航空电子系统开放式标准与自主创新

引言随着电子和信息技术的飞速发展，传统系统软硬件的局限性、技术的封闭性、专用性以及厂商支持的有限性，使系统全寿命周期的费用不断攀升，系统功能升级成本越来越高，追求更高更强更好理念与可承担费用之间的矛盾不断升级。为解决此类不断升级的矛盾，开放式系统的概念进入人们的视野。按MIL–STD–2036的定义，开放式系统是一种系统设计方法，它可以按照非专利标准来设计硬件，能对多厂商的、可互操作的、可互换的设备进行组合，并提供灵活、经济、有竞争优势的系统设计。开放式系统采用公开的通信协议，将不同厂家的操作系统和接口遵守相同的界面规范和标准进行连接，并使用业界公开的标准网络服务来设计、安装和调试设备，以组成指定功能系统。它能有效地运行于不同平台之上，可以与其他应用系统相互操作，其相应的支撑软件和应用软件能以最少的修改实现不同系统之间的移植，并允许在一个网络上使用多个通信协议的开发和操作环境。基于开放式系统结构的综合模块化航空电子系统，即低成本航空电子系统，与传统系统相比，它具有以下优势：●互操作性；●兼容性；●可移植性；●可重复使用性；●较高的可维修性；●减少全寿命费用；●提高新技术的可插入性；●可变规模。1国外现状为实现装备经济所应具备的可承受性、保证性能、可改进性和重新使用能力等4大指标，开放式系统概念首先在美国进入航空电子领域。先后成立了OS–JTF、SAEASDMAT、SAEASDAS5GOAA等开放式系统工作组，制定了SGOAA、SAEAS4893、POSIX等一系列开放式系统标准和规范，并在F–35、F–18E/F、F15、VA–8B、C17及AH–64等新研制项目或系统升级中应用了开放式航空电子系统。欧洲根据ASAAC（联合标准航空电子系统结构委员会）计划也同时制定了一系列有关开放式航空电子系统软件、模块、包装及系统结构标准草案，并在A380及未来的欧洲新一代飞机项目研制过程中得到贯彻执行。俄罗斯也高度重视开放式航空电子系统结构研究，有限资料表明其可能在将要研制的第五代战斗机项目上采用开放式航空电子系统结构。开放式系统结构技术引发了航空电子系统及其软硬件设计方法、开发方法、验证评估方法和管理方法的变革与进步，提高了航空电子系统寿命期内各个阶段的经济可承受性。对于飞机来说系统互操作性、灵活性更强，可以迅速改装，以适应各种顾伟青（中国航空无线电电子研究所，上海200233；上海交通大学，上海200030）[摘要]介绍了开放式系统结构的概念、技术标准的形成及其在国外的成功应用，分析了主要技术标准，阐述了开放式系统在我国航空电子系统中应用的必要性。[关键词]开放式系统；航空电子；技术创新[中图分类号]V241[文献标识码]C[文章编号]1003-6660（2008）01-0017-06航空电子系统开放式标准与自主创新[收修订稿日期]2007-10-0817Feb.2008Aeronautic Standardization & Quality No.223工作研究•《航空标准化与质量》2008年第1期任务的变化；对于采购方而言，可以缩短系统的交付时间和采购成本；对于操作维修来说，可以减少支持系统的数量和类型，减少系统成本。使用开放式航空电子系统的民用飞机，航空电子系统的产品成本减小23%～35%，维护成本减少50%以上。因此，在未来军民用飞机项目中采用开放式航空电子系统结构是冷战结束后随着军费开支下降、新技术发展加快的必然选择，是各国飞机项目发展的大趋势。2航空电子系统面临挑战航空电子设备经历了机电式、模拟式到数字式的发展，并沿着计算机化、网络化、智能化人机接口方向演进。驾驶舱作为全机数据、信息显示以及控制命令发出的中心，也经历了从分离式机电仪表驾驶舱到采用综合显示控制技术的玻璃舱发展的历程，并继续向高度综合化驾驶舱演进。美国B777飞机是第一个采用模块化综合航空电子系统的民用飞机，B777飞机在设计、研制、制造和试验等方面都有革命性的创新。它采用基于开放式系统结构的模块化综合航空电子技术，有源矩阵液晶显示器，集导航、飞行控制、推力控制于一体的飞行管理系统，飞机信息综合管理系统等诸多新技术。美国Honeywell公司在B777飞机模块化综合航空电子系统基础上，开发了EPIC航空电子系统，其核心是应用开放式系统结构概念的模块化核心处理系统即飞机信息管理系统（AIMS）的剪裁型，用于多尼尔（Donier328）等支线飞机。法国Thales公司为冲8–400等中小型飞机开发的模块化航空电子系统，也采用了开放式系统结构，它用以太网互联两台核心处理机和驾驶舱显示控制系统，实现了系统信息的高速传输。这一系统技术实际上使用了A380航空电子系统研发的中间成果。美国Collins公司为加拿大CRJ700和我国ARJ21支线飞机开发的ProLine航空电子系统，加拿大马可尼公司（即现在的加拿大BAE公司）为中小型飞机和直升机开发的CMA–2082航空电子管理系统（AMS）和CMA–3000飞行管理和无线电管理系统（FMRMS）等均采用开放式系统结构的模块化航空电子系统。这些系统的设计指导原则就是要在满足所需性能要求情况下，降低全寿命费用，实现航空电子系统的低成本和通用性。B787飞机航空电子系统主要包括通用核心系统（CCS）、主显示器、通信系统、综合监视系统、导航组合、机组信息/管理系统（CIS/MS）、电子飞行包和平视显示器（HUD）等。其主要特点是：●采用满足ARINC653标准的、开放式系统结构的通用核心系统（CCS）；●采用满足ARINC664标准的、基于以太网协议的飞机数据网络（AND）；●采用机组信息系统/管理系统（CIS/MS）和通信与监视系统（CISS）；●采用5个12in×9in的大尺寸LCD和2个平视显示器（HUD），为信息显示提供更大空间，并在进近与着陆等关键飞行阶段，为飞行员提供从下视显示器到平视显示器的无缝隙信息迁移。其全格式导航显示、集成进场导航与导航性能显示、增强垂直情况显示、飞行管理计算机交互菜单等的显示，增强了机组人员对环境的认知度。A380飞机航空电子系统是开放式的综合模块化航空电子系统（IMA）。其主要特点是：●由航空电子全双工以太网（AFDX）和18个IMA模块构成。●由气象雷达、交通警告与防撞系统（TCAS)、近地告警和S模式应答机构成飞机环境监视系统（AESS），实现了数据一级的综合。●采用8个6in×8in的液晶显示器（LCD），所有显示器相同，可互换。●应用新一代的飞行管理引导系统，其通信协议和网络技术规范采用电子行业通用规范。软件、硬件和部件方面尽可能采用电子行业的成熟技术，保证高度的开放性和可再用性。●第一次把驾驶舱和客舱电子系统全面综合起来，使航空电子核心系统将全系统功能更加完整地配套起来。●第一次把空地应用需求紧密结合起来，以便实现空地运行网络化管理和满足空地一体化无缝隙不间断服务的需求。随着新航行系统的部署、航空电信网和卫星通信技术的应用、空地电子网络和信息技术的普及，航空电子系统的开放性和再用性越来越强，已经出现驾驶舱、货舱和客舱电子系统全面综合趋势；航空电子系统与地面电子系统紧密融合趋势；空地之18Feb.2008    航空标准化与质量 总第223期《航空标准化与质量》2008年第1期•工作研究●综合处理系统的硬件和软件资源可以根据功能与性能要求配置，即在基本系统基础上剪裁或扩充，不存在重新设计问题；●通用平台具有较强的接口能力，包括接口余度和余度管理能力，可适应高档、中档和低档各种档次的机载电子设备配置；●软件的模块化和独立于硬件的软件开发方法，不仅使应用软件易于移植和易于修改，而且可以使用户，尤其是飞机生产厂商更加方便地选择和调整应用软件。2.3经济可承受性需求为了满足现代作战任务和作战环境的要求，提高作战飞机自身的态势感知能力和自身的生存力，现代作战飞机在航空电子系统上付出了极大的硬件和软件代价。先进的战斗机需完成空空、空地、全天候高空作战、低空突防、近距格斗、超视距作战等任务；需要装备雷达探测、红外探测、多目标攻击、地形跟随／回避、地图显示、电子对抗以及通信导航识别等多种设备。航空电子系统在飞机出厂成本中的比例一直上升，从70年代的21%，80年代30%到90年代的40%～50%。航空电子系统的经济可承受性，已经成为航空电子系统设计师们在设计航空电子系统时优先考虑的重要因素，并已成为制约航空电子系统应用的主要因素。2.4技术可用性需求航空电子系统的研制开发周期一般为5年～10年，而微电子或半导体技术的更新周期一般为几个月或十几个月，这就意味着在航空电子系统尚未研制成功之时，就已经有80%以上的器件过时或停产。此外，航空用电子（特别是军用航空电子）在全球半导体市场上，已不占有独特的地位和优势，不再是市场技术领先者和技术发展的主要驱动力。大多数集成电路制造商出于商业利益的考虑，已逐步退出了用于航空的集成电路芯片生产线，这将严重威胁航空电子系统产品的制造和维护所需的货源。这意味着航空电子的元器件供应已经发生了深刻的变化，军民用航空电子系统的研制和开发必须适应这一市场的变化。因此，航空电子系统的设计师必须考虑采用各种先进的设计方法和技术策略来解决和保证系统的间、飞行与航班衔接之间的无缝隙不间断飞行管理和服务的趋势。为应对上述各类技术发展的需求，未来民用飞机航空电子系统将更加突出模块化、综合化、信息化和智能化。2.1技术发展需求随着人们对民用飞机的飞行品质、安全性、舒适性和经济性要求的不断提高，基于联合式系统结构的航空电子系统的局限性日益显露，无法适应新环境使用要求。主要技术性能与需求矛盾如下：●联合式系统结构的航空电子系统的数据传输速率低（仅1Mbps），带宽不足，不能满足日益增长的飞机内部和外部信息传输要求。●联合式系统结构的航空电子系统结构是以外场可更换单元（LRU）为基础，系统硬件资源的共享程度低，容错能力有限。●联合式系统结构的航空电子系统只能以简单的增加传感器来增加系统功能，提高系统的探测能力。通过增加系统数据传输总线来增加系统数据吞吐能力，通过增加CPU数量来增加系统处理能力，这与系统重量、体积和功耗的要求相互矛盾。●联合式系统结构的航空电子系统的可靠性、维修性、测试性也比较差，全寿命费用高等问题也直接影响飞机航空电子系统的研制和发展。这就意味着基于联合式系统结构下的航空电子系统已经无法满足未来飞机对航空电子系统的需求。基于上述矛盾，航空电子系统提出了从联合式航空系统向高度综合式航空电子系统发展的方向；系统综合从任务信息综合向数据、信号、功能综合发展方向；从本机信息综合向机内外多平台信息综合发展方向；系统组成从外场可更换单元向外场可更换模块发展方向；系统结构从专用相对封闭结构向开放式系统结构发展方向。2.2通用性需求现代先进大/中型民用飞机的航空电子系统作为担负航空电子系统信息综合处理、显示和工作模式综合控制的综合处理系统，其系统日益复杂和多样，相应的维护和使用成本也在不断增长。而基于开放式系统的航空电子系统能够提供一个通用平台，可以很好地满足不同设备的配置及功能要求，大大提高了资源的共享程度和系统的可靠性、维护性及安全性。如：19Feb.2008Aeronautic Standardization & Quality No.223工作研究•《航空标准化与质量》2008年第1期可用性和技术的可支持性问题。3开放式系统结构是解决航空电子系统面临挑战最主要的途径之一开放式系统被认为是解决经济可承受性需求的一项关键技术，也是获得成功系统的基本属性。开放式航空电子系统结构实质上提出了一种新的航空电子系统的互联结构。这种互联的接口是开放的，在满足航空电子系统的数据传输、通信、操作性和容错能力等条件下，所选用的接口标准可以从工业界得到，这些标准具有交互性、可移植性和规模可变性等特点。采用开放式系统结构有助于用最低的寿命周期费用达到所要求的性能和保障性；正确划分系统结构可有效地减缓航空电子元件过时问题。由于开放式系统结构具有故障检测、隔离和修复功能，因此减少和缩短了停机时间