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关键词：民用特种飞机；航电系统；架构设计；分布式综合模块化

航空电子系统(以下简称航电系统)架构是一个系统组织概念，是飞机航电功能实现的关键，包括航电系统的特征定义、要求、连接、标准、规章和规范等内容。先进的系统架构必须具有自适应性、动态性和演变性，才能支撑在较长时间内的需求变化和电子技术迅速发展带来的航电设备升级换代能力需求，这也是评价飞机航电系统先进与否的重要衡量指标之一。

综合模块化航电系统(Integrated Modular Avion-ics，IMA)技术是针对航电系统综合化需求实现系统能力、功能、品质、效率和成本最优化的系统技术。综合模块化航电系统架构实现了系统模块的硬件、软件的标准化与通用化，实现了资源共享。系统重构，减少体积、重量、功耗，将进一步降低系统的开发和维护成本。因此，对于目前日趋复杂的航电系统来说，发展IMA技术已成为当代航电系统主流设计方向。

航电系统历来是大型飞机的重要组成部分。对于特种飞机来说，航电系统的研制又有其特殊性，需考虑满足执行特殊任务时的所需功用。相对于适用于载客运行的民用飞机，特种飞机具有搭载更多任务载荷能力。本文提出一种适用于“大分布、小综合”架构设计理念的平台航电系统，采用分布式综合模块化(Distributed Integrated Modular Avionics，DIMA)架构的设计思想，可以适用于多种民用特种飞机平台的航电系统。

不同类型特种飞机根据其任务使命和应用环境不同，其航电系统的组成、功能有一定区别。大型民用特种飞机既要符合民机的运营使用要求，又要满足在特定环境和任务场景下完成任务使命的要求，因此在航电系统研制时，既要满足适航相关规章要求，又要兼顾任务执行效能高的考虑;既要考虑安全可靠，又要追求卓越的效能指标。为简化航电系统的设计和适航取证工作，有必要将航电系统作进一步划分。

对于大型特种飞机来说，能够支持飞机正常运营的航电系统包括通信、导航、监视、显控、飞行管理、机载维护和飞行参数记录系统，这些系统是CCAR25部飞机的常规配置，该配置是保证飞机安全性必备的，也是必须满足相关适航标准要求的，其系统功能构型是稳定的。各系统根据安全性评估结论，对应开展各系统研制并表明适航符合性，严格按照适航审定流程开展取证工作。将这些系统定义为平台航电系统，主要包括通信系统、导航与监视系统、综合显控系统、飞行管理系统、机载维护系统和飞行参数记录系统。

对于特种飞机为执行特殊任务而搭载的任务载荷，是以满足任务执行需求作为设计输入的，这部分构型受外因影响较大，如任务的目标根据不同用户的要求进行变化，因此搭载的任务设备构型具有选装特性;同时任务系统对飞机安全性评估等级较低(一般D级以下)，适航认证的工作量较小，仅需向审查方表明任务系统工作时对飞行安全性影响危害影响性较小。因此，任务载荷的设计可以更加广泛地应用更多前沿的电子科学技术，从而使任务执行效能更高，在飞机成本控制、任务效能、技术先进性等方面具有广泛设计空间。因此，将任务载荷配置定义为任务航电系统，主要包括搜索雷达、无线电探测系统、光电综合探测系统、农林药物喷洒系统、海陆空天通信系统、通信中继等其他一切为用户定制的任务功能设备。

按照上述划分，平台航电系统和任务航电系统物理隔离，边界清晰，便于飞机解耦设计，安全性评估工作明确;后续改装改型仅针对安全性评估等级较低的任务系统，减少适航认证难度(国外飞机对于特种飞机审查通常先进行平台认证，再对任务系统进行改装认证);任务航电系统可广泛应用前沿技术，飞机的设计技术先进性凸显。

民用大型特种飞机航电系统的设计重点是平台航电系统。平台航电系统架构选用得当，能够为任务航电系统提供更加广泛的设计空间，提高飞机的整体收益。因此，本节着重对平台航电系统架构设计进行分析。

平台航电系统采用“大分布、小综合”的设计理念。“大分布”是指以基于分布式综合模块化航电系统为多核心处理系统作为飞机的神经中枢单元，以航空电子全双工交换式以太网数据总线为信息交互媒介;将整个航电系统按功能区域划分为综合显控核心处理系统、无线电通信导航核心处理系统、飞行环境监视核心处理系统、大气数据惯性基准系统、飞行数据记录存储系统五大功能区。“小综合”是将各核心处理系统以IMA架构形式，设置核心处理平台作为中枢，以高速数据总线为信息交互媒介的干线网络。平台航电系统的具体拓扑网络结构如图1所示。

DIMA是一种属于IMA但又有重要改进的架构形式。通过在物理位置上分布综合化模块，使用一个高速网络数据总线把各功能域连接起来的方法，把联合式物理架构和IMA优势有机地结合起来。由于DIMA架构层次结构化好，布线及系统复杂度相对降低，故障隔离诊断和安全性分析工作相对大综合而言比较容易解耦，减轻了复杂系统设计团队的管理负担。DIMA架构降低了重量、体积和系统复杂性，灵活性好、可扩展性强，在电子技术突飞猛进的发展时代有较长的生命周期，对于大型民用飞机型号的设计和发展值得考虑应用。国内外先进大型民用客机大多采用主流设计理念为“分布综合”的模式，典型代表有GE公司为波音787研发的IMA平台、泰雷兹公司为A380研发的IMA综合模块化航空电子系统。

平台航电系统严格按照RTCADO－297《综合模块化航空电子系统研制指南及认证考虑》的标准要求进行开发及适航认证。在单个核心处理机箱内，配置有多个标准的数字信号处理模块、数据处理模块、电源模块、图像处理模块、系统控制模块等。为提高系统的可靠性，根据系统功能危险性分析和安全性评估结论，对标准通用化模块采用M+1备份，对于安全性研制保证等级较高的关键功能模块采用1+1备份。平台航电系统的总架构如图2所示。

2.3.1 综合显控核心处理系统

2.3.1.1 系统架构设计

IMA体系结构将多个独立的功能设备作为一个整体进行统筹考虑，高度集成综合方便地建立先进、统一的数字信息传输网络，将信息根据各功能域的需要调配给相关驻留应用中，实现综合显控系统的高度综合化，大大提升系统的先进性。

综合显控核心处理系统采用以综合显控核心处理机架为核心、以显示器和控制组件作为显控终端、以航空电子全双工交换式以太网网络为主干数据网络的DIMA。核心处理平台可以进行不同的功能驻留并为之提供数据计算、传输和转换资源。机架、驻留应用与其他航电各分系统共同完成航空电子系统信息显示、工作模式控制、任务调度和系统管理等功能;通过配置文件为驻留功能分配数据计算、数据传输和数据转换资源;内置通用处理模块和网络交换机，通用处理模块根据安全性分析和需求进行有效配置。

2.3.1.2  系统组成

综合显控核心处理系统通过网络与无线电通信导航核心处理系统、大气惯性基准系统、飞机环境监视系统、飞参记录系统和任务管理系统、机电综合计算机、飞控计算机进行数据交互和转换。综合显控核心处理机架将外部数据进行融合后分配到各功能驻留应用中，再通过网络分发到显示系统进行飞行数据信息的显示，同时将各控制指令信息再经网络分发到各相关交联系统，从而支撑整个机载系统的高速高效运行。系统交联关系如图3所示。

综合显控核心处理系统组成主要包括综合显控核心处理机架、5台多功能显示器、平显系统、告警灯盒、多功能键盘、光标控制设备、其他工作模态控制板、无线电调谐单元、航空时钟、磁罗盘、综合应急备份仪表等设备。

2.3.2 无线电通信导航核心处理系统

2.3.2.1 系统架构设计

无线电通信导航系统突出的特点是天线多、频段广。考虑对天线进行孔径综合化设计、合理布局，减少天线孔径数量，尽可能实现一副天线孔径多种功能共用，从而减少天线在飞机的布局难度;对全机无线电各射频系统功能进行分析，得出所需收发信道的特性和数量，进行统筹规划和设计;采用高性能、高集成度、通用化、宽带化设计思想，使系统信号处理和信息资源达到通用、共用，软件化设计更具灵活性。实现射频信道综合一体化设计，极大降低射频模块、信道模块、数字处理模块的种类和数量，降低功耗、体积和重量，同时提高系统重构能力，提高维修性和保障性。综合核心处理机机架将所有射频传感器通过高速网络传输的数据进行集中处理，提高了数据融合、综合探测、综合识别等能力。

无线电通信导航核心处理系统是将联合式的甚高频通信系统、高频通信系统、卫星通信系统、测距器、伏尔(VHFOmni－directional Range，VOR)系统、无线电高度表、全球卫星导航系统、“北斗”导航系统、无线电罗盘、仪表着陆系统等各系统的独立功能、多种工作模式进行综合模块化集成设计。它是基于高速互联网络的开放式、可扩展硬件体系结构，采用标准化模块、高速串行总线、网络管理等技术，构建的开放式、可扩展、可重构的系统。

该系统将从天线接收到的无线电信号经低噪声放大器进行前置放大后，通过射频信号线送往标准化射频信道模块进行下变频、放大等处理，经高速AD采样、串并交换、编码等处理后转变成高速串行信号送往标准化信号处理模块进行数字基带信号处理，再通过串行交换总线送往相应的数据处理模块进行后续的数据处理，将完成处理后的数据接入平台航电航空电子全双工交换式以太网网络中，供外部关联系统采用。信号发射过程与接收过程类似，区别仅在于工作流程相反。系统工作原理如图4所示。

2.3.2.2 系统组成

系统对飞机提供的甚高频通信、高频通信、卫星通信、仪表进近着陆、无线电测高、无线电测距、无线电方位角、“北斗”/GPS卫星导航等功能进行综合化设计，并集成在无线电通信导航核心处理机架内;通过合理配置资源，共用天线孔径、信道、信号处理、数据处理等进行综合化设计，解决射频系统兼容工作。无线电通信导航核心处理系统信息通过总线与交换机进行数据转换处理，接收来自无线电调谐单元统一的无线电调谐控制，再将无线电通信导航数据处理后显示在主显示器上供飞行员使用。系统交联关系如图5所示。

无线电通信导航核心处理系统主要由一个无线电通信导航核心处理机架和多副无线电通信导航天线组成。

2.3.3 飞行环境监视核心处理系统架构设计

由于特种飞机在执行特种任务时，运行场景环境复杂多变，为保证飞行安全，飞行环境监测感知设备众多，获取的传感器数据信息众多。考虑对数据集中收集、信息综合处理，对大气数据、无线电高度、惯导/卫星导航等输入数据进行数据级、特征级的信息融合，将各类传感器的同类数据统一处理分发，为后续各功能软件解算处理提供可靠、精准的数据资源;对近地告警与空中交通告警功能模块发出的告警信息进行决策级融合，通过周期检查告警类型标识，将所有的告警按照不同的优先级别进行判别、控制输出，并结合本机飞行机动能力，给出最恰当的机动飞行建议，杜绝近地和空中交通同时告警情况的发生，降低飞行员的工作负荷，缩短应急响应时间，提高应变能力，以降低飞行风险，同时也带来重量、功耗、成本和维护性等方面的相关收益。

飞行环境监视核心处理系统采用IMA的结构，综合了气象雷达、空中交通告警和防撞、近地告警和自动广播寻址功能。以飞行环境监视核心处理机为核心，基于数据总线和其他航电系统的数据交互，将飞机外部环境的气象信息、空中交通状况信息、地形信息显示在多功能显示器上。内置空中交通告警与防撞系统(Traffic3 Alertnad Collisiov Avoidance System，T3CAS)数据处理模块、气象雷达(Airborne Weather Radar，WXR)信号处理模块、广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance－Broadcast，ADS－B)数据处理模块和网络交换等模块。其中T3CAS数据处理模块主要通过L频段综合天线和气象雷达天线收发无线电射频信号，结合其他飞机参数信息完成TCAS、地形提示和告警系统(Terrain Awareness Warning System，TAWS)、空管应答机的数据处理。系统交联关系如图6所示。

飞行环境监视核心处理系统组成主要包括飞行环境监视核心处理机、气象雷达天线单元和L频段综合天线组。

2.3.4 大气数据惯性基准系统架构设计

大气数据惯性基准系统集成了大气数据系统和惯性基准系统的所有功能，采用三余度备份设计。惯性基准部分和大气数据部分之间有高速信息通道，可实现信息交互。数据通信采用内总线实时输出最优信息，可提供飞机导航与飞控所需的所有大气和惯性参数，主要包括速度、位置、姿态、航向、角速率、位移加速度、风速风向、攻角、侧滑角、飞行高度、升降速度、真空速、指示空速、马赫数等信息。大气数据惯性基准系统基于数据总线与其他航电系统进行交互，接收来自“北斗”/全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的位置和时标信息对其进行修正;计算出飞机当前飞行大气参数，将高度、速度、姿态、位置信息显示在主显示器上。系统交联关系如图7所示。

大气数据惯性基准系统组成包括3个大气数据惯性基准部件(Air DataInerti lReference Unitsadiru，ADIRU)、3个大气数据模块(Air Data Module，ADM)、3个全静压受感器、3个攻角传感器(AngleofAttackSensor，AOA)、3个传感器加温控制盒及1个总温传感器(Total Air Temperature Sensor，TAT)。

2.3.5 飞行数据记录系统架构设计

飞行数据记录系统主要功能是连续记录发动机、大气、中央告警、电源、燃油等系统的飞行信息，以及记录驾驶员话音、驾驶舱区域舱音等信号。飞行数据记录系统组成主要包括飞行数据记录器、快取记录器(数据卡)、三轴向加速度计、座舱音频记录器、独立电源、冲击开关、音频监控器和拾音器设备。需记录的飞行数据通过综合显控核心处理机进行数据搜集转换后分发给飞行数据记录器和座舱音频记录器进行数据存储，为飞机地面维护提供支持。系统交联关系图如图8所示。

平台航电系统各DIMA系统设计验证过程应该确保已满足且实现系统的特定需求。验证的目标是:确保在所有层级上的需求都正确、完整地实现，以及保证实现的措施是正确的;验证过程确保在所有各层级上的需求是完整、可追溯、准确、可验证和无二义性的。平台航电系统各DIMA系统应按照DO－297认证任务章节的各任务阶段开展相关验证工作:

(1) 任务1阶段:模块和/或平台的验证

模块/平台的实现符合其物理要求、安装要求、功能要求、性能要求、接口要求及相关安全性要求;模块与核心软件综合形成一个平台时，需符合平台的需求;平台特性及服务包括健康分区隔离、网络服务、数据通信、资源管理、健康监控、故障管理等;平台为驻留应用提供保护共享资源的能力;具备平台的配置以及维护和验证配置的方法。

(2) 任务2阶段:驻留应用验证

在目标模块和平台中，应用应满足其所有的需求;应用的配置;应用正确地使用其所分配到的共享资源。

(3) 任务3阶段:DIMA系统级的验证

开展平台基础功能和多驻留试验室集成试验、单驻留应用试验室试验和多驻留应用试验室试验以验证如下方面内容的正确性:在目标平台和系统上，应用应满足它们的需求;模块、平台和驻留应用的配置以及维护这些配置的方法;模块、平台和驻留应用的共享资源分配;各应用之间、模块资源和应用之间，模块之间以及平台之间的接口与交互关系;当平台综合后形成DIMA系统时，平台实现应满足系统的需求;DIMA系统的功能与性能;正常和异常(降级)模式下的DIMA系统行为;综合应用、模块和平台以及共享资源的分配，包括功能的交互、内部的通信过程、时间的相互影响等;系统的最终配置以及维护该配置的方法。

(4) 任务4阶段:飞机级DIMA系统的验证

开展平台基础功能航电系统试验室交联试验、单驻留应用机上地面试验和飞行试验、多驻留应用和驻留功能的机上地面和飞行试验验证以下方面内容的正确性:飞机上所安装的DIMA系统满足其需求;与其他交联系统交互接口的符合性;正常和异常(降级)模式下的DIMA系统行为;可由地面和飞行试验验证飞机级的功能、性能和安全性要求。

平台航电系统各核心处理系统采用了IMA架构。在现行有效的中国民用航空规章及相关的咨询通告中，尚没有对IMA的开发和审定提出专门的要求和符合性方法指导。对于IMA架构，目前国际上通行的做法是在审查项目中采用DO－297作为针对IMA开发和审定的一种可接受的符合性方法。

各核心处理系统与多个系统/子系统具有接口关系，为其提供数据计算、数据传输和转换等主要功能;涉及飞机/系统功能众多，传输上万种信号信息;相应驻留软件和驻留功能涉及的研制保证等级覆盖A～E全部等级。对于飞机平台航电系统各核心处理系统这种采用IMA架构的高度综合和复杂系统，各核心处理系统软件和硬件的开发和综合集成过程要严格按照ARP4754《对于高度集成和复杂飞机系统的审定考虑》、DO－178《机载系统和设备合格审定中的软件考虑》和DO－254《机载电子硬件设计保证指南》要求执行，同时要符合各类补充规章文件的要求，在相应的安全级别上满足所需的安全性要求。另外，应进行共因分析，并针对该平台所确定的各个顶层事件进行定量的失效分析并给出解决措施。由于航电核心处理系统涉及众多飞机功能，综合考虑采用增量认可方式逐级递进完成各DIMA系统的适航认证。

特种飞机作为国家应急救援体系的重要装备，性能的优越和执行特种任务的高效率、使用维护成本低，是国家工业水平的显著体现，更是国家综合国力强大的象征。特种飞机配备的航空电子系统更是电子技术发展水平的集中体现，一个优秀的平台航电系统设计架构能够为飞机平台带来巨大的收益。虽然民用大型特种飞机在适航领域还有很长的路要走，想要将所有先进的技术实施进去还是困难重重，但是经过飞机设计师的努力，攻克各个难点和关键技术，一定会为国家和社会制造出既满足用户要求又符合适航规章要求的好用、管用的特种飞机，为国家自然灾害防治体系建设做出贡献，造福人类社会。