面向民用直升機的航電系統架構改進設計

朱兗植

(中國航空無線電電子研究所，上海 200241)

0 引言

民用直升機航電系統隨著航空電子技術的更新換代，經歷了從分立式儀表到聯合式航電系統的發展，再逐步過渡到先進的綜合模塊化航空電子系統架構[1]。在日新月異的需求的牽引下，民用直升機航電系統往更開放的系統架構、高安全性設計、更好的人機交互體驗方向發展。國內的民用直升機市場具備廣闊的增長空間，但目前受國外技術管控、研發成本、商業模式等因素的影響，國內民用直升機產業發展得不成熟、不均衡。當前國內民用直升機的航電系統多以聯合式系統架構為主，其功能性能與國外先進機型存在一定差距，仍具有較大的改進空間[2]。

民用直升機航電系統對于飛行管理功能的需求很強烈，一方面飛行管理系統(FMS)能結合多傳感器導航，增強直升機符合民航運行要求的能力，提高飛行過程中的導航精度和系統的安全性；另一方面，可以實現高度自動化飛行，符合國外先進民用直升機操作風格，降低機組工作負荷，進一步保障飛行安全；同時能提供最佳飛行剖面的引導，可以降低油耗，改善經濟性[3]。如何在現有架構基礎上完善飛行管理系統的功能，成為民用直升機迫切需要解決的問題。

1 航電系統現有架構剖析

以國產某型民用直升機為例，其航電系統由綜合顯示系統、通信系統、導航系統、飛參及音頻記錄系統、機電管理系統等分系統或設備組成。該型機航電系統具備典型的聯合式航電系統特點，配備了4臺10英寸的有源矩陣液晶顯示器，以ARINC429和RS422總線為主要數據傳輸載體，依靠兩臺綜合顯示處理機(IDP)作為外系統數據收發和處理中心，控制顯示單元(CDU)作為主要人機交互接口，用于實施飛行計劃和操作控制，有效地減少飛行員和機組的操作負荷，提升人機交互水平(圖1)。

綜合顯示系統是該型直升機航電系統的核心分系統之一，主要承擔飛行信息的顯示、分系統數據接收和處理、外部系統控制交互、飛行航線制定、參數設置等主要功能。通信系統包括短波電臺、超短波電臺，用于飛行機組與地面之間的通信服務。導航系統包括組合導航、光纖航姿、無線電高度表、自動定向儀、組合接收設備等設備用于提供直升機的導航服務。該型機配備多普勒雷達和氣象雷達，用于天氣預測及搜索救援。

圖1 原有航電系統架構示意圖

2 航電系統升級需求捕獲和分析

2.1 國外同類型機型航電系統分析

國外與該型機類似的直升機有阿古斯塔-韋斯特蘭公司的AW101直升機、西科斯基公司的S-76直升機以及歐直公司的EC225直升機等。表1對這幾款直升機的航電系統進行簡略分析。

從表1中可以看出，該型機航空電子系統與目前國外同類型民用直升機無論是性能上還是功能上都存在一定差距，主要有以下幾個方面：

其一，具備先進的有源矩陣液晶屏，但顯示性能有待改善，顯示內容相對單一，綜合顯示系統在功能和性能上有待提升；

其二，無監視相關的應用功能，TCAS、TAWS等應用缺少；

其三，沒有裝備飛行管理計算機或者飛行管理功能模塊，不具備完整的飛行管理系統功能。

該型機僅能處理簡單的飛行計劃制定、航路點修改與顯示、航線數據庫管理、航段引導等任務，缺少標準進離場程序、航線偏置等飛行計劃管理功能。

該型機不具備完備的數據庫管理能力，缺少性能計算與預測、綜合導航管理等功能，導航精度有待提升，缺乏最優的飛行剖面解算并進行飛行引導的能力。

表1 同類型機型航電主要特點對照表

2.2 典型應用場景分析

該型機是一款多用途中型民用直升機，按照飛行任務的不同，其主要應用場景包括人員與貨物運輸、海洋執法、森林和城市滅火、搜索和救援等[7]，具體分析如下：

1)人員與貨物運輸的應用場景，包括人員運輸和傷員轉送、短途旅游觀光、物資補給運輸等特定任務場景。該應用場景下，充分發揮民用直升機具備的人員和貨物運輸優勢，其后艙空間大、發動機性能優異的特點保證了人員運輸的舒適性和效率。

2)海洋執法的應用場景，包括海監巡邏、近海執法、海洋應急和海洋搜索等。該應用場景下，利用該型機優異的動力性能，開展近海巡邏與執法工作，配合其他艦船，進行多任務協同工作。

3)森林和城市消防的應用場景，包括森林消防、護林巡線、空中指揮以及城市滅火等場景。森林消防是該型直升機的另一個典型應用場景，該場景下直升機主要實施空中指揮、吊桶裝載、滅火救援等任務，有效解決森林和城市火情下消防人員無法靠近的難題。

4)山區和高原的搜索救援應用場景。該應用場景下，充分利用該型直升機優異的高原飛行性能，在高原和山區交通不便的地區，開展搜索和應急救援等任務。

2.3 航空電子系統升級需求分析

結合國外同類型直升機的特點以及民用直升機的應用場景分析，梳理直升機航空電子系統的升級需求，主要是增強直升機符合民航運行的能力，提高系統安全性，改善人機工效并降低飛行員負擔，提升經濟性等方面。針對該型機不同的應用場景，分析各應用場景下對飛行管理系統的需求，具體如下：

1)人員與貨物運輸的場景下，利用FMS標準導航數據庫的信息，結合多傳感器導航和飛行計劃管理，飛行民用航線，并在民用機場起降，擴大飛行空域，提升直升機的飛行效率。

2)海洋執法的應用場景下，利用FMS具備的性能計算和預測功能，實施精準的飛行引導，支持直升機快速響應作業任務，保障直升機在海上運行的效率和安全性。

3)森林和城市消防的應用場景下，利用FMS具備的導航數據庫信息，實現高效的數據庫管理調度，實施精確導航和飛行引導，有效支撐直升機消防作業。

4)搜索救援的應用場景下，利用FMS具有的搜索航路規劃功能，優化飛行計劃和水平引導，提升直升機搜索作業的效率，大大增強直升機的機動能力。

3 加裝飛行管理系統的架構設計

針對該型民用直升機航空電子系統優化架構以及完善飛行管理系統的升級需求，目前主流的可選方案有四種，分別是“單獨任務機”方案、“控制顯示單元(CDU)一體化”方案、“綜合顯示處理機(IDP)”一體化方案以及“綜合模塊化(IMA)”方案。

3.1 “單獨任務機”方案

“單獨任務機”方案指的是飛行管理系統具備單獨的飛行管理計算機，飛行管理應用駐留于飛行管理計算機內，借用綜合顯示系統的CDU作為人機接口裝置，與飛行機組進行交互。該種方案下的航電系統架構圖如圖2所示。

圖2 “單獨任務機”架構示意圖

“單獨任務機”架構的特點在于具備獨立的飛行管理計算機和標準的控制顯示單元，飛行管理應用駐留于飛行管理計算機內部，飛行管理功能與顯示系統功能分離。同時，外部交聯系統需要留有飛行管理系統接口。

3.2 “控制顯示單元(CDU)一體化”方案

“CDU一體化”方案指的是飛行管理系統不具備單獨的飛行管理計算機設備，飛行管理處理模塊駐留在CDU內部，整合飛行管理處理模塊和CDU顯示處理模塊，實現部分物理綜合和功能綜合。該種方案下的航電系統架構圖如圖3所示。

圖3 “CDU一體化”架構示意圖

“CDU一體化”架構的特點在于飛行管理系統與綜合顯示系統的顯示控制高度綜合化，飛行管理系統與綜合顯示系統功能能有效分離，提升飛行管理系統操作控制的時效性；同時，沒有獨立的飛行管理計算機，從整個航電系統來看，重量和功耗增加相對較少；但外部系統仍然需要留有飛行管理系統接口，而原有的CDU需要同步增加對外系統交聯的接口，因此，會對CDU的處理能力和接口能力提出更高的要求。

3.3 “綜合顯示處理機(IDP)一體化”方案

“IDP一體化”方案與“CDU一體化”方案類似，不具備單獨的飛行管理計算機設備，飛行管理處理模塊駐留在IDP內部，實現了部分物理綜合和功能綜合，CDU仍然作為飛行管理系統的操作輸入以及人機交互接口。該種方案下的航電系統架構圖如圖4所示。

圖4 “IDP一體化”架構示意圖

“IDP一體化”方案的特點在于飛行管理系統的核心處理模塊駐留于綜合顯示處理機內，調用綜合顯示處理機的接口資源，實現對外部分系統或者設備數據的采集，通過IDP內部總線，跟綜合顯示系統進行數據交互和控制操作，綜合顯示系統與飛行管理系統物理上高度綜合，功能上則進一步區分。該種架構對原有綜合顯示系統的處理機提出較高要求，原有的接口資源、內部數據交互模式以及軟件分工需要重新審視；但這種架構對整個航空電子系統架構影響最小，對外部系統和設備無需擴充電氣接口。

3.4 “綜合模塊化(IMA)”方案

為了實現更快速高效的數據交互模式，對原有航電系統進行內部架構優化，采取“綜合模塊化(IMA)”架構形式，即采用符合ARINC664標準的數據總線，取代原有HDLC數據交互總線，作為綜合顯示系統內部以及各駐留系統的數據交互總線。外部交互分系統仍然以ARINC429或者RS422總線為主?！熬C合模塊化(IMA)”方案的架構圖如圖5所示。

圖5 “綜合模塊化(IMA)一體化”架構示意圖

“綜合模塊化(IMA)”方案的特點是充分利用開放式體系架構以及統一的機載數據網絡交換技術，實現各系統高度的物理綜合和功能綜合。綜合顯示系統中的顯示控制裝置功能進一步綜合與優化，改變傳統的點對點傳輸模式，充分實現數據的共享，極大地促進了數據交互的及時性和可靠性。飛行管理系統以通用處理單元的硬件平臺為基礎，實現與外系統的數據交互，既提升了與CDU之間的交互水平，又節省了接口資源。

4 不同架構實施途徑的分析比較

上節中提到的四種加裝飛行管理系統的方案是目前主流的實現形式，無論是“單獨任務機”方案、“CDU一體化”方案還是“IDP一體化”方案，都是聯合式航空電子架構形式，延續原有的以ARINC429和RS422等數據總線為主要傳輸載體的架構形式，不需要對既有航空電子系統架構做大的改動?！癐MA”方案則會對原有航空電子系統架構進行優化升級，選擇更高效可靠的以ARINC664總線為載體的架構形式，無論綜合顯示系統還是各交聯分系統，均需要在接口、總線以及軟件等方面做相應的改變。

4.1 改動量分析

我們從對原有系統平臺軟硬件的改動、接口需求、分系統或設備的改動等方面對四種方案進行深入分析。

“單獨任務機”方案需要增加兩臺飛行管理計算機，飛行管理軟件駐留于飛管計算機內。硬件上，“單獨任務機”方案對既有綜合顯示系統硬件影響最小，綜合顯示處理機和CDU采用預留的ARINC429接口與新增的飛行管理計算機進行交互通信；但從整機角度出發，飛行管理系統所需的交聯分系統均需要增加跟飛行管理系統的通信接口，這會導致增加相當數量的電氣接口。從整個航空電子系統重量上分析，不僅增加了兩臺飛行管理處理機設備，同時增加了加裝的機上電纜，產品功耗也會同步增加。

“CDU一體化”方案無需增加單獨的飛行管理計算機，將飛行管理模塊與CDU進行綜合，原有CDU設備需要進行優化升級，同時CDU需預留ARINC429總線與分系統或者設備進行通信；從整機角度出發，“CDU一體化”方案下所需的交聯分系統同樣需要增加跟飛行管理系統的通信接口，導致增加相當數量的電氣接口。雖然對飛行管理計算機進行了物理綜合，減少了部分設備的重量，但增加的機上電纜仍然無法避免，同時對CDU設備的性能、接口要求更高。

“IDP一體化”方案也無需增加單獨的飛管計算機，將飛行管理模塊與IDP進行綜合，對原有IDP和CDU設備進行優化設計。這種架構下，飛行管理模塊借用IDP的對外接口與外部分系統或者設備進行交聯，無需擴充電氣接口，對整個航空電子系統架構的影響最小。但IDP需要在設備性能、接口分配、軟件分工上進行優化升級。

“IMA”方案下需要對整個綜合顯示系統以及飛行管理系統進行全面的架構設計，以ARINC664總線形式作為主要交互形式。這種架構下，雖然能充分實現數據的交互和共享，但無論是綜合顯示處理機、控制顯示單元還是顯示器單元均需要從功能、性能、接口等方面進行整體升級；除此之外，還需要增加通用接口處理單元設備用于外系統數據之間的交互，硬件上的改動量最大；與此同時，相應的駐留軟件均需要重新開發，以適應不同總線格式和數據規范的要求。

4.2 架構評估與建議

通過對四種方案的分析與比較，我們從技術成熟度、技術先進性、改動量大小、人機工效水平、可維修性、經濟性等角度進行綜合評價，以1-10分打分，分值越大越優，如表2所示。

表2 四種方案評估表

如果沿用原有的航空電子系統架構，則方案三(“IDP一體化”方案)最優，改動量最小，經濟性最好，技術成熟度高，風險可控；如果從技術先進性以及航空電子技術發展的角度出發，選擇方案四(“IMA”方案)較好。

5 結論

民用直升機航空電子系統的架構取決于直升機的應用場景和功能，本文從新時期民用直升機的應用場景出發，結合對聯合式航空電子系統加裝飛行管理系統的需求，提出了四種有效可行的方案。從四種方案的各自特點、對既有航空電子系統改動量和對整機的影響等方面作了深入分析和架構評估，為后續民用直升機航空電子系統平臺的改進設計提供技術支持和方案借鑒。同時，針對民用直升機對安全性的高要求，在后續實施過程中，民機架構評估中更應引入系統安全性的分析與設計，充分識別技術風險，從多角度，科學地評估航電系統的架構。