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民用飛機(jī)綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)及趨勢
集成化和模塊化是現(xiàn)代民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。綜合監(jiān)視系統(tǒng)將航空電子系統(tǒng)中的氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視功能集成，從而使得綜合監(jiān)視系統(tǒng)能夠獲得相對于傳統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)更小的設(shè)備體積和更低的功率消耗。
1 系統(tǒng)概述
在現(xiàn)代民用航空電子系統(tǒng)中，監(jiān)視功能主要包括對氣象的監(jiān)視、對地形的監(jiān)視以及對交通狀態(tài)的監(jiān)視。
氣象監(jiān)視功能由氣象雷達(dá)實現(xiàn)，由氣象雷達(dá)天線、驅(qū)動、收發(fā)機(jī)和處理機(jī)組成。其中，氣象雷達(dá)天線將雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的射頻信號向前輻射并接收氣象回波信號，驅(qū)動裝置控制天線的掃描運(yùn)動，收發(fā)機(jī)產(chǎn)生射頻信號并通過平板天線輻射，同時負(fù)責(zé)接收天線接收的氣象回波信號后放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳遞給處理機(jī)，處理機(jī)將數(shù)字化的氣象回波信號處理計算，并將氣象圖像發(fā)送到顯示告警系統(tǒng)進(jìn)行顯示并向機(jī)組提供必要的告警。目前主流的氣象雷達(dá)功能包括氣象探測、紊流探測、地形探測和預(yù)測型風(fēng)切變等功能，主要的輸入信號來自慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無線電高度表、全球定位系統(tǒng)、地形提示與告警系統(tǒng) 起落架系統(tǒng)等。
地形監(jiān)視功能由地形提示與告警系統(tǒng)(TAWS)提供，主要包括傳統(tǒng)的近地警告系統(tǒng)功能(GPWS)、基于地形數(shù)據(jù)庫的預(yù)測型地形功能，以及反應(yīng)型風(fēng)切變功能，其主要架構(gòu)包括地形數(shù)據(jù)庫(包括地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、機(jī)場數(shù)據(jù)和跑道數(shù)據(jù)等)、告警包線、運(yùn)算處理單元等組成，集成于單獨(dú)的LRU中。地形提示與告警系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、無線電高度表、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等系統(tǒng)提供的輸入數(shù)據(jù)計算飛機(jī)位置、高度等，并與地形數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而計算出飛機(jī)與地形發(fā)生碰撞的危險，并通過目視與音響系統(tǒng)將撞地風(fēng)險向飛行機(jī)組發(fā)出告警。
交通監(jiān)視功能由交通告警和防撞系統(tǒng)(TCAS)和應(yīng)答機(jī)的詢問和應(yīng)答協(xié)同工作提供：交通告警和防撞系統(tǒng)向附近空域中的其他飛機(jī)的應(yīng)答機(jī)發(fā)出詢問，并接收其回復(fù)的相應(yīng)飛機(jī)的高度、速度、垂直速度和航向等數(shù)據(jù)，并結(jié)合該機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，以判斷是否存在撞機(jī)危脅;該機(jī)應(yīng)答機(jī)回復(fù)其他飛機(jī)或地面交通管制臺發(fā)出的詢問信號，并與其他飛機(jī)協(xié)調(diào)避讓策略。另外，廣播式自主相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)作為交通監(jiān)視未來的發(fā)展趨勢，也在民用航空領(lǐng)域中得到積極的推動，而在目前的過度階段，交通告警和防撞系統(tǒng)與應(yīng)答機(jī)分別實現(xiàn)了ADS-B功能的接收(ADS-B IN)和發(fā)射(ADS-B OUT)功能。
隨著航電技術(shù)的發(fā)展，主流的航電系統(tǒng)供應(yīng)商將傳統(tǒng)的氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視功能進(jìn)行集成，形成了多功能的綜合的監(jiān)視系統(tǒng)。
2 綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)
集成化和模塊化是現(xiàn)代民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。由于地形監(jiān)視、氣象監(jiān)視和交通監(jiān)視的相似輸入(如位置、航向、氣壓高度、飛機(jī)姿態(tài)、中地狀態(tài)、空速以及地速等)，因此，將這幾個功能進(jìn)行集成可以提高航電系統(tǒng)的利用效率;同時，根據(jù)DO-254要求，不同的研制保障等級的硬件和軟件有不同的設(shè)計和研制要求，如果將研制保障等級差異過大的功能進(jìn)行集成，有可能大大增加開供應(yīng)商的開發(fā)成本，因此，進(jìn)行集成還需要考慮到各個功能的研制保障等級，而民用飛機(jī)中地形監(jiān)視、氣象監(jiān)視和交通監(jiān)視功能一般定義為C級的研制保障等級，相同的研制保障等級為幾項監(jiān)視功能的集成提供了基礎(chǔ)。因此，在現(xiàn)代最新的民用飛機(jī)航電系統(tǒng)中將以上的監(jiān)視功能進(jìn)行集成，通過模塊化設(shè)計，組成綜合監(jiān)視系統(tǒng)，提高了航電網(wǎng)絡(luò)的利用效率，減輕航電系統(tǒng)設(shè)備重量，減小設(shè)備體積。
對于綜合監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計，目前主流的航電系統(tǒng)供應(yīng)商通常將三種監(jiān)視功能集成于同一LRU(綜合監(jiān)視計算機(jī))中，三種監(jiān)視功能分別駐留于單獨(dú)的功能模塊(板卡)中，氣象雷達(dá)功能中的天線組件、驅(qū)動組件和收發(fā)機(jī)模塊安裝于雷達(dá)罩內(nèi)部，由綜合監(jiān)視計算機(jī)進(jìn)行供電，并通過光纖或電纜與綜合監(jiān)視計算機(jī)中的氣象雷達(dá)處理模塊進(jìn)行通信。
由于在民用飛機(jī)運(yùn)行要求中規(guī)定，運(yùn)輸類的民用飛機(jī)必具備兩套TCAS和應(yīng)答機(jī)功能，因此，在綜合監(jiān)視系統(tǒng)中需要具備兩套TCAS和應(yīng)答機(jī)功能，兩套交通監(jiān)視功能可通過天線切換開關(guān)切換/共享的頂部和底部交通監(jiān)視天線組件;另外，氣象雷達(dá)功能為飛機(jī)飛行過程中經(jīng)常使用到的功能，且氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)、驅(qū)動裝置等組件均安裝于雷達(dá)罩內(nèi)，屬于非環(huán)控區(qū)域，設(shè)備的工作環(huán)境相對比較惡略，比較容易發(fā)生故障，因此航空公司對多套氣象雷達(dá)的配置具有較大的需求，目前主流的綜合監(jiān)視系統(tǒng)供應(yīng)商可提供多套的氣象雷達(dá)配置，將雙套的氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)模塊安裝于驅(qū)動單元兩側(cè)，并分別與兩套綜合監(jiān)視計算機(jī)中的氣象雷達(dá)處理單元進(jìn)行連接，通過共用驅(qū)動單元和平板天線的形式實現(xiàn)了雙套氣象雷達(dá)配置;另外，TAWS功能也可以根據(jù)航空公司的要求選擇單套或者雙套的配置。目前Boeing 787和Airbus 380均采用了上述的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。其架構(gòu)如圖1所示，圖中虛線部分為可根據(jù)客戶要求進(jìn)行選裝的功能模塊。
在上述的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)中，由于綜合監(jiān)視系統(tǒng)采用了高的集成設(shè)計，因此造成了整個綜合監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備均需要由特定的供應(yīng)商提供，而這種情況恰恰限制了綜合監(jiān)視系統(tǒng)的客戶個性化的要求，特別是不同供應(yīng)商之間差異化較大的氣象雷達(dá)。因此，部分的綜合監(jiān)視系統(tǒng)方案中將氣象雷達(dá)設(shè)備從綜合監(jiān)視計算機(jī)中獨(dú)立出來，只將地形監(jiān)視和交通監(jiān)視功能集成于獨(dú)立的LRU中，而氣象雷達(dá)設(shè)備由客戶進(jìn)行先擇，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)集成。Airbus 330飛機(jī)安裝的T3CAS系統(tǒng)即采用了上述的綜合監(jiān)視架構(gòu)。
3 基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)
IMA平臺是一個共享硬件和軟件資源的通用平臺。IMA平臺本身不提供飛機(jī)級功能，它為飛機(jī)功能提供包含數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在內(nèi)的資源功能，以及包含健康監(jiān)控、故障管理等功能的支持功能。這里所說的飛機(jī)功能指的是駐留在應(yīng)用 和駐留功能。駐留應(yīng)用是駐留在IMA平臺內(nèi)并執(zhí)行一定飛機(jī)功能的軟件。駐留功能是使用IMA平臺的飛機(jī)功能。
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