通用飞机航空电子系统架构研究综述
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当前我国通用飞机产业迎来了巨大的发展机遇，开展通用飞机航电系统架构的研究具有重要意义。通过分析通用飞机航空电子系统的典型需求，包括功能需求、安全性需求、适航需求、经济性与维护保障需求等，分高、中、低三类分别讨论了国外代表性的通用飞机航电系统架构的主要特点，揭示了通用飞机航电系统架构设计的一般规律，并结合应用需求提出了未来通用飞机航电系统的发展趋势，可以为相关研究提供有益的参考。
引言
通用航空是民用航空的重要组成部分。在美国等西方发达国家通用航空是一个成熟的产业，仅美国就有通用飞机二十多万架，占所有民用飞机的90%。随着我国国民经济的发展和低空空域的逐步开放，我国的通用航空也拥有广阔的市场前景。
目前国际上，美国在通用飞机航空电子领域居于领导地位，有多家企业可以提供完整的通用飞机航电系统货架产品，例如 Garmin 公司的 G1000 系统、Avidyne公司的 Entegra 系统、L－3 公司的 SmartDeck 系统等均是具有代表性的航电系统。特别是Garmin 公司，其产品占据全球通用飞机航电市场最大份额。
相比之下，我国的通用航空研制体系还有不小的差距，国内通用飞机所使用的航电产品主要依赖进口，自主研发水平亟待提高。据公开报道目前有“海鸥”300 飞机采用了国产航电系统，但在系统架构设计、小型化设计和低成本化设计等方面尚属起步阶段。
与运输类飞机类似，通用飞机的航电系统也遵循系统研发的 V 形过程，其系统架构也经历了从分离式到综合式的发展过程，综合化、模块化设计已经在通用飞机上得到了广泛应用。但是，从系统需求和具体实现架构来看，通用飞机航电与运输类飞机航电还是有较大差异，而且不同种类的通用飞机之间，其航电架构也有较大差异。
本文首先研究了作为通用飞机航空电子系统架构设计基础的一些典型需求，然后就高端、中小型、轻型/运动型三类通用飞机，讨论有代表性的 Primus Apex 系统、G1000 系统、Entegra系统及G500系统四种架构的主要特点，从系统的显示、操作控制、数据处理、传感器设备、总线、余度设计、扩展性等方面总结了通用飞机航电系统架构设计的一般规律，并针对未来发展要求提出通用飞机航电系统的发展趋势。
通用飞机航电系统需求分析
在系统工程中，需求分析是系统开发过程中必不可少的环节，需求是系统架构设计、系统集成和验证的基础，对系统开发具有决定性的影响。
一、功能需求
通过对适航规章的研究，并参考当前装机的典型系统产品，通用飞机航电系统基本功能需求如表1 所示。
基于飞机使用需求，通用飞机航电系统还可以扩展自动驾驶、广播式自动相关监视( Automatic De- pendent Surveillance Broadcast，ADS－B) 、基于数据链的气象/ 交通监视、合成视景、无线电高度表、自动定向机、测距器 、防撞告警系统( Traffic Alert and Collision Avoidance System，TCAS) 、地形提示告警系统( Terrain Awareness and Warning System，TAWS) 等功能。
二、安全性需求
民用航空规章咨询通告 AC23.1309-1E 给出了各种通用飞机不同类别失效状态对应的定量概率要求，如表 2 所示。另外，AC23.1309-1E 也对航电各种功能失效状态( 包括丧失和误导) 对飞机产生的危害性等级( 包括灾难级，危险级，严重级，轻微级等) 进行了建议。
航电系统的设计应参考此建议进行功能危害性评估( Function Hazard Assessment， FHA) ，尤其重点分析一些对系统架构有重要影响的功能失效状态( 如姿态、空速、气压高度、导航等) 。基于 FHA 的安全性分析过程是系统架构设计中需要考虑的重要因素。
三、适航需求
中国民航规章第23 部( CCAR－23) 以及第91部( CCAR－91) 等适航规章从保证飞机运行和使用的角度对航电系统诸多需装备的仪表、设备及其功能、性能、数量、安装、人机功效、维护等方面提出了限制和要求，是通用飞机航电系统获得适航批准所必须满足的最低要求，也是系统架构设计的基本输入条件。审定部门颁布的技术标准规定( Technical Standard Order，TSO) 规定了相应机载设备的最低性能标准和适航技术要求。
此外，为保证系统和设备研制的规范和标准化，应尽量采用国际通用的工业标准和行业标准，如ARINC 标准和汽车工程师学会( Society of Automotive Engineers，SAE) 标准等，保证适航审查的顺利开展。
四、经济性和维护保障需求
通用飞机面对的市场大部分是私人用户和企业用户，用户对飞机的价格以及后期的运营维护成本非常敏感，因此成本是决定其市场表现的关键因素。在保证安全性要求的前提下，通用飞机航电系统的设计需要最大限度地降低成本。另外，通用飞机大多没有专业的飞机维护团队，这就要求在飞机及其系统的设计时考虑简单快捷的维护保障方式。这些需求对通用飞机航电系统的架构设计将产生重要影响。
典型通飞航电系统架构
民航 23 部规章规定，通用飞机是指 19 座以下、最大起飞重量不超过8.6t(19000 lb，1 lb = 453.59237g) 的固定翼飞机。因此，通用飞机的范畴非常广泛，既有高端的公务飞机，也包括大量的 9 座以下中小型飞机以及 2 座以下轻型/ 运动型飞机。不同种类通用飞机航电系统架构差异很大。以下分别就目前各类通用飞机的典型航电系统架构进行简介。
一、Primus Apex 系统
Primus Epic / Apex 是霍尼韦尔公司面向公务机的航电系统产品线，其中 Primus Epic 主要针对高端公务机，Primus Apex 主要针对轻中型公务机。目前，有多型高端通用飞机和轻中型公务机安装了该系统，包括瑞士 Pilatus 公司的PC－12 / PC－24 飞机、美国 Syberjet 公司的 SJ30 飞机、加拿大 DHC 公司的Twin otter 400 飞机以及中国哈飞的运－12F 飞机等。
Primus Apex 系统由两台主飞行显示器( Primary Flight Display，PFD) 、两台多功能显示器 ( Multi － function Display，MFD) 、一个模块化航电单元( Mod- ular Avionics Unit，MAU) 、若干控制面板以及通信、导航、监视、大气、航姿等外围传感器设备组成，其系统架构如图 1 所示。
系统主要特点:
继承Primus 家族的特点，采用集成模块化航电( Integrated Modular Avionics，IMA) 架构，MAU 是系统的核心，MAU 中包括双余度的电源模块、网络接口控制模块、显示处理模块、通用处理模块、输入输出( I / O) 模块等，通用处理模块可加载飞行管理、飞行控制以及系统维护等功能软件，MAU 中各模块通过 PCI 总线与机箱背板连接;
不同于 Primus Epic 以航空标准通信总线( Avionics Standard Communication Bus，ASCB) 为核心网的总线架构，Primus Apex 采用多总线连接方式，ARINC429、RS422、ARINC453、以太网等总线用于各设备与 MAU 之间的数据连接;
综合化的显示，PFD 和 MFD 综合显示飞行仪表信息、发动机及飞机系统参数、机组告警信息、飞行管理指示、地形显示和气象信息显示等综合信息;
多种控制面板，如 PFD 控制板、多功能控制板、飞行控制板、音频控制板等完成操作控制;
开放的系统架构，具备多种扩展能力，第三方设备可以通过 I / O 模块接入系统，第三方模块可以插入 MAU 机箱预留的槽位，第三方软件可以加载到通用处理模块。
二、G1000 系统
Garmin公司的 G1000 系统是目前应用最广泛的通用飞机航电系统，世界上大部分 4 ～ 9 座中小型通用飞机均装备该航电系统。系统由两台或三台综合显示器( PFD/ MFD) 、2 部综合无线电设备，以及大气机、航姿系统、S 模式应答机、发动机/机身参数采集单元等外围传感器和飞机接口设备组成，其系统架构如图 2 所示。
系统主要特点是:
以两台综合显示器和综合无线电设备为核心，外接大气、航姿、航管、飞机接口单元等设备构建整个系统;
系统综合化程度高，综合显示器除了完成系统的集中显示控制功能外，还作为机载计算机，通过应用软件实现飞行管理、状态监控、合成视景等系统核心处理功能， 实现显示控制与处理的综合;
综合显示器之间采用分布处理、信息共享的处理架构;
综合无线电设备集成了甚高频( Very High Frequency，VHF) 通信、甚高频全向信标( VHF Omni－directional Range，VOR) 、仪表着陆系统( Instrument Landing System，ILS) 、全球定位系统( Global Positioning System，GPS) 、自动驾驶控制以及传感器数据接口控制管理等功能;
大气、航姿、导航、通信等系统主要功能及其数据传输路径均具有多余度设计，保证了系统的安全性;采用普通以太网作为骨干网络，设备数据传输采用ARINC429、RS485、RS232 等高可靠低成本的常规系统总线，利于控制成本;
系统具备良好的扩展性，综合无线电设备预留部分接口，可扩展连接测距器、自动定向机、防撞告警等设备。
三、Entegra系统
美国Avidyne公司的Entegra 系统也是一型有代表性的通用飞机航电系统，该系统目前主要装备在美国Cirrus 公司的SR20 /22 飞机、美国 Piper 公司的 PA46 飞机以及德国 Extra 公司的 EA-500 飞机等中小型飞机上。系统由两个综合飞行显示器以及控制显示单元、自动驾驶仪、音频控制面板、数据采集单元等设备组成，其系统架构如图 3 所示。
系统主要特点:
高度的综合化和模块化，以两台综合飞行显示器为核心构建整个系统，综合飞行显示器实际上是液晶显示模块与显示器机箱的组合，显示器机箱中集成了核心处理、大气航姿、通信导航、GPS、接口等模块;
系统具备良好的扩展性，综合飞行显示器可扩展连接 S 模式应答、交通咨询、自动定向、测距器、近地告警等功能设备;
采用分区操作系统，实现了多个功能软件在核心处理模块上的综合，保证系统安全性的同时降低研制成本;采用速率为10 Mb / s 的 Byteflight 数据总线作为骨干总线，双冗余数据传输，实现高实时与高可靠传输。
四、G500系统
Garmin公司的 G500系统是面向轻型或者运动型通用飞机的航电系统产品，目前应用于奥地利钻石公司的DA-20飞机、九成通用飞机公司的JC-100N飞机等，在轻型、运动型通用飞机航电系统架构上具有一定代表性。
G500系统基本构型包括一台综合显示器、一套航姿、一套大气以及可灵活选配的通信/ 导航/ GPS 设备、音频面板、应答机以及第二套VHF电台等，系统架构如图 4 所示。
该系统主要特点:受轻型通用飞机的空间和成本所限，系统仅一台综合显示器，显示器分为左右两个16.5cm ( 6.5 in，1 in = 2.54 cm) LCD 显示屏，左边是主飞行显示屏，右边是多功能显示屏;
系统采用简单实用的点对点连接方式，各设备与综合显示器之间通过直连方式传递控制与数据信号，各设备音频信号也直连到音频面板;
采用ARINC429、RS485、RS232、以太网等高可靠低成本的常规系统总线;
系统具有良好的适配性和扩展性，用户可根据需要灵活选配Garmin的相关系列通信导航、应答机以及音频面板等设备，系统也可通过适配器扩展连接自动驾驶仪和其他传感器设备。
通用飞机航电系统架构分析
通过对各类通用飞机航电系统架构的研究，结合对通飞航电系统需求的分析，可以归纳出通飞航电系统架构设计的一般规律和特点。
通用飞机航电系统逻辑架构一般可以分为显示、操作控制、数据集中处理和外围传感器等几个层次。
从系统的显示来看，目前主流通用飞机航电系统均采用综合化显示，各个PFD、MFD 显示器均可以实现大气数据、姿态、发动机及机身状态数据、飞行计划、航图、通信导航、监视、告警指示、健康管理等系统所需的所有显示功能。显示器之间互为备份，显示画面可根据需要自由切换。
从系统的操作控制来看，高端通用飞机的航电系统多采用独立操作控制面板，其显示和控制是分离的，如 Primus Apex 系统具备单独的 PFD 控制板、音频控制板、飞行控制板等。
而中低端通用飞机航电系统采用显示与控制综合的方式，综合显示器上集成了主要的操作旋钮、按键，除保留独立音频控制面板外，其他操作控制都可以通过显示器上的旋钮、按键来实现。
从系统的数据处理架构来看，高端通用飞机由于航电系统功能性能要求较高，航电设备多，对系统的数据处理能力要求高，故一般都具备独立的核心处理设备，如Primus Apex 系统以 MAU 作为系统的处理核心，完成飞管、飞控、中央维护、显示处理等功能。对于中低端通用飞机而言，为了降低成本减轻重量，则几乎都是采用显示和处理功能合二为一的智能显示器，以前依靠处理计算机和多功能显示器配合完成的功能能够在综合显示器上一并实现，这样综合显示器就成了航电系统的核心。
从外围传感器设备来看，在不同航电系统中，其接入系统的方式也有很大不同。为了降低成本，轻型/ 运动型飞机的航电系统架构非常简单，其外围传感器设备往往直接与显示器连接，传感器数据甚至模拟量、离散量都直接接入显示器，因此这种显示器需要兼容多种接口。而对于中低档以上的通用飞机，其外围传感器往往通过接口设备或模块接入系统，如 G1000 系统的综合无线电设备、Entegra 系统中综合飞行显示器的接口模块、Primus Apex 系统中 MAU 的 I / O 模块等。
通用飞机航电系统总线架构比较灵活。相对于大型运输类飞机，通用飞机对航电系统数据传输容量及实时性的要求不高，基于系统经济性考虑，系统普遍选用 ARINC429、RS485、RS232、以太网等多种常规总线连接方式。
系统的余度设计方面，基于安全性设计需求，对于二类以上通用飞机，其失效状态的定量概率要求较高，比如灾难性失效状态的概率要求是 10-7以下，依据标准《民用飞机系统和设备安全性评估处理的指导和方法》( SAE ARP4761 ) 的安全性分析过程，系统空速、气压高度、姿态、导航等重要功能涉及到的外围传感器及数据传输通道均需要采用双备份设计，前文所述的 G1000、Entegra、Primus Apex 等系统均是如此。
而对于一类以下的通用飞机，由于失效状态的概率要求较低，航电系统的大气、航姿、导航等设备多没有考虑冗余，如 G500 系统。
对于通信功能，所有按照中国民航规章第 23 部适航的飞机，均至少配置双套 VHF 电台，这并非基于安全性考虑，而是因为从飞机运行的角度，如CCAR－91明确要求至少配备两套独立的无线电通信收发机。
系统的扩展性和通用化设计方面，目前主流的通飞航电系统均考虑了用户的扩展性功能需求，在系统设计时预留了大量可扩展接口或者可扩展适配器。另外，通用飞机是所有飞机类型中包含数量最多、型别最复杂的一类机种，为满足多数飞机的装机需求，最大限度地降低研制与销售成本，其航空电子系统均尽量按照通用化设计。比如 Garmin 公司目前广泛应用的 G900、G1000 系列航电系统，采用的综合显示器、大气机、航姿、综合无线电、应答机、音频控面制板等都是通用设备，只是在不同机型中，其设备套量与应用软件的配置不同。
通飞航电系统架构发展趋势
随着航空电子技术和航空运输业的发展，针对未来通用飞机更安全可靠、更经济环保、更易于操作维护的要求，其航空电子系统架构的发展趋势主要体现在以下几个方面:
( 1)系统的综合化
传感器综合化的程度将进一步提高，考虑到系统的适航性和经济性需求，通飞航电传感器的综合化应是以功能设备的模块化综合为主。通过将多个传统航线可更换单元( Line Replaceable Unit，LRU)转变成航线可更换模块( Line Replaceable Module，LRM) 并综合在一起，减小体积重量，提高系统可维护性。从显示和处理的角度来看，以显示器为中心必然是通飞航电的发展趋势，未来显示器将具备更强大的处理能力。综合显示器与综合传感器一起构成通飞航电系统的基本架构。
( 2)系统的软件架构
未来显示器应驻留空中管道、航图、气象、地形、视景增强等更多系统软件，实现情景可视化，实现飞行性能的自主监控和告警，增强飞行员的态势感知能力。
另一方面，未来通飞航电系统应具备更高的智能化水平，基于智能理论与技术，通过数据融合、逻辑学习等手段，提供更简便的操作、更透明的信息、更安全的驾驶、更精准智能的决策，大幅减轻飞行员的工作负荷。多任务分区、多显示器分布式处理应是系统软件架构的发展方向。
( 3)系统的功能架构
基于移动通信、卫星导航等技术的发展，未来的通用飞机将以星基、地基增强的“北斗”/ GPS / GLO-NASS 等多星座组合导航为主要导航手段，实现高精度导航和精密进近能力; 同时通过“北斗”短报文/4G/5G/ ADS－B等多种传输通道，实现多模式位置追踪和数据传输，实时将飞行参数、维护数据、导航数据、发动机参数等重要数据发送到地面。
( 4)系统的人机交互
当前的系统人机交互主要通过显示器及其周边键和专用操作面板实现。未来航电系统强调简单易用的理念，人机交互性更强。触摸控制显示器以及语音控制技术将会大量应用。
( 5)系统的健康管理
为满足经济性和维护保障需求，未来的通用飞机航电系统应具备更加简单快捷的维护保障方式，通过智能理论与技术在机内测试( Built － in Test，BIT) 中的应用，使机内测试发展为具备状态监控、故障诊断以及控制决策于一体的智能的综合系统， 极大地减轻维护人员工作负担。
结束语
航空电子系统是一项复杂的系统工程。相对于大型运输类飞机，通用飞机航空电子系统研发的技术和适航门槛相对较低，尤其是中低端通用飞机，其市场占有率高，数量庞大，可以作为我国在航空电子领域自主创新、快速赶超国际先进水平的切入点。
本文通过对适航规章和相关航电产品的研究，分析了通用飞机航电系统的典型需求，在对国外几种有代表性的航电系统产品特点研究的基础上，从多个方面总结了通用飞机航电系统架构设计的规律，并且基于智能化、经济性、安全性、舒适性等特点，展望了未来其架构的发展趋势，可以为通用飞机航电系统的研究和自主适航研制提供有益的参考，有助于我国在通飞航电领域的自主创新和产业发展。
（以上文章来源于《电讯技术》，作者：王焱滨，作者单位：中电科航空电子有限公司）
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