最新电子电气架构（EEA）调研-4

七、民航客机电子电气架构

        我们对国多外情况调研，以美军、北约、德国的为主，并且是以混合的方式进行介绍，因篇幅问题，我们仅是介绍框架。

       1、联合式架构

       指每个航电子功能各自使用独立的名为LRU（Line Replaceable Unit，航线可更换单元）模块。模块里包含硬件、软件和IO接口。同时，这些模块按功能分组放置在不同区域，各个模块通过低速总线（比如ARINC429）进行通信。在93年之前，这是常用架构，典型例子是空客A320系列。

图59 空客320的联合式结构

             （1）优点：

                      模块元件功能独立很容易更换，出现故障后的维护成本较低。

             （2）缺点：（空客A320为例）

                        1）采用的ARINC429总线指定了只有1个发射器和最多20个接收器的拓扑结构，且数据只能在一个方向传输（即单工通信），最大传输速率为100Kbps，接收器数量的限制、单工通信和低速率随着飞机功能的增加，有着明显的局限性；

                       2）使用冗余方式来提高系统的安全性，就需要增加包含硬件在内的整个LRU，这大大增加系统的重量和功耗；

                       3）LRU内部设计通常是由不同的供应商负责，协调成本高，且后续的维护和升级不方便。

       2、IMA综合化系统架构

       1995年，霍尼韦尔开发了波音777的信息管理系统AIMS，属第一代IMA架构（综合模块化航空电子，Integrated Modular Avionics，IMA)）。

            （1）定义

       IMA是一组灵活的、可重用的、可互操作的共享硬件和软件资源,当把这些资源综合在一起时可以构建一个平台,该平台按一组确定的安全和性能需求进行设计和验证,能提 供各种服务,并驻留执行飞机功能的应用。

            （2）封闭式AIM架构

       IMA架构是大型民用飞机系统的典型架构，而IMA系统的开发涉及到与飞机制造商的交互、现有技术的应用、安装位置的环境、维护人员的操作等多方利益相关者提出的约束。

        迭代出了一种新型总线ARINC629，它允许多个发送多个接收的拓扑结构，而且总线速率可以达到2Mbps。同时，AIMS内部支持SAFEbus背板总线，这种总线使用确定性的时间控制协议，在不同模块之间提供高容错通信，最高速率可达到60Mbps。总线的更新迭代，使得三冗余甚至四冗余成为了可能，因此可以设计出更互联、更复杂的系统。

         IMA典型代表包括美国波音公司B787飞机、欧洲空客公司的A380飞机和A350飞机等先进干线飞机。我国的大型客机C919也采用IMA系统架构。

          AIMS系统也有明显的缺点：

         1）AIMS系统由霍尼韦尔开发，它的硬件采用多重冗余结构，并获得SAFEbus协议的专利，这个技术壁垒使得其他客户使用的成本极高；

         2）封闭的系统使得主机厂不能自行修改任何参数和代码，只能通过向Tier 1提需求并由供应商负责实现和验证，使得需求变更和功能升级的时间长并费用高。

图60 封闭的AIM架构图

            （3）开放式IMA架构

        空客进一步发展了该技术，为A380机型开发了新一代的航电架构。该架构不使用Tier1的专用机柜，而是选择更加开放的ARINC600标准用于航电设备的集成，总线则以标准的航电全双工交换以太网AFDX（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，航空电子全双工交换式以太网（基于标准以太网技术IEEE 802.3））取代了之前的背板SAFEbus总线。

       同时在与Tier1合作关系方面，空客扮演了一个系统集成商的角色，让第三方组织负责每个航电子系统的开发，这种基于每家系统供应商均可获得的总线标准进行开发的概念被称为开放式IMA。

       开放式IMA架构使用的AFDX总线最大速率可达到100Mbps，且支持使用确定性算法和双重冗余来保证极高的安全性。随后，AFDX成为行业标准，该协议也被转变为ARINC标准，ARINC664。

        在联合式架构，硬件模块都是作为独立单元开发的，而IMA架构里，所有的模块都是基于相同的通用架构，包括核心处理器、输入输出IO板和AFDX端系统，它们分别提供主任务处理、公共接口和AFDX网络通信的功能，我们称之为CPIOM（Core Processing and Input/Output Module，核心处理输入/输出模块）。

        CPIOM支持多个变体，通常对IO板进行定制化处理，比如一个或多个定制IO板，允许CPIOM与特定域的传感器和作动器进行通讯。这种跨计算模块的一致性允许在模块的不同变体之间重用开发工具和软件资源，为整个系统开发和集成节省了很多时间，带来效率上的大幅提升。

       开放式IMA架构的缺点

       驻留程序的接口需要预先确定，这就意味着当IO接口资源不一样时，CPIOM需要多个变体，而且被放置在飞机的不同位置，导致增加大量的额外布线。

图61 开方式AIM架构（空客A380）图

图62 CPIOM简图

             （4）分布式IMA架构

        A380的航电平台在其分布式网络中引入了RDC (Remote Data Concentrator，远程数据集中器）,为解决开放式IMA架构布线过多的问题，同时提升设备的通用性，降低维护难度，业界开始采用分布式的IMA架构。这样的架构有两个重大改变：

                        1）通过将RDC升级成处理能力更强的cRDC（center Remote Data Concentrator），并对IO任务进行分散，扩展cRDC模块的使用，使得在线缆布局上可以将各IMA平台放置在离飞机传感器和执行器更近的地方，从而节省所需的线缆；

                        2）随着cRDC的引入，可以使用通用版的CPIOM代替各种变体，同时，通过提高CPIOM的处理器能力减少CPIOM的数量，使得整体架构得到进一步优化。

        分布式IMA技术也存在一些缺点，包括：

        1）架构高度依赖系统级集成工具和开发过程，因此主机厂承担了更大的系统级责任，对主机厂的要求变得更高；

        2）并非所有的航空电子设备完成到了IMA架构的移植，新的航电架构必须考虑兼容传统系统并适配其对应的通信方式；

       3）由于IMA系统高模块化的特点，其驻留的函数存在于配置表中，当需要对这些函数进行更改时，重新进行适航认证所付出的代价相当昂贵。因此，IMA配置工具必须经过认证的方法证明，更改只包含在受影响的函数内，而不需要对整个模块进行重新认证。

图63 空客A350架构演变图

        3、航空航天电子电气架构未来

               （1）全解耦

               （2）全新的分布式协同EEA架构

               （3）以数据为核心分布式协同总线

        基于自适应全局时间触发分布式协同技术，强调强实时、高精确数据、全局逻辑时钟动态调度、分区容错、高资源利用率、任意组合伸缩。

八、军用机航电架构

       现代先进战机的航电系统一般都具有自主导航、对空/面目标攻击引导、目标搜索与识别、通信与数据链、外挂物管理、任务规划与参数记录、综合电子对抗、综合显示与控制、数据传 输等多种功能，能够帮助飞行员 顺利执行各种战术操作，为飞机提供良好的使用性能和方便，挂载并应用多种精确制导武器，实现超视距攻击。

       1、航电系统

         航电（Avionics），由Aviation（航空）和Electronics（电子）两个字组合而成，是个工程专有名词。现代作战飞机的航电系统，大致模块：

               （1）探测系统

               （2）火力控制系统

               （3）飞行控制系统

               （4）推力控制系统

               （5）电子战系统

               （6）通信系统

               （7）导航系统

               （8）座舱显示系统

               （9）自检系统

        这些功能模块整合为一体的综合航电架构。现代战斗机的航电设备重量仅占总重的10%左右，研发成本却超过总成本的40%以上，成为全机最关键的系统。

        航电架构演变为模块化整合式，各传感器设备不再配备独立处理器，其产生的数据信息经过高速光纤数据总线传输，统一交给中央计算机的通用集成处理器（也称：通信集成处理器CIP，Common Integrated Processor）或综合核心处理机ICP，Integrated Core Processor）。

        2、综合核心处理机（ICP）

       是新一代飞机航空电子系统的核心，能够对雷达、通讯导航识别、电子战、显示控制、任务管理、武器管理、人机接口等多种典型航电任务进行综合处理，是整个综合航电的“大脑”。

图64 核心ICP逻辑图

           （1）技术要求

                   1）深度模块化设计

                   2）高性能处理技术

                   3）高可靠技术

                   4）标准化和模块化技术

                   5）统一网络技术

                   6）系统容错技术

                   7）可升级技术

        （2）基本功能（产品定义为货架产品（COTS））

                  1）通用数据处理模块：数据输入输出管理、任务计算、数据融合、系统控帛、IO信号处理、总线通信，余度设计。

                  2）信号处理模块：信号输入输出管理、传感器信号、执行器信号

                  3）视频处理模块：传感器图像生成和处理、视频交换、视频/音频压缩生成和处理。

                  4）图形图像处理模块：负责多功能显示器、图像生成与处理，余度设计。

                 5）大容量存储器模块：数字地图、数据存储和管理、任务数据加加卸载

                 6）电源模块：负责电源处理、各个模块上下电管理，余度设计。

                 7）网络支持模块：负责HICP内各模块间和端传感器高高速数据传输。

       3、美军F-35示例

       F-35搭载的综合模块化航电构架，以一台高速中央核心处理器 (ICP， Integrated Core Processor)为核心，通过光纤与各种传感器高度互联，综合管理，可以同时处理高度、速度、通信、图像等多种任务。F-35 拥有史上最先进的传感器套件。包括有源电子扫描阵列雷达、分布式孔径系统、光电瞄准系统和头盔显示系统等。这些传感器套件使其能够在射频、红外、可见光等频谱上进行综合态势感知，大大提高了 F-35生存能力和杀伤力。

           （1）开放式框架“宝石台”综合航电系统：

                      1）飞推综合控制系统（IFPC）

                      2）综合电子战系统（LEWS）

                      3）故障预测与健康管理系统（PHIM）

                      4）态势感知系统（由“多功能综合射频系统（MIRFS）”、“光电瞄准系统（EOTS）”、“光电分布式孔径系统（EODAS）”组成），等等。

         “宝石台”（PAVE PACE）构架，它的最大特点就是共用传感器，将雷达、电子战、通信等过去需要不同天线执行的功能整合到相近频率的共用化宽频孔径中。F-35则仅需21部传感器天线，造价和重量都减少一半，更加适合F-35较小的机体和三军通用的多功能需求。

图6美国“宝石台”系统结构图

图64 美国F35综合电子战架构

图65 美国F35电子电气架构

             （2）分布式孔径系统(DAS)

       Distributed Aperture System(DAS)的AN/AAQ-37系统由6个光电传感器组成，共可观看570度，重叠以提供360度的全方位观测。它们位置的摆放使得飞机的任何部分都不会遮挡360度观测视野。DAS提供导弹和飞机的自动检测、跟踪和告警，并将图像整合到头盔显示(HMD)。

       每个孔径都与综合核心处理器(ICP)互联，ICP运行软件算法，生成带地理标记威胁报告和图像，然后转发到HMD或驾驶舱显示屏。DAS能够检测移动目标，并可在1300公里外检测到弹道导弹的发射以及坦克的射击，ICP的强大处理能力允许DAS同时跟踪数千个目标。

            （3）头盔显示系统(HMDS)

      Helmet Mounted Display System(HMDS)可显示飞行员完成任务需要的所有信息：空速，航向，高度，瞄准信息和告警。这些信息显示在头盔的面罩上，而不是传统的平板显示器。

       此外，F-35的DAS可以将飞机周围安装的六个红外摄像机的实时图像传到头盔，从而允许飞行员“看穿”机身。头盔还通过使用集成的摄像头为飞行员提供夜视功能，这是由于它的红外成像(FLIR)对亮度不敏感，从而给了飞行员特殊的态势感知。

       由于对精度要求高，HMD对每个飞行员都定制了与其头形匹配的显示器。HMD和DAS与新一代“大离轴发射”导弹的配合也非常好，该导弹可以在飞机90度爬升时还可以进行瞄准和发射，具有发射后锁定的特点。

            （4）光电瞄准系统(EOTS)

        Electro-Optical Targeting System(EOTS)的AN / AAQ-40系统结合了红外成像和红外搜索、跟踪，具有激光指示功能，激光具有空对空和空对地跟踪红外成像，宽域IRST，并且可以生成地理坐标以支持GPS制导武器。

       它最初能够将静止图像分享给部队，通用数据链（CDL）将允许生成的视频信号通过网络发送给地面部队，甚至可以控制摄像机指向的位置，指向飞行员想要瞄准的地方。这个功能计划在Block 4中，还有一些其他项目旨在促进地面部队和CAS之间的这种互动。EOTS的作用距离很远，能够分辨50英里外的一家酒店的窗户。

            （5）有源相控阵雷达(AN/APG-81)

      APG-81雷达是具有1676个T/R组件的有源电子扫描阵列(AESA)雷达，比无源电子扫描阵列(PESA)雷达更先进，特别是与ICP的整合。

        APG-81雷达可以跟踪更多的飞机，绘制高分辨率SAR图像，并进行自动目标识别 (ATR)，还可以通过ISAR来检测和识别海面目标。采用无源双站检测技术，与ASQ-239的配合来干扰对方雷达。

       APG-81可以在LPI / LPD模式下使用，使用不同的频率扫描(跳频技术)，快速开机以避免被检测到，或者可以采用“闭环跟踪”，在检测到飞机后只用最小的功率来跟踪飞机，还可以使用非合作目标识别技术来匹配出机型从而进行识别和分析。

            （6）电子战系统(AN/ASQ-239)

        ASQ-239的可靠性是ALQ-94两倍，而成本却只有它的四分之一，还将F-22上的30个传感器减少到10个。它曾已经展示过检测和干扰F-22雷达的能力。

        ASQ-239系统的10个4种波段的低可探测概率共形天线单元被嵌入F-35主翼的前、后缘和尾翼的后缘之中，提供360度全向全频段射频信号监视和收集的功能。BAE采用高度综合一体化的设计手段使得ASQ-239系统的电子战共形天线的数量大幅减少，仅为F-22天线数量的1/3，降低了电子战天线阵列对于飞机隐身性能的影响。

        ASQ-239系统能够同时处理空对空和空对地的电子战任务，可直接对敌方空中和地面的目标进行准确地辨认、定位、跟踪和打击。能够引导反辐射导弹、AIM-120空空导弹以及将来的联合双任务双射程导弹(JDRADM) 。

            （7）通信、导航和信息系统(CNI)

CNI系统采用软件无线电(SDR)技术，使用可重新配置的RF硬件和计算机处理器软件来运行产生所需波形，管理超过27种不同的波形。其中一种新的波形就是为F-35开发的多功能高级数据链路(MADL)，它具有非常高的数据传输速率，并且很难被截获和干扰，使飞机可以进行“隐身”通讯，并以菊花链的方式联系大量节点的其他F-35。

            （8）综合核心处理器(ICP)

        F-35的核心是计算机系统，这是奖每个系统收集的所有信息汇集在一起并整合后呈现给飞行员的地方。这个计算机系统被设计成非常容易升级和更新，电力系统也被设计可以处理未来的负载以及使用光纤来实现高数据传输速率。

      目前的设计的ICP共有7种类型22个硬件模块：

　　·4个通用(GP)处理模块

　　·2个通用输入输出(GPIO)模块

　　·2个信号处理(SP)模块

　　·5个信号处理输入输出(SPIO)模块

　　·2个图像处理模块

　　·2个开关模块

　　·5个电源模块

　　ICP的插槽具有扩展能力，可以增加8个数字式处理模块和一个电源模块。ICP采用商用货架产品(COTS)，目前阶段采用Motorola G4 PowerPC 微处理器，这是128位AltiVec技术。图像处理器采用商用可编程门阵列电路(FPGA)和超高速集成电路(VHSIC)使用的硬件描述语言(VHDL)。

　　通过一个光纤通道网络(OFCN)把各传感器、CNI以及显示器同ICP进行连通。连接的关键部件是两个32端口的ICP开关模块。ICP、CNI、显示管理计算机同飞机管理系统外部的连接采用IEEE1394B(Firewire)接口,它的传输速度为400 megabit/s。