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(xué)

引言

航空電子系統(tǒng)涉及通信、導(dǎo)航、識(shí)別、探測(cè)、飛行管理、顯示控制等功能，對(duì)民機(jī)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(shí)現(xiàn)雙向人機(jī)交互和空地通信，幫助飛行員完成給定的飛行任務(wù)。

1 航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷程

近年來(lái)，由于AR、VR、量子計(jì)算機(jī)、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(jī)不可或缺的組成部分，在保障大型飛機(jī)安全、可靠的完成相關(guān)任務(wù)中發(fā)揮著非常重要的作用。航空電子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式四個(gè)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(jì)初到20 世紀(jì)50 年代是離散式結(jié)構(gòu)階段，雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等設(shè)備各自均有專(zhuān)用且相互獨(dú)立的天線(xiàn)、射頻前端、處理器、顯示器等，連接方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。各個(gè)系統(tǒng)和模塊是獨(dú)自完成各自功能的，即在整個(gè)完成任務(wù)的過(guò)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(dú)立的系統(tǒng)中完成的。所以在飛行過(guò)程中，飛行員需要時(shí)刻觀察各個(gè)飛機(jī)參數(shù)，通工這些獨(dú)立的參數(shù)來(lái)判斷飛機(jī)的狀態(tài)。另外，在對(duì)飛機(jī)操控的過(guò)程中，飛行員需要分別對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)于第一代航空電子系統(tǒng)而言，不存在終端計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，每個(gè)子系統(tǒng)有各自的傳感器、控制器、顯示器以及自己專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)并且專(zhuān)用性強(qiáng)。同時(shí)存在著一些弊端，例如缺少靈活性，難以實(shí)現(xiàn)大量的信息交換，而且任何改進(jìn)都需要通過(guò)更改硬件來(lái)實(shí)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(dú)立，信息鏈的后端控制與顯示部分綜合在一起，達(dá)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(yīng)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(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中，各個(gè)獨(dú)立的設(shè)備通過(guò)1553B 總線(xiàn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子模塊之間的數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而提高了系統(tǒng)性能。而且由于子系統(tǒng)之間的相對(duì)獨(dú)立性，可以實(shí)現(xiàn)模塊化軟件設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)便于維護(hù)、更改和功能擴(kuò)充，進(jìn)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(wèn)題，但隨著航空電子系統(tǒng)的進(jìn)一步復(fù)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(wèn)題：各個(gè)模塊之間未實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的共享，僅是在顯示和控制層面上實(shí)現(xiàn)了綜合，即綜合化程度低；信息傳輸速率較低，1553B 總線(xiàn)的傳輸速率僅為1Mb/s，無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求；系統(tǒng)通過(guò)總線(xiàn)控制器集中控制，缺乏系統(tǒng)控制上的健壯性；需要外場(chǎng)、內(nèi)場(chǎng)和車(chē)間三級(jí)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(guó)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(hào)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(hào)與數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)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(gè)系統(tǒng)分為傳感器區(qū)、數(shù)字信號(hào)處理區(qū)、任務(wù)管理區(qū)和飛機(jī)管理區(qū)。在各個(gè)功能區(qū)中，許多基礎(chǔ)功能模塊實(shí)現(xiàn)共享，提高了系統(tǒng)的健壯性。進(jìn)而使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化，功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)總線(xiàn)高速化，同時(shí)維護(hù)方便、容錯(cuò)率強(qiáng)且易擴(kuò)展。

2 航空電子系統(tǒng)發(fā)展方向

2.1 開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開(kāi)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(chǎng)家生產(chǎn)的、不同型號(hào)計(jì)算機(jī)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(qiáng)和擴(kuò)充。此外開(kāi)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(kāi)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(jìn)技術(shù)的匯集地，很多計(jì)算、處理、控制和管理功能都是在ICP 中完成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳感器輸入數(shù)據(jù)的綜合處理、數(shù)據(jù)融合、任務(wù)計(jì)算、視頻信息生成、導(dǎo)航計(jì)算、通信管理、系統(tǒng)控制和故障監(jiān)視、檢測(cè)、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(wù)功能的增長(zhǎng)，軟件的比重和開(kāi)發(fā)費(fèi)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(jì)算。這種軟件被叫做功能函數(shù)，每個(gè)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(gè)CPM 上使用相同的硬件。即軟件就是設(shè)備。

2.4 總線(xiàn)技術(shù)

多路傳輸總線(xiàn)系統(tǒng)是航空電子綜合系統(tǒng)的信息傳遞樞紐。通過(guò)多路復(fù)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(xiàn)有：MIL-STD-1553B 和 高 速 數(shù) 據(jù) 總 線(xiàn)（HSDB）等。MIL-STD-1773 總線(xiàn)是1553B 總線(xiàn)采用光纖作為傳輸介質(zhì)的總線(xiàn)，它具有不產(chǎn)生點(diǎn)磁干擾的特性。采用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

3 航空電子系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展建議

3.1 量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

量子計(jì)算機(jī)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(jìn)行信息處理。由于原子具有在同一時(shí)間處于兩個(gè)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(shí)代表0 和1 以及0 和1 之間的中間值，故無(wú)論從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)高效的運(yùn)算能力使其在未來(lái)替代現(xiàn)有的中央處理器成為可能，屆時(shí)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(jì)算的應(yīng)用

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，其計(jì)算資源（包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交互能力等）是動(dòng)態(tài)、可伸縮、虛擬化的，而且以服務(wù)的方式提供。云計(jì)算加速?gòu)臄?shù)據(jù)共享、信息共享走向服務(wù)共享。隨著5G 的普及，信息傳輸帶寬將得到大幅度提升，屆時(shí)可以將航電系統(tǒng)的一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送到云端進(jìn)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(tái)的復(fù)雜度，而且可以降低維修成本。