民用飛機綜合監視系統架構及趨勢

整合化和模組化是現代民用飛機航空電子系統的重要發展趨勢。綜合監視系統將航空電子系統中的氣象監視、地形監視和交通監視功能整合，從而使得綜合監視系統能夠獲得相對於傳統監視系統更小的裝置體積和更低的功率消耗。

　　1 系統概述

在現代民用航空電子系統中，監視功能主要包括對氣象的監視、對地形的監視以及對交通狀態的監視。

氣象監視功能由氣象雷達實現，由氣象雷達天線、驅動、收發機和處理機組成。其中，氣象雷達天線將雷達發射機產生的射頻訊號向前輻射並接收氣象回波訊號，驅動裝置控制天線的掃描運動，收發機產生射頻訊號並通過平板天線輻射，同時負責接收天線接收的氣象回波訊號後放大並轉化為數字訊號後傳遞給處理機，處理機將數字化的氣象回波訊號處理計算，並將氣象影象傳送到顯示告警系統進行顯示並向機組提供必要的告警。目前主流的氣象雷達功能包括氣象探測、紊流探測、地形探測和預測型風切變等功能，主要的輸入訊號來自慣性基準系統、大氣資料系統、無線電高度表、全球定位系統、地形提示與告警系統 起落架系統等。

地形監視功能由地形提示與告警系統(TAWS)提供，主要包括傳統的近地警告系統功能(GPWS)、基於地形資料庫的預測型地形功能，以及反應型風切變功能，其主要架構包括地形資料庫(包括地形資料、障礙物資料、機場資料和跑道資料等)、告警包線、運算處理單元等組成，集成於單獨的LRU中。地形提示與告警系統利用全球定位系統、慣性基準系統、無線電高度表、大氣資料系統等系統提供的輸入資料計算飛機位置、高度等，並與地形資料庫中的資料進行對比，從而計算出飛機與地形發生碰撞的危險，並通過目視與音響系統將撞地風險向飛行機組發出告警。

交通監視功能由交通告警和防撞系統(TCAS)和應答機的詢問和應答協同工作提供：交通告警和防撞系統向附近空域中的其他飛機的應答機發出詢問，並接收其回覆的相應飛機的高度、速度、垂直速度和航向等資料，並結合該機資料進行計算，以判斷是否存在撞機危脅;該機應答機回覆其他飛機或地面交通管制臺發出的詢問訊號，並與其他飛機協調避讓策略。另外，廣播式自主相關監視系統(ADS-B)作為交通監視未來的發展趨勢，也在民用航空領域中得到積極的推動，而在目前的過度階段，交通告警和防撞系統與應答機分別實現了ADS-B功能的接收(ADS-B IN)和發射(ADS-B OUT)功能。

隨著航電技術的發展，主流的航電系統供應商將傳統的氣象監視、地形監視和交通監視功能進行整合，形成了多功能的綜合的監視系統。

　　2 綜合監視系統架構

整合化和模組化是現代民用飛機航空電子系統的重要發展趨勢。由於地形監視、氣象監視和交通監視的相似輸入(如位置、航向、氣壓高度、飛機姿態、中地狀態、空速以及地速等)，因此，將這幾個功能進行整合可以提高航電系統的利用效率;同時，根據DO-254要求，不同的研製保障等級的硬體和軟體有不同的設計和研製要求，如果將研製保障等級差異過大的功能進行整合，有可能大大增加開供應商的開發成本，因此，進行整合還需要考慮到各個功能的研製保障等級，而民用飛機中地形監視、氣象監視和交通監視功能一般定義為C級的研製保障等級，相同的研製保障等級為幾項監視功能的整合提供了基礎。因此，在現代最新的民用飛機航電系統中將以上的監視功能進行整合，通過模組化設計，組成綜合監視系統，提高了航電網路的利用效率，減輕航電系統裝置重量，減小裝置體積。

對於綜合監視系統的設計，目前主流的航電系統供應商通常將三種監視功能集成於同一LRU(綜合監視計算機)中，三種監視功能分別駐留於單獨的功能模組(板卡)中，氣象雷達功能中的天線元件、驅動元件和收發機模組安裝於雷達罩內部，由綜合監視計算機進行供電，並通過光纖或電纜與綜合監視計算機中的氣象雷達處理模組進行通訊。

由於在民用飛機執行要求中規定，運輸類的民用飛機必具備兩套TCAS和應答機功能，因此，在綜合監視系統中需要具備兩套TCAS和應答機功能，兩套交通監視功能可通過天線切換開關切換/共享的頂部和底部交通監視天線元件;另外，氣象雷達功能為飛機飛行過程中經常使用到的功能，且氣象雷達收發機、驅動裝置等元件均安裝於雷達罩內，屬於非環控區域，裝置的工作環境相對比較惡略，比較容易發生故障，因此航空公司對多套氣象雷達的配置具有較大的需求，目前主流的綜合監視系統供應商可提供多套的氣象雷達配置，將雙套的氣象雷達收發機模組安裝於驅動單元兩側，並分別與兩套綜合監視計算機中的氣象雷達處理單元進行連線，通過共用驅動單元和平板天線的`形式實現了雙套氣象雷達配置;另外，TAWS功能也可以根據航空公司的要求選擇單套或者雙套的配置。目前Boeing 787和Airbus 380均採用了上述的綜合監視系統架構。其架構如圖1所示，圖中虛線部分為可根據客戶要求進行選裝的功能模組。

在上述的綜合監視系統架構中，由於綜合監視系統採用了高的整合設計，因此造成了整個綜合監視系統裝置均需要由特定的供應商提供，而這種情況恰恰限制了綜合監視系統的客戶個性化的要求，特別是不同供應商之間差異化較大的氣象雷達。因此，部分的綜合監視系統方案中將氣象雷達裝置從綜合監視計算機中獨立出來，只將地形監視和交通監視功能集成於獨立的LRU中，而氣象雷達裝置由客戶進行先擇，進而進行系統整合。Airbus 330飛機安裝的T3CAS系統即採用了上述的綜合監視架構。

　　3 基於IMA的綜合監視系統架構

IMA平臺是一個共享硬體和軟體資源的通用平臺。IMA平臺本身不提供飛機級功能，它為飛機功能提供包含資料計算、資料傳輸和資料轉換在內的資源功能，以及包含健康監控、故障管理等功能的支援功能。這裡所說的飛機功能指的是駐留在應用 和駐留功能。駐留應用是駐留在IMA平臺內並執行一定飛機功能的軟體。駐留功能是使用IMA平臺的飛機功能。