民機(jī)無線電CNS系統(tǒng)一體化架構(gòu)設(shè)計(jì)*

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

1 引 言

航空電子系統(tǒng)(以下簡稱航電系統(tǒng))關(guān)系到飛機(jī)的可用性、飛行安全性、先進(jìn)性等，是飛機(jī)的重要組成部分，無線電通信、導(dǎo)航、監(jiān)視(Communication, Navigation and Surveillance,CNS)系統(tǒng)作為航電系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一，通過航電總線接入航電系統(tǒng)。機(jī)載CNS系統(tǒng)是用于飛機(jī)在起飛、航行和著陸等階段，通過機(jī)載話音/數(shù)據(jù)通信、無線電導(dǎo)航設(shè)備和監(jiān)視設(shè)備完成信息獲取、信息交換和信息處理，引導(dǎo)飛機(jī)按預(yù)定航路安全飛行的重要機(jī)載系統(tǒng)，它具備機(jī)內(nèi)和機(jī)外話音及數(shù)據(jù)通信、無線電導(dǎo)航引導(dǎo)、飛機(jī)航路環(huán)境監(jiān)視等功能，是保障飛機(jī)飛行安全，為飛行員和乘客提供安全可靠飛行的必備技術(shù)手段。

CNS系統(tǒng)的架構(gòu)和航電系統(tǒng)的架構(gòu)密切相關(guān)，優(yōu)化的CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)對無線電傳感數(shù)據(jù)的采集、傳輸和高效利用至關(guān)重要。CNS系統(tǒng)設(shè)備具有許多相似特征，如均需要進(jìn)行調(diào)諧控制，均有天線，均需要進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)處理等；同時(shí)，CNS系統(tǒng)之間存在著較為復(fù)雜的控制、數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息等多方面的交聯(lián)關(guān)系。一體化的架構(gòu)設(shè)計(jì)能更有效地實(shí)現(xiàn)對通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備的管理控制，實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和傳輸，有利于大量無線電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一天線布局、電磁兼容等設(shè)計(jì)，提高CNS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)效率，降低航電系統(tǒng)集成復(fù)雜度，提高飛機(jī)飛行安全性。

2 國外CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展方向

2.1 國外CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

國外一向重視通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。美國國家航空航天局(NASA) 2003年啟動了“先進(jìn)CNS體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)技術(shù)(ACAST)”研究計(jì)劃[1]，研究適應(yīng)未來先進(jìn)空域管理系統(tǒng)所需的CNS基礎(chǔ)體系，并提出了與之相適應(yīng)的機(jī)載通信、導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)備的建議。為推動綜合化通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，由美國政府和工業(yè)界聯(lián)合主辦一年一度的綜合化通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)(ICNS)會議，旨在通過研究和開發(fā)綜合化通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)，支持近期(2015年)及更遠(yuǎn)期(2015年后)先進(jìn)的航空數(shù)字信息系統(tǒng)及應(yīng)用，支持未來全球空中交通系統(tǒng)運(yùn)行。

在機(jī)載CNS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，當(dāng)前最先進(jìn)的民用大型飛機(jī)B787采用了一體化CNS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。Rockwell Collins公司提供了主要通信、監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備，Honeywell公司提供了綜合導(dǎo)航無線電(INR)設(shè)備， Boeing公司在進(jìn)行航電系統(tǒng)集成時(shí)，將CNS系統(tǒng)作為一個綜合化的系統(tǒng)來整體考慮，采用了統(tǒng)一的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息傳輸，采用調(diào)諧控制面板(TCP)對CNS系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)諧和控制，采用統(tǒng)一的音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)的傳輸和處理，采用統(tǒng)一音頻控制面板(ACP)實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)的音頻控制，體現(xiàn)CNS系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)理念。

2.2 國外CNS系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向

在2012～2020年以及更遠(yuǎn)期，未來新技術(shù)的發(fā)展，將以整體提升CNS系統(tǒng)能力為目標(biāo)。CNS系統(tǒng)的能力通過通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的各項(xiàng)功能來實(shí)現(xiàn)，其主要發(fā)展方向如下所述。

2.2.1通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，廣泛采用數(shù)字化音頻處理技術(shù)。

(1)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)强罩薪煌ü芾砀叨茸詣踊那疤?，也是保證空中交通安全有序的同時(shí)減輕駕駛員和管制員工作負(fù)擔(dān)的有效手段。通信管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈通信的網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)路由、消息處理等功能，實(shí)現(xiàn)和飛機(jī)其它系統(tǒng)的接口，支持飛機(jī)上的各種數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，是數(shù)據(jù)鏈處理的核心[2]；

(2)廣泛采用數(shù)字音頻處理技術(shù)，提高音頻信息的傳輸質(zhì)量和處理效率，采用數(shù)字總線實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)傳輸，減少模擬音頻線布線。

2.2.2導(dǎo)航系統(tǒng)

多種無線電導(dǎo)航功能集成在單個設(shè)備中，如Rockwell Collins公司開發(fā)的多模接收機(jī)(MMR)集成了儀表著陸系統(tǒng)(ILS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、GPS著陸系統(tǒng)(GLS)、飛管著陸系統(tǒng)(FLS)功能，裝備在A320、A330、A380上；Honeywell公司提供的綜合導(dǎo)航無線電(INR)集成了甚高頻全向信標(biāo)(VOR)、ILS、標(biāo)志信標(biāo)(MB)、GPS功能，裝備在B787上；衛(wèi)星導(dǎo)航成為重要導(dǎo)航手段，GLS得到廣泛的應(yīng)用。

2.2.3監(jiān)視系統(tǒng)

向廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)方向發(fā)展。飛機(jī)通過自動廣播自身位置報(bào)告，同時(shí)接收鄰近飛機(jī)的位置報(bào)告，互相了解對方位置和行蹤，駕駛員自主地承擔(dān)維護(hù)空中交通間隔的責(zé)任，不再依賴地面雷達(dá)監(jiān)視和管制[3]。ADS-B優(yōu)化調(diào)整管制員和機(jī)組人員的工作量，給安全、容量、效率和環(huán)境影響等諸多方面帶來重大改善。

2.3 ARINC660A推薦機(jī)載通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)功能架構(gòu)

為了適應(yīng)CNS/ATM技術(shù)發(fā)展需求，ARINC 660A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并推薦了滿足未來CNS/ATM操作環(huán)境的機(jī)載通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)體系架構(gòu)、功能定義和功能分配，如圖1所示[4]。

從圖中我們可以看出，通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互較多、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，通信、導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)在系統(tǒng)間信息共享、資源規(guī)劃綜合考慮、系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與控制等方面顯得越來越重要。CNS/ATM是一個以星基為基礎(chǔ)的全球通信(C)、導(dǎo)航(N)和監(jiān)視(S)及自動化空中交通管理(ATM)的系統(tǒng)，在未來一段時(shí)間CNS/ATM技術(shù)發(fā)展和性能提升不僅要依靠通信、導(dǎo)航、監(jiān)視及空中交通管理等技術(shù)發(fā)展，更重要的是，通過對CNS系統(tǒng)多途徑、多信息源數(shù)據(jù)綜合處理，以及一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，整體提高CNS/ATM系統(tǒng)的性能和任務(wù)可靠性、正確性。

圖1 ARINC 660A推薦的機(jī)載CNS頂層功能架構(gòu)

3 CNS系統(tǒng)組成及一體化架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)分析

本文所指的CNS系統(tǒng)主要組成如下：

(1)調(diào)諧及音頻控制：調(diào)諧控制功能、音頻控制功能；

(2)通信系統(tǒng)：通信管理功能(CMF)、短波(HF)、超短波(VHF)、衛(wèi)星通信(SATCOM)、機(jī)內(nèi)通信、應(yīng)急定位發(fā)射(ELT)等功能；

(3)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)：ILS、GPS、無線電高度表(RA)、VOR、自動定向儀(ADF)、MB、測距設(shè)備(DME)等功能；

(4)監(jiān)視系統(tǒng)：氣象雷達(dá)(WXR)、近地告警(TAWS)、空中交通警戒與防撞系統(tǒng)(TCAS)、空中交通管制(ATC)、ADS-B等功能。

上述功能可以一種功能一個設(shè)備來完成，也可以幾種功能集成在一個設(shè)備中完成，不論采取怎樣的設(shè)備形式，CNS系統(tǒng)設(shè)備都具有許多相似特征：

(1)均是新航行系統(tǒng)機(jī)載部分的重要支撐系統(tǒng)；

(2)均需要進(jìn)行調(diào)諧控制；

(3)均需要進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)處理和音頻控制；

(4)均有天線，需要對射頻信號進(jìn)行處理；

(5)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)、無線電導(dǎo)航數(shù)據(jù)、監(jiān)視告警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)信息等需要以聲音、圖形、字符等方式向飛行員進(jìn)行通告。

一體化CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)了新航行系統(tǒng)對CNS系統(tǒng)的需求，有利于CNS系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息鏈路統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，有利于音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、音頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、傳輸和控制，有利于大量無線電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一頻率管理、天線布局、電磁兼容等設(shè)計(jì)，有利于CNS系統(tǒng)信息和座艙顯示系統(tǒng)的統(tǒng)一集成。

4 CNS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及集成建議

4.1 一體化架構(gòu)設(shè)計(jì)

在航電系統(tǒng)的統(tǒng)一架構(gòu)下，根據(jù)飛機(jī)及航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能危害性分析(FHA)，根據(jù)用戶需求和適航需求，對CNS系統(tǒng)的架構(gòu)、控制管理邏輯、數(shù)據(jù)流、控制流、狀態(tài)信息流、失效模式、備份機(jī)制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)加載等進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，同時(shí)，對CNS系統(tǒng)及設(shè)備國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行研究，結(jié)合所選設(shè)備性能特點(diǎn)，細(xì)化系統(tǒng)連接關(guān)系、接口控制文件(ICD)、操作控制流程等，并對系統(tǒng)安全性進(jìn)行評估。通過頂層一體化的設(shè)計(jì)，使CNS系統(tǒng)及設(shè)備間能有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)的綜合集成及控制管理，將CNS作為一個整體納入航電系統(tǒng)的集成中，提高CNS系統(tǒng)及航電系統(tǒng)集成的效率，降低航電系統(tǒng)集成復(fù)雜度。

4.2 CNS系統(tǒng)調(diào)諧控制設(shè)備和音頻控制設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

無線電調(diào)諧功能的實(shí)現(xiàn)在不同飛機(jī)上有不同的設(shè)計(jì)思路，無線電調(diào)諧設(shè)備名稱也不相同，如在A380上的無線電調(diào)諧設(shè)備叫無線電管理面板(RMP)，在B787上叫調(diào)諧控制面板(TCP),被調(diào)諧的設(shè)備范圍也不相同；ACP的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也可采取不同的方式，如在A380上ACP和RMP一體化設(shè)計(jì)，ACP成為RMP的一部分。不論采取何種方式，CNS系統(tǒng)的控制主要包括無線電調(diào)諧控制和音頻控制功能。

(1)無線電調(diào)諧控制功能

實(shí)現(xiàn)無CNS系統(tǒng)設(shè)備的無線電調(diào)諧、工作模式控制和工作狀態(tài)監(jiān)控等功能。在老一代的飛機(jī)如B737，CNS系統(tǒng)設(shè)備控制由不同的控制面板來實(shí)現(xiàn)；新型飛機(jī)如B787通過一體化調(diào)諧控制面板實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)的調(diào)諧控制，CNS系統(tǒng)一體化調(diào)諧控制是無線電調(diào)諧控制發(fā)展的趨勢。

(2)音頻控制功能

通過ACP實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)的控制管理，實(shí)現(xiàn)全機(jī)機(jī)內(nèi)和機(jī)外話音通信、無線電導(dǎo)航音告警、監(jiān)視告警等功能。為了適應(yīng)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸和處理需要，新一代音頻控制面板ACP通常具備內(nèi)置的處理單元完成音頻信號的數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。為了適應(yīng)新一代航電全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)[5]網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，ACP還可具備AFDX接口直接通過AFDX網(wǎng)絡(luò)交換音頻數(shù)據(jù)。

調(diào)諧控制和音頻控制功能實(shí)現(xiàn)同時(shí)和CNS系統(tǒng)相關(guān)，CNS系統(tǒng)控制設(shè)備一體化的設(shè)計(jì)與研發(fā)，有利于CNS系統(tǒng)間協(xié)同工作，節(jié)約控制面板空間和駕駛艙布局設(shè)計(jì)，以及航電系統(tǒng)的整體集成。

4.3 適應(yīng)航電系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的CNS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著航電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，航電系統(tǒng)架構(gòu)由聯(lián)合式向綜合模塊化航空電子架構(gòu)(IMA)[6]方向發(fā)展，同時(shí)，AFDX在航電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，航電系統(tǒng)采用AFDX網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間大容量的高速數(shù)據(jù)交換。為適應(yīng)IMA架構(gòu)和AFDX技術(shù)發(fā)展，CNS系統(tǒng)在進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮基于IMA架構(gòu)和AFDX技術(shù)的CNS系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

(1)IMA架構(gòu)下資源需求和應(yīng)用

IMA架構(gòu)下，航電系統(tǒng)許多功能軟件都被集成到IMA模塊中完成，CNS系統(tǒng)調(diào)諧控制軟和通信管理功能軟件、TAWS功能等可以通過駐留在IMA中的軟件來實(shí)現(xiàn)，這些應(yīng)用軟件的資源分配和維護(hù)應(yīng)服從整個航電系統(tǒng)IMA資源分配和維護(hù)的統(tǒng)一要求。

(2)網(wǎng)絡(luò)方面

CNS系統(tǒng)設(shè)備多達(dá)幾十種，大部分設(shè)備數(shù)據(jù)通過接口轉(zhuǎn)換后接入AFDX網(wǎng)絡(luò)，CNS系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)航電系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，規(guī)劃CNS系統(tǒng)及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接、虛鏈路資源規(guī)劃等關(guān)鍵配置，估計(jì)CNS系統(tǒng)需要占用的AFDX網(wǎng)絡(luò)的資源。

4.4 CNS系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

CNS系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)從以下4個方面進(jìn)行。

(1)電磁兼容仿真預(yù)測

通過建立CNS系統(tǒng)的電磁兼容仿真預(yù)測模型，預(yù)測系統(tǒng)的各項(xiàng)電磁兼容指標(biāo)以及各設(shè)備間的電磁兼容裕度，仿真系統(tǒng)中可能有的干擾源、敏感設(shè)備、耦合途徑以及耦合情況等，將仿真數(shù)據(jù)作為電磁兼容指標(biāo)分解的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)天線布局優(yōu)化

綜合考慮CNS系統(tǒng)各功能子系統(tǒng)對天線的功能、工作方式、工作頻率、覆蓋空域、極化形式、安裝位置等因素的要求，對CNS系統(tǒng)內(nèi)的天線進(jìn)行一體化優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，最大程度地增大各類天線之間的隔離度，減少各系統(tǒng)之間電磁干擾。

(3)電磁兼容指標(biāo)分解

對CNS系統(tǒng)的電磁兼容進(jìn)行評估、指標(biāo)量化分配和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在輻射設(shè)備和敏感設(shè)備之間分解出發(fā)射功率、發(fā)射帶外衰減、接收靈敏度、敏感設(shè)備的安全裕度等參數(shù)，對CNS系統(tǒng)電磁性能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)可能出現(xiàn)的電磁兼容問題解決在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。

(4)頻率管理

民用飛機(jī)電磁頻譜復(fù)雜，對工作在相同頻段或相鄰頻段的CNS系統(tǒng)設(shè)備，根據(jù)任務(wù)需求，從系統(tǒng)頂層進(jìn)行保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的頻率管理，手段包括頻率選擇/避讓、系統(tǒng)消隱/閉鎖、設(shè)備分時(shí)工作控制等。

4.5 CNS系統(tǒng)集成驗(yàn)證設(shè)計(jì)

民用飛機(jī)CNS系統(tǒng)的研制貫穿了從用戶需求捕捉、應(yīng)用需求分析、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)集成驗(yàn)證、適航取證直到最終交付用戶的全過程，在這個過程中，需要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)以確保系統(tǒng)研制滿足用戶需求，在進(jìn)行CNS系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮并設(shè)計(jì)如何進(jìn)行這些試驗(yàn)。這些試驗(yàn)主要包括：

(1)試驗(yàn)室試驗(yàn)：包括開發(fā)試驗(yàn)、系統(tǒng)集成試驗(yàn)、系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、服務(wù)支持試驗(yàn)等；

(2)機(jī)上地面試驗(yàn)：試驗(yàn)原理和試驗(yàn)室試驗(yàn)一樣，不同的是，所有CNS系統(tǒng)設(shè)備均安裝在飛機(jī)上，在真實(shí)飛機(jī)航電系統(tǒng)環(huán)境和電磁環(huán)境下進(jìn)行CNS系統(tǒng)功能和性能的測試；

(3)飛行試驗(yàn)：飛機(jī)在飛行的過程中對CNS系統(tǒng)在各種模態(tài)下的功能、性能進(jìn)行試驗(yàn)；

(4)鑒定試驗(yàn)：全面評估CNS系統(tǒng)能否滿足可靠性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。

5 結(jié)束語

近50年來，航空電子系統(tǒng)的技術(shù)水平已經(jīng)有了很大的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)及其設(shè)備從單一的獨(dú)立設(shè)備向綜合化和模塊化方向發(fā)展，與此相適應(yīng)，機(jī)載CNS系統(tǒng)設(shè)備功能和體系架構(gòu)也逐步走向綜合化。機(jī)載通信、導(dǎo)航、監(jiān)視各個系統(tǒng)之間關(guān)系密切、相輔相成，CNS系統(tǒng)在綜合管理和調(diào)諧控制、信息共享、系統(tǒng)間功能協(xié)調(diào)、音頻數(shù)據(jù)處理和音頻控制、頻譜資源綜合考慮、全機(jī)天線布局等方面顯得越來越重要，一體化的設(shè)計(jì)和集成是CNS系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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