航空電子系統的發展歷程及發展建議

王恒 賈蒙 西北工業大學

引言

航空電子系統涉及通信、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，航空電子系統提供全部飛行信息及決策建議，可以實現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 航空電子系統發展歷程

近年來，由于AR、VR、量子計算機、人工智能等高新技術的快速發展，航空電子系統發展迅速，綜合化、智能化、模塊化水平不斷提高，已經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、可靠的完成相關任務中發揮著非常重要的作用。航空電子系統經過近一個世紀的發展，經歷了分立式、聯合式、綜合式和先進綜合式四個發展階段。

1.1 分立式航空電子系統

第一代航空電子系統為分立式結構，20 世紀初到20 世紀50 年代是離散式結構階段，雷達、通信、導航等設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，從參數獲取，數據分析到數據輸出都是在各自獨立的系統中完成的。所以在飛行過程中，飛行員需要時刻觀察各個飛機參數，通工這些獨立的參數來判斷飛機的狀態。另外，在對飛機操控的過程中，飛行員需要分別對各個系統進行操作和修正，這種形式的航空電子系統被定義為第一代航空電子系統。所以對于第一代航空電子系統而言，不存在終端計算機對整個系統的控制，每個子系統有各自的傳感器、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。

1.2 聯合式航空電子系統

第二代航空電子系統為聯合式結構，各設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逐步推廣到這種結構，現已廣泛應用于現役航空器中。與第一代分立式航空電子系統相比，該系統大大減輕了飛行員的負擔，簡化了系統設計。在該系統中，各個獨立的設備通過1553B 總線互聯，實現了各個子模塊之間的數據共享，進而提高了系統性能。而且由于子系統之間的相對獨立性，可以實現模塊化軟件設計，使得整個系統便于維護、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據資源共享和綜合顯示控制的問題，但隨著航空電子系統的進一步復雜化，第二代聯合式航空電子系統也表現出了一些問題：各個模塊之間未實現軟件和硬件的共享，僅是在顯示和控制層面上實現了綜合，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據傳輸需求；系統通過總線控制器集中控制，缺乏系統控制上的健壯性；需要外場、內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

80 年代美國的“寶石柱”航空電子系統是其典型代表，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據處理，導航、通信、地形等數據可以融合。綜合式航空電子系統將整個系統分為傳感器區、數字信號處理區、任務管理區和飛機管理區。在各個功能區中，許多基礎功能模塊實現共享，提高了系統的健壯性。進而使得系統結構層次化，功能模塊標準化，數據總線高速化，同時維護方便、容錯率強且易擴展。

2 航空電子系統發展方向

2.1 開放式的系統結構

開放式系統結構便于構成分布式系統，便于不同廠家生產的、不同型號計算機或其他硬件之間互聯、互通和互操作，也便于硬件、軟件的移植，便于系統功能的增強和擴充。此外開放式系統結構還支持系統可變規模，有利于縮短研制開發周期。

2.2 綜合核心處理系統（ICP）技術

系統中高度綜合的核心處理系統是多種先進技術的匯集地，很多計算、處理、控制和管理功能都是在ICP 中完成，負責實現傳感器輸入數據的綜合處理、數據融合、任務計算、視頻信息生成、導航計算、通信管理、系統控制和故障監視、檢測、重構等多種功能。新一代航空電子系統的許多特性都在ICP 中。

2.3 軟件技術

隨著航電系統結構的發展和任務功能的增長，軟件的比重和開發費用正在逐步上升。軟件替代了硬件為一些航空電子系統提供計算。這種軟件被叫做功能函數，每個功能函數都替代了一些設備，并使這種多重函數在同一個CPM 上使用相同的硬件。即軟件就是設備。

2.4 總線技術

多路傳輸總線系統是航空電子綜合系統的信息傳遞樞紐。通過多路復用原理，大大減少了航空電子系統內部的耦合電纜數量，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 據 總 線（HSDB）等。MIL-STD-1773 總線是1553B 總線采用光纖作為傳輸介質的總線，它具有不產生點磁干擾的特性。采用光纖作為傳輸介質，具有很強的抗電磁干擾能力。

3 航空電子系統未來發展建議

3.1 量子計算機的應用

量子計算機以處于量子狀態的原子作為中央處理器和內存，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，故無論從數據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有的中央處理器成為可能，屆時航電系統的數據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網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、可伸縮、虛擬化的，而且以服務的方式提供。云計算加速從數據共享、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的一部分數據傳送到云端進行處理，這樣不但可以提升航電系統的性能，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。