度計、GPS接收機和磁航向計設備。

（4）接口模塊：接口模塊集成了原飛控計算機接口單元和發(fā)參采集器。作為綜合航電系統(tǒng)與外部通信的樞紐，接口模塊具備模擬量輸入輸出、離散量輸入輸出、頻率采集、數(shù)字串口通信等功能。根據(jù)外部信號的特性可配置不同種類和數(shù)量的接口模塊。

（5）遙控遙測模塊：與地面站進行遙控遙測數(shù)據(jù)的通信，綜合C/UHF射頻單元和機載收發(fā)組合。采用軟件無線電技術，支持波形配置、加載和重構，實現(xiàn)了分頻段通用，有效地提升了系統(tǒng)資源的利用率和魯棒性。

（6）其他模塊：外置的大氣計算機、無線電高度表、應答機都可以按照統(tǒng)一的接口標準綜合成內(nèi)部功能模塊，可根據(jù)不同的任務要求進行組合配置。

總線布局

綜合模塊化航電系統(tǒng)都是通過背板總線實現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)交換，常用的總線形式有ARINC429、1553B、AFDX和CAN。其中，ARINC429總線的傳輸速率僅有100KB/s，只能實現(xiàn)主從傳輸，不適用于多主模塊之間的傳輸。1553B雖然具有多主雙向輸出特性，但需要專用總線控制器，且價格昂貴。AFDX總線可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于大數(shù)據(jù)量的傳輸。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡，是國際標準的現(xiàn)場總線，網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，低成本，開發(fā)簡單，節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，速率高達1Mbps。考慮成本和重量因素，CAN總線非常適用于中小型民用無人飛行器。為保證系統(tǒng)可靠性，本架構采用雙余度CAN總線布局。

CAN總線布局具有以下特點：

（1）數(shù)據(jù)共享：各模塊可通過總線訪問其他任何模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

（2）擴展性更好：外部設備或擴展機箱與CAN外部擴展口連接，即可接入CAN總線，與內(nèi)部各模塊通信，如舵機可通過擴展CAN口與飛控計算模塊通信。

（3）可靠性高：由于系統(tǒng)結構采用容錯設計，使得任一模塊的故障并不影響其他模塊的工作。

（4）由于每個模塊已經(jīng)對局部數(shù)據(jù)進行了處理，因此，減輕了飛控計算模塊的數(shù)據(jù)處理負擔，使其更好地控制和管理整個系統(tǒng)。

（5）有效減少外部布線，減輕線束重量。為克服CAN總線的傳輸速率的瓶頸，局部模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸采用專用總線通道進行通信，如圖像處理模塊與遙控遙測模塊需要通過專用高速視頻總線進行傳輸。

結構設計

綜合化模塊都有專用的封裝標準，如歐卡ASAAC、美國SEM-E、VITA48等標準系列。其中，VITA48是從工業(yè)標準升級而來，在技術開放性、技術難度、兼容性等指標上都有著良好的表現(xiàn)，采用了CTOS技術，成本較軍用SEM-E模塊更有優(yōu)勢，非常適合民用無人直升機航電系統(tǒng)的模塊設計。本文基于VITA48標準，結合實際情況，對3U或6U板進行特殊封裝。

該封裝具有以下特點：（1）底部總線連接器采用MultiGig RT2連接器，對電源和信號針腳統(tǒng)一分區(qū)定義，支持模塊在機箱任一槽內(nèi)熱插拔。（2）配置的相同模塊可通過模塊地址跳線進行區(qū)別。（3）對外接口普通和特殊連接器安裝在托板上，如射頻接頭，可避免特殊轉接，插拔自如，支持故障隔離測試等。（4）對于要求嚴格模塊可獨立封裝，增加靜電放電保護外殼和散熱金屬片。

機箱是各模塊的安裝平臺，用于固定模塊和各模塊的電氣互連。本系統(tǒng)采用整體式抽屜框架結構，機箱周圍側面采用槽型散熱片，內(nèi)部增加導向槽，箱底安裝總線背板。可同時插入10塊6U模塊和8塊3U模塊，各模塊嵌入在抽屜式框架內(nèi)，插拔自如。模塊托板端面壓入，使模塊之間無任何間隙，保證抗干擾能力。機箱側面留有CAN總線的外部擴展連接口。綜合化航電機箱如圖4所示。

結束語

將綜合模塊化航電系統(tǒng)技術應用在民用無人直升機航電系統(tǒng)升級中，突破傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的技術瓶頸，不但可以大幅減小航電系統(tǒng)的重量和體積，提升系統(tǒng)的可維護性和可靠性，縮短研制周期，降低全壽命周期成本，還可以靈活配置和重構，快速響應市場需求，綜合提升民用無人直升機的市場競爭力，對于推進我國民用無人直升機的市場化進展具有重要意義。

（何劍鐘 嚴峰，中國直升機設計研究所）