通用飞机综合航电系统研究

在市场需求的推动下，伴随着我国低空空域的逐步开放，通用航空产业迎来了快速发展时期。在这样的背景下，作为通用飞机重要组成部分的综合航电系统，也将拥有广阔的市场前景。

欧美的通用航空产业发展较早 ，其航电技术比较成熟，像 Garmin 1000 系统、Smart Deck 系统、AFS/Dynon 系统。与欧美的航电技术相比，我国的航电研发起步晚，技术水平落后，主要表现在产品的可靠性低、综合化水平低、适航能力差等。目前国内航电产品的缺口主要依靠进口产品填补，自主研发能力亟待提高。

不同种类飞机的航电系统主要经历以下三个阶段。

(1) 分立式航电系统

分立式航电系统的每一个功能模块都是通过专用传感器、处理器和显示终端实现，飞行员操作时需要面对大量的仪表，工作量大、操作繁琐、容易出错且影响飞行安全。

(2) 联合式航电系统

联合式航电系统采用综合控制与显示技术，提高驾驶员的人机工效。系统体积和重量都有所减少。缺点是传输能力较差。

(3) 综合航电系统

综合航电系统按功能分区实现，综合化程度高。开始使用外场可更换模块，节约维修时间。采用高速传输总线，系统软件采用容错操作系统。

对通用飞机而言，上述三个阶段的航电产品在不同成本的飞机上均有使用，这也是通用飞机不同于军用飞机或运输机的一大特点。

通用飞机不同于运输类飞机或军用飞机，通用飞机对成本、重量和空间都较为敏感，特点主要体现在以下几个方面。

(1)经济性

通用飞机具有对技术要求不高，市场竞争激烈的特点，成本是产品成败的关键因素，因此通用飞机综合航电系统在设计时，需要在满足用户要求的前提下最大限度地降低成本。为了达到降低成本的目的。采用通用的成熟产品尤为重要。

(2)架构紧凑

受重量、空间等因素的约束，通用飞机航电系统架构较为紧凑，一般仅仅满足系统的基本需求，包括大气参数，航姿参数和发动机参数的采集、处理和显示，以及话音通信、导航、仪表着陆和航管应答等最基本的功能需求。包括自动飞控、数据通信、合成视景、近地告警、气象雷达和空中防撞在内的设备一般视需求选择性安装。

(3)采用成熟技术

通用飞机一般使用成熟稳定的技术，可靠性较高且成本较低。没有特殊需求很少使用高速总线。

(4)综合化

综合化指的是航电系统各功能设备作为子系统存在，各子系统通过总线技术与中央处理计算机相连，中央处理计算机将数据收集、处理后送多功能显示器显示。

(5)模块化、通用化

模块化是将一个完整的功能封装在一个标准模块内，并将该模块通用化。通用不仅仅是对功能的要求，模块的外形尺寸、安装接口和电气特性也要求通用。

(6)适航审定

通用飞机的适航审定不同于运输类飞机。通用飞机的研发成本较低且研发周期短。在选择航电产品时，一般会选用已经通过适航审定的成熟产品。这样就可以通过与使用该产品且通过适航取证的飞机进行类比分析的方法完成适航审定，节约研发时间和试验费用。

通用飞机按照功能划分一般可分为以下7个基本的子系统。

(1)显示控制子系统

显示飞行参数、发动机参数(发参)、航图、交通和系统状态等信息。同时，作为飞行员与航电系统交互的接口。

(2)飞行参数采集子系统

实时采集空速、航姿、高度和航向等参数。

(3)机多耖发动机参数采集子系统

实时采集发动机参数和机身参数。

(4)话音通信子系统

飞行员与其他飞机或地面通信的工具。

(5)导航子系统

GPS导航和VOR导航，为飞机提供实时导航信息。

(6)监视子系统

为空管提供本机信息，同时获取飞行环境中的交通、地形和气象等信息。

(7)音频子系统

处理航电系统中的音频信号。

航电系统综合化使通用飞机中的独立设备数量大大减少。基本的综合航电系统包括：多功能显示器、大气航姿设备、无线电设备、音频控制板、机身/发动机参数采集设备等单元。综合航电系统的特点主要体现在：

(1)通过多功能显示器，实现大气、航姿和发动机参数等数据的集中显示，同时作为飞行员和机上其他航电设备交互的接口；

(2)通过机身/发动机参数采集设备，实现发动机参数采集功能；

(3)通过飞行参数采集设备，实现大气数据、航姿数据的采集功能；

(4)通过无线电设备，实现导航、通信和监视等功能；

(5)通过音频控制板，实现音频信号处理功能。

在目前众多的通用飞机航电系统中，根据飞机的不同定位有多种不同的系统架构，这里给出两种典型系统架构，一种针对中小型通用飞机，另一种针对小型运动飞机。

中小型通用飞机，具有较高的市场占有率，与小型运动飞机相比，对成本控制比较宽松。本系统架构框图如图1所示。

针对小型运动飞机，特别是对重量、功耗和价格都特别敏感的小型运动飞机，航电系统架构框图如图2所示。

以上两种系统架构都具有余度备份功能：

(1)正常模式

正常模式下，机身/发动机参数采集设备通过S模式应答机，既可以与地面空管站应答，又可以与其他飞机应答；机身/发动机参数采集设备还可以将GPS/北斗位置信息，飞行参数采集设备提供的大气航姿数据、发送机传感器提供的发参数据、温度数据发送给多功能显示器。

(2)降级模式

当机身/发动机参数采集设备失效，综合航电系统进人降级模式。降级模式下多功能显示器代替机身/发动机参数采集设备成为系统核心。此时多功能显示器可以依靠自身的数据接收、处理功能接收飞行参数采集设备发送的大气、航姿和地磁场等数据，处理后显示。

(3)应急模式

当机身/发动机参数采集设备和多功能显示器均失效，系统进人应急模式。此时可以通过应急仪表显示大气航姿和发动机参数等子系统的数据。

以上两种系统架构具有以下共同特点：

(1)架构开放

机身/发动机参数采集设备会预留部分接口，以便于系统可扩展。当需要某种功能时，可将该功能模块接入，硬件不需要更改，系统的可扩展性强。

(2)具有余度设计，可靠性较高

多功能显示器通过总线与机身/发动机参数采集设备连接，可处理全部飞行数据。同时，多功能显示器与重要的航电设备也通过总线连接。当机身/发动机参数采集设备失效，多功能显示器可以接收并显示这部分重要的飞行数据。

(3)以多功能显示器为核心

综合化程度高，参数显示、导航、飞行管理等功能可以集中在显示器上实现。

(4)使用以太网、Arinc 429或RS 485等总线通信，成本较低。

随着空管部门对通用飞机安全性要求的提高，同时，用户要求通用飞机操作界面更加友好，功能更加完善，操作更加便捷。在此环境下，通用飞机综合航电系统呈现出以下发展趋势。

(1)以显示为中心

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的发展以及它们在航电系统上的应用，综合航电系统集成度将越来越高，同时成本却不断降低。以前需要依靠中央处理计算机和多功能显示器配合完成的复杂功能将会在独立的大屏幕显示器上实现。这样大屏幕显示器将取代功能独立的多个显示器和中央处理计算机成为综合航电系统的核心。这样带来的好处是减少航电系统设备数量，提高航电系统可靠性。同时可以减轻飞行员的压力，通过大屏幕显示器可以集中实现信息采集、处理和显示，飞行员也可以通过大屏幕显示器实现机上设备的集中维护和控制。

(2)情景可视化

大屏幕显示的另一个优点是更有利于直观显示数字地图、卫星地图、三维地形和气象云图。具有很强的直观性。更有助于飞行员获取周围环境信息，提前做出预判，提高飞行安全性。同时，也会让飞行过程更具乐趣。

(3)功能软件化

当大屏幕显示器取代功能独立的多个显示器和中央处理计算机时，显示器不再只是一个显示终端，它将具有高速数据传输和处理能力。以前需要硬件实现的功能，现在可以通过软件实现。而且软件可以让显示的内容更加生动、灵活，可扩展性强。有利于减轻飞机重量，节约成本，节省机内空间。

(4)人机交互方式多样化

综合航电系统在使用传统按键控制模式的同时。随着大屏幕显示器的使用，触摸控制将逐渐取代按键。另外，语音控制功能将越来越多地被采用。

(5)智能化

在应用需求的推动下，在通用飞机上增加自动告警、自动飞控等功能将会逐渐成为可能。应用这些技术，可以减轻飞行员的工作量，提升飞行安全。

(6)ADS-B技术

ADS-B系统由多个地面站和机载站构成以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。ADS-B技术除了能提供飞机的飞行数据外，该系统还能为飞行员提供更加准确、实时的信息，包括飞机的位置、识别信息和类别信息。据悉，美国境内44％飞机采用了ADS-B，美国FAA要求国内飞机2020年前安装ADS-B的GPS追踪系统。

2010年，国务院、中央军委印发《关于深化我国低空空域管理改革的意见》，对深化我国低空空域管理改革做了部署。根据这一意见，中国将逐步开放1000m以下的空域，允许轻型固定翼飞机和直升机等飞机飞行。随着这一政策的出台，政策方面的约束将逐步消失，相应的法律法规与行业标准也将逐步完善。

“十二五”以来，我国通用航空作业总量、在册航空器、通航企业年均增长率分别为14．8％、17．2％、17．9％。根据通用航空“十三五”发展规划，到2020年，通用航空飞行总量将达到200万小时，机队规模将达到5000架以上。

在此背景下，通用飞机具有广阔的市场前景，综合航电技术的研究具有较高的经济价值，目前国内市场需求量较大，但过度依赖进口产品。目前国内不少厂家在研制通用飞机综合航电系统时仍走军机的模式，导致成本高，产品竞争力低。加上经验不足，产品通用化水平较低。笔者认为，应学习国外先进的航电系统架构，必要时可采取逆向研发的手段。尽早开展该技术的研究工作，进行产品研制，占领市场。

（文章作者：赵健，曹峰，张杰，范威，作者单位：苏州长风航空电子有限公司，转载此文章仅以传播知识为目的，如有任何版权问题请及时联系我们！）