典型通用飞机航电系统分析
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摘要
随着通用航空的快速发展，航电系统逐渐成为通用飞机中极为关键的系统组件之一。该文从通用飞机航电系统架构的角度出发，分析G1000、SmartDeck、G500 3种典型的通用飞机航电系统，同时结合数据总线，对3种常用航电系统的差异性进行研究，提出通用飞机航电技术未来发展的趋势预测。
作为民用航空中不可分割的部分，通用航空在发达国家拥有成熟的生产链，仅美国的通用飞机数量便达 22.3万，是全球总量的61.9%。我国通用航空器截至2021 年 3 月数量为 4164，随着通用航空的快速发展，通用航空领域拥有着巨大的市场潜力。作为通用飞机中处理各种信息的“大脑”，航电系统逐渐成为极为关键的系统组件之一。
航电系统包含着航空器中的不同电子设备且有 着众多子系统。其在各种数据总线的帮助下将多个航线可更换单元(LRU)交联起来，各LRU能够相对独立地实现系统的部分功能 ，但又不是完全独立的，系统的许多功能需要多个LRU协作才能完成 。
在G1000航电系统中，LRU中最为重要的便是集成电子组件GIA 63，GIA 63有效地将姿态航向基准系统GRS 77、大气数据计算机GDC 74、发动机/机身组件GEA 71等多个LRU 通过 RS-485 与 ARINC(429)数 据总线交联起来，并将处理的数据通过高速以太网传递给两个显示器 GDU，即主飞行显示器(PFD)和多功 能显示器(MFD) 。
航电系统发展过程
按照航电系统的发展，可以将航电系统的发展阶段 分为分立式、联合式、综合式和先进综合式 4 个阶段。
分立式航电系统：拥有数个独立的系统，各个系统 采用点对点连接方式且需要专业人员独立地进行操作 控制。缺点是灵活性较差、专用性强且很难传递大量的 信息。
联合式航电系统：与分立式航电系统不同的是，联 合式的各个设备组件的操作控制结构相同 ，初步完成 了一定的模块化设计。
综合式航电系统：设备组件之间可以相互传递大 量的信息 ，整个航电系统拥有了处理控制更多信号的能力 。综合式的优势是通过模块化设计可以实现海量 的数据处理，系统结构层次化，总线的高速化且扩展成本低。不同设备组件的信号数据处理可以直接在系统 内部完成 ，降低了工作人员的负担和出现人为失误的可能性。而先进综合式阶段，就是在综合式的基础上对 设备进一步综合化、集成化。
目前，美国的通用飞机数量占全球总量的 61.9%，且能自主生产通用飞机航电系统产品，例如Garmin公司的G1000系统、Honeywell公司的PrimusApex系统和L-3公司的SmartDeck系统等。单是Garmin公司的产品，便在世界上通飞航电的市场引领着全球通飞航电的发展，而G1000系统的市场占有率更是达到近70%。与此同时，国内搭载的航电系统产品虽有小部分是自主研发，但大部分是依赖进口。
典型的通用飞机航电系统
高度集成化的航电系统涵盖了计算机、传感器、控制显示装置和LRU，是一次多学科的交叉与融合。随着计算机技术、数字技术的发展，现代大部分航电系统逐步变得高度数字化、综合模块化和智能化，这种转变有效提高了飞机的整体性能和飞行品质。
一、G1000系统
在中小型通用飞机中，G1000系统的市占率较高。易于操作的飞行界面、对巨量信息的高效处理，有效降低了工作人员的负荷，提升了飞行品质。由于电子显示器的应用，G1000系统的占地面积更小，操作起来更加轻便灵活。我国最近几年进口的训练机，如Cessna公司的172型飞机、钻石公司的DA40与DA42型飞机，便搭载了G1000系统。
G1000系统由多个LRU组成，包括显示器GDU、大气数据计算机GDC74、集成电子组件GIA63/63W、姿态航向基准组件GRS77、机身/发动机传感器接口组件GEA71和应答机GTX33等，并且安置大量的传感器设备。这些LRU之间通过各种数据总线有着紧密而错综复杂的协作关系，其中最为重要的是GIA63/63W。塞斯纳NAVIIIIG1000系统架构图如图1所示。
GIA63/63W主要通过RS-232、RS-485、ARINC429总线收集处理几个主要LRU的数据，在后台处理完成后通过高速以太网数据总线将这些数据信号传送给2个GDU并显示给飞行员感知，以便更好地操纵飞机。此外，系统内部有3种信号方式：模拟、数字和离散信号。
二、SmartDeck系统
SmartDeck由L-3航空电子系统公司开发，是当今众多被称为“玻璃驾驶舱”的系统之一。该系统结构比较复杂，功能齐全，可扩展性高，安全性和可靠性也能得到保障，常搭载于高端公务机。
图 1 塞斯纳 NAVIIIIG1000 系统架构
在通用航空领域中，G1000与SmartDeck的显示器功能类似。SmartDeck的MFD提供发动机和系统状态，并且能够以各种模式提供GPS移动地图和地形感知警告系统(TAWS)等。而MFD左侧的PFD数据叠加在合成视觉显示器，该显示器包括地形、障碍物和来自L-3Sky-Watch接收器的活动交通，并且PFD放置有操控飞机的关键信息(包括空速、高度和垂直速度等）。
SmartDeck的系统架构如图2所示。其核心设备包括：数据集中单元(DCU)、中央控制单元(CCU)、主飞行显示器(PFD)、多功能显示器(MFD)、传感器参考系统 (SRS)及飞行数据卡(FDC)。这些组件主要由双冗余1394环网互联，系统的可靠性得到大大提升。此外，SmartDeck通过RS-422、RS-232和ARINC429总线把传感器设备的数据送给(DCU)，然后这些数据经过集中采集与处理后送入CCU、PFD和MFD并显示给飞行员查看。
图2 SmartDeck系统架构
三、G500系统
G500航电系统含有主要的飞行仪表、导航信息和移动地图，全部显示在2个16.5cm的LCD显示屏GDU620上。G500系统架构图如图3所示。
图3 G500系统架构
作为一个较为先进的技术电子套件，G500系统由数个航线可更换组件LRU组成，使用点对点连接。LRU采用模块化设计，每个LRU都有一个或一组特定的功能，可以直接安装在仪表盘后面，也能够独自安装在一个电子舱。这种方式的设置使得G500系统的故障排除和维护得到简化，发生的故障可以被隔离到特定LRU。与G1000系统类似，G500系统是通过RS-232、RS-485、ARINC429与高速以太网这些低成本高可靠性的常规总线处理各LRU数据。
异同性和特点
在Garmin公司，G1000系统选择了显示和处理功能合二为一的GDU1040作为综合显示器。综合显示器是系统处理核心，通过综合无线电设备外接大气、航姿和航管等外围传感器。与G1000系统不同的是，G500系统采用了GDU620作为显示器。
G1000系统使得飞行员可以查看多种天气信息，但所显示的信息类型并不是根据飞行阶段定制的，这增加了飞行员的负荷，而且飞行员每次只能看到1个天气信息来源。从这个意义上说，其没有很好地集成，信息也没有被总结。
SmartDeck系统提供了实时的卫星天气，并且还能够通过点击屏幕上的项目直接查询数据信息。此外，SmartDeck系统应用了画中画显示和弹出窗口，能够一次获取并显示多种类型的天气信息。然而，SmartDeck没有给出如何避免天气危害的建议和关于天气信息确定性的指示。
在G1000系统中，维系正常运行最重要的总线分别是：RS-232串行总线、RS-485串行总线及ARINC429数据总线。
RS-232串行总线尽管能实现点对点的通信，但这种方法无法实现联网的效果；
RS-485串行总线采用了差分信号传输，故RS-485的抗干扰性能好，通信距离也比RS-232远；
而ARINC429总线结构简单、性能稳定。因为ARINC429非集中控制、隔离性好的特性和单向布线方式，使得ARINC429总线的抗干扰性强、传输可靠性和安全性都比较高。G500系统采用的总线与G1000系统相同。
SmartDeck系统采用的RS-422、RS-232和AR－INC429总线把数据信息传送给DCU，这些数据经过集中采集与处理后送入CCU、PFD和MFD。虽然RS-422与RS-485都是以差动方式发送、接收数据，两者电气性能也是一样的，但RS-422是全双工，支持点对多的双向通信，而RS-485是半双工。
通用飞机航电系统发展趋势
一、经济性：因为资源分配的需求以及对机载平台尺寸、重量和功率的考虑，要降低运行成本和所需物理资源的压力。研发和维修成本决定了市场的反应，故在保障安全和功能的条件下，需要尽可能地降低成本。
二、智能化：由于人工智能的发展和现实需求的推动，自动飞行控制和警报可以逐步应用到通用飞机中，这将进一步减少工作人员的工作量，提高飞行员的舒适度，降低飞行员操作的复杂度。
三、分布式集成模块化：通过分布式集成技术、混合关键任务调度、实时容错调度和时间触发通信机制的设计，能够使系统的安全性和实时性大幅提高。分布式综合模块化将会是处理资源分配方式的重大改变。
四、高可靠性：航空电子系统在恶劣的物理环境下运行，高可靠性意义重大，且与飞机本身的安全性密切相关。在极为关键的航空电子系统中，任何微小的错误都可能造成不可挽回的损失。为了保证飞行任务能够安全稳定地完成，即使系统发生故障，也必须采用一定的方法来提高系统可靠性。
结束语
随着通用航空的快速发展，航电系统逐渐发展为通用飞机中极为关键的系统组件并融合了多学科交叉，综合模块化、智能化程度得到不断提高，持续涌现的新技术也推动通飞航电的研究实现飞跃性的突破。此外，对于通用飞机航电系统的深入研究，有助于找到安全可靠性与经济性的平衡点，缩小我国与发达国家在航电领域的差距。
（以上文章来源于《科技创新与应用》，作者：魏麟，祁美照，雷中洲，杨济睿，中国民用航空飞行学院）
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