民用飛機(jī)航電系統(tǒng)發(fā)展歷程

隨著國產(chǎn)大飛機(jī) C919 的成功首飛，航空相關(guān)的技術(shù)越來越受到廣泛地關(guān)注。在過去的一個(gè)世紀(jì)以來，隨著民用航空領(lǐng)域的不斷發(fā)展，航電系統(tǒng)始終作為飛機(jī)中最重要的系統(tǒng)組件之一，一直發(fā)揮著舉足輕重的作用。電子信息、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等新技術(shù)不斷被融合進(jìn)航電系統(tǒng)，在用戶需求的驅(qū)動(dòng)下，航電系統(tǒng)的理論和技術(shù)也在不斷得到提升，概括地說共經(jīng)歷了分布式航電、聯(lián)合式航電、綜合模塊化航電等多個(gè)發(fā)展階段。作為下一代分布式綜合模塊化航空電子系統(tǒng)（DIMA）概念也在不斷的研究和發(fā)展中。

（圖為航電系統(tǒng)的發(fā)展概述 圖片來源：知乎）

（1）分布式航空電子系統(tǒng)

分布式航電系統(tǒng)是離散的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)航電子系統(tǒng)（如通信、導(dǎo)航等）都采用了各自專有的處理機(jī)與設(shè)備，功能組織之間獨(dú)立構(gòu)建，子系統(tǒng)之間的信息交換較少，子系統(tǒng)間交互性低。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)之間幾乎無需信息共享，故障傳播的幾率低。缺點(diǎn)是由于各個(gè)子系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)都依賴于設(shè)備的更新升級(jí)，飛機(jī)的大部分系統(tǒng)和功能需要重新進(jìn)行認(rèn)證，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)高昂的維護(hù)升級(jí)成本，以及較差的開發(fā)和認(rèn)證靈活性。

（2）聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

聯(lián)合式航電系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代開始發(fā)展，其特點(diǎn)是由多處理機(jī)集合構(gòu)成子系統(tǒng)，且每個(gè)子系統(tǒng)具備獨(dú)立的處理環(huán)境。聯(lián)合式航電系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先定義的系統(tǒng)功能（任務(wù)）目標(biāo)，進(jìn)行功能組織、資源管理、狀態(tài)管理的自主構(gòu)建，并且由獨(dú)立的系統(tǒng)狀態(tài)和功能需求來實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)處理機(jī)的功能。其顯著特征是根據(jù)功能需求進(jìn)行硬件研發(fā)，針對(duì)功能和需求實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的專用嵌入式子系統(tǒng)，但是因此也導(dǎo)致系統(tǒng)升級(jí)成本高昂。聯(lián)合式航電系統(tǒng)的獨(dú)立化和專用化，使得其具備故障傳播屏障的顯著優(yōu)點(diǎn)。因此各個(gè)子系統(tǒng)的故障相互之間不會(huì)影響，能夠有效保障航電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（圖為航電系統(tǒng)各階段的系統(tǒng)架構(gòu)圖 圖片來源：百度百科）

（1）綜合模塊化航空電子系統(tǒng)

綜合模塊化航電系統(tǒng)的概念自 20 世紀(jì) 90 年代開始逐漸發(fā)展，隨著航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的任務(wù)和功能需求越來越高，對(duì)于資源的需求也越來越大。由于聯(lián)合式航電的傳感器、作動(dòng)器、顯示器和控制器等都有獨(dú)立的接口，聯(lián)合式航電具有較高的系統(tǒng)復(fù)雜性。因此，設(shè)計(jì)人員引入了多電架構(gòu)（MEA），建立起一套全互連、綜合化、模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)，稱作綜合模塊化航電系統(tǒng)（IMA），進(jìn)而進(jìn)一步降低了質(zhì)量和成本。

綜合模塊化航電系統(tǒng)經(jīng)過了了3個(gè)階段的發(fā)展：

1）第 1 階段：物理綜合

這個(gè)階段主要是由系統(tǒng)集成商提供功能軟件，將傳統(tǒng)的外場可更換單元（LRU）進(jìn)行模塊化的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，使之成為外場可更換單元（LRM），進(jìn)而完成系統(tǒng)模塊之間的物理綜合，即在相同的機(jī)柜內(nèi)實(shí)現(xiàn)模塊之間的綜合。

2）第 2 階段：物理綜合和部分綜合

這個(gè)階段使用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，部分功能由機(jī)架的集成商以及專業(yè)的模塊提供商進(jìn)行綜合，采用串行的底板總線以及部分開放式機(jī)架、機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3）第 3 階段：物理綜合和功能綜合

該階段采用了開放式的體系架構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和 I/O 技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和布局，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)資源的共享，綜合范圍越來越大，層次也越來越深。

（2）分布式綜合模塊化航空電子系統(tǒng)

分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)（DIMA），是將 IMA 平臺(tái)分布式地部署到飛機(jī)上的多個(gè)安裝位置，并通過 AFDX 網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)時(shí)和容錯(cuò)性的數(shù)據(jù)通信（AFDX是通過虛擬鏈路技術(shù)，保證數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的延遲和抖動(dòng)的上限，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性），從而進(jìn)一步縮短線纜長度和響應(yīng)時(shí)間。DIMA 具有天然的故障隔離屏障，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性，且當(dāng)中還使用了新的硬件平臺(tái)用來處理 I/O和控制。此外，DIMA結(jié)合了聯(lián)合式航電和IMA 的優(yōu)勢，使用了分布式的結(jié)構(gòu)，通過主動(dòng)冗余提供容錯(cuò)性，并且使用共享的處理器、內(nèi)存、傳感器和 I/O接口等系統(tǒng)資源，對(duì)商用貨架產(chǎn)品（COTS）組件進(jìn)行了更強(qiáng)的綜合。

自1949年出現(xiàn)至今60多年，航空電子是指把電子技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的一門學(xué)科，其技術(shù)發(fā)展趨勢呈指數(shù)曲線上升，特別是近30年，在技術(shù)發(fā)展和需求牽引的推動(dòng)下，航空電子系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，已成為飛機(jī)的重要組成部分?，F(xiàn)在已延伸到泛指航空、導(dǎo)彈和宇航領(lǐng)域，為完成飛行任務(wù)和其它任務(wù)所用的各種電子設(shè)備和系統(tǒng)。