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1 引 言

航空電子系統(tǒng)(以下簡稱航電系統(tǒng))關(guān)系到飛機的可用性、飛行安全性、先進性等，是飛機的重要組成部分，無線電通信、導航、監(jiān)視(Communication, Navigation and Surveillance,CNS)系統(tǒng)作為航電系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一，通過航電總線接入航電系統(tǒng)。機載CNS系統(tǒng)是用于飛機在起飛、航行和著陸等階段，通過機載話音/數(shù)據(jù)通信、無線電導航設(shè)備和監(jiān)視設(shè)備完成信息獲取、信息交換和信息處理，引導飛機按預定航路安全飛行的重要機載系統(tǒng)，它具備機內(nèi)和機外話音及數(shù)據(jù)通信、無線電導航引導、飛機航路環(huán)境監(jiān)視等功能，是保障飛機飛行安全，為飛行員和乘客提供安全可靠飛行的必備技術(shù)手段。

CNS系統(tǒng)的架構(gòu)和航電系統(tǒng)的架構(gòu)密切相關(guān)，優(yōu)化的CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計對無線電傳感數(shù)據(jù)的采集、傳輸和高效利用至關(guān)重要。CNS系統(tǒng)設(shè)備具有許多相似特征，如均需要進行調(diào)諧控制，均有天線，均需要進行音頻數(shù)據(jù)處理等；同時，CNS系統(tǒng)之間存在著較為復雜的控制、數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息等多方面的交聯(lián)關(guān)系。一體化的架構(gòu)設(shè)計能更有效地實現(xiàn)對通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備的管理控制，實現(xiàn)CNS系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)CNS系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和傳輸，有利于大量無線電設(shè)備進行統(tǒng)一天線布局、電磁兼容等設(shè)計，提高CNS系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)效率，降低航電系統(tǒng)集成復雜度，提高飛機飛行安全性。

2 國外CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展方向

2.1 國外CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

國外一向重視通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)一體化設(shè)計。美國國家航空航天局(NASA) 2003年啟動了“先進CNS體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)技術(shù)(ACAST)”研究計劃[1]，研究適應(yīng)未來先進空域管理系統(tǒng)所需的CNS基礎(chǔ)體系，并提出了與之相適應(yīng)的機載通信、導航、監(jiān)視設(shè)備的建議。為推動綜合化通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，由美國政府和工業(yè)界聯(lián)合主辦一年一度的綜合化通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)(ICNS)會議，旨在通過研究和開發(fā)綜合化通信、導航、監(jiān)視技術(shù)，支持近期(2015年)及更遠期(2015年后)先進的航空數(shù)字信息系統(tǒng)及應(yīng)用，支持未來全球空中交通系統(tǒng)運行。

在機載CNS系統(tǒng)實現(xiàn)上，當前最先進的民用大型飛機B787采用了一體化CNS系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。Rockwell Collins公司提供了主要通信、監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備，Honeywell公司提供了綜合導航無線電(INR)設(shè)備， Boeing公司在進行航電系統(tǒng)集成時，將CNS系統(tǒng)作為一個綜合化的系統(tǒng)來整體考慮，采用了統(tǒng)一的架構(gòu)實現(xiàn)CNS系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息傳輸，采用調(diào)諧控制面板(TCP)對CNS系統(tǒng)設(shè)備進行統(tǒng)一調(diào)諧和控制，采用統(tǒng)一的音頻系統(tǒng)實現(xiàn)CNS系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)的傳輸和處理，采用統(tǒng)一音頻控制面板(ACP)實現(xiàn)CNS系統(tǒng)的音頻控制，體現(xiàn)CNS系統(tǒng)一體化設(shè)計理念。

2.2 國外CNS系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向

在2012～2020年以及更遠期，未來新技術(shù)的發(fā)展，將以整體提升CNS系統(tǒng)能力為目標。CNS系統(tǒng)的能力通過通信、導航和監(jiān)視系統(tǒng)的各項功能來實現(xiàn)，其主要發(fā)展方向如下所述。

2.2.1通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，廣泛采用數(shù)字化音頻處理技術(shù)。

(1)數(shù)據(jù)鏈是空中交通管理高度自動化的前提，也是保證空中交通安全有序的同時減輕駕駛員和管制員工作負擔的有效手段。通信管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈通信的網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)路由、消息處理等功能，實現(xiàn)和飛機其它系統(tǒng)的接口，支持飛機上的各種數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用，是數(shù)據(jù)鏈處理的核心[2]；

(2)廣泛采用數(shù)字音頻處理技術(shù)，提高音頻信息的傳輸質(zhì)量和處理效率，采用數(shù)字總線實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)傳輸，減少模擬音頻線布線。

2.2.2導航系統(tǒng)

多種無線電導航功能集成在單個設(shè)備中，如Rockwell Collins公司開發(fā)的多模接收機(MMR)集成了儀表著陸系統(tǒng)(ILS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、GPS著陸系統(tǒng)(GLS)、飛管著陸系統(tǒng)(FLS)功能，裝備在A320、A330、A380上；Honeywell公司提供的綜合導航無線電(INR)集成了甚高頻全向信標(VOR)、ILS、標志信標(MB)、GPS功能，裝備在B787上；衛(wèi)星導航成為重要導航手段，GLS得到廣泛的應(yīng)用。

2.2.3監(jiān)視系統(tǒng)

向廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)方向發(fā)展。飛機通過自動廣播自身位置報告，同時接收鄰近飛機的位置報告，互相了解對方位置和行蹤，駕駛員自主地承擔維護空中交通間隔的責任，不再依賴地面雷達監(jiān)視和管制[3]。ADS-B優(yōu)化調(diào)整管制員和機組人員的工作量，給安全、容量、效率和環(huán)境影響等諸多方面帶來重大改善。

2.3 ARINC660A推薦機載通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)功能架構(gòu)

為了適應(yīng)CNS/ATM技術(shù)發(fā)展需求，ARINC 660A標準規(guī)定并推薦了滿足未來CNS/ATM操作環(huán)境的機載通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)體系架構(gòu)、功能定義和功能分配，如圖1所示[4]。

從圖中我們可以看出，通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互較多、交聯(lián)關(guān)系復雜，通信、導航、監(jiān)視系統(tǒng)在系統(tǒng)間信息共享、資源規(guī)劃綜合考慮、系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與控制等方面顯得越來越重要。CNS/ATM是一個以星基為基礎(chǔ)的全球通信(C)、導航(N)和監(jiān)視(S)及自動化空中交通管理(ATM)的系統(tǒng)，在未來一段時間CNS/ATM技術(shù)發(fā)展和性能提升不僅要依靠通信、導航、監(jiān)視及空中交通管理等技術(shù)發(fā)展，更重要的是，通過對CNS系統(tǒng)多途徑、多信息源數(shù)據(jù)綜合處理，以及一體化優(yōu)化設(shè)計，整體提高CNS/ATM系統(tǒng)的性能和任務(wù)可靠性、正確性。

圖1 ARINC 660A推薦的機載CNS頂層功能架構(gòu)

3 CNS系統(tǒng)組成及一體化架構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點分析

本文所指的CNS系統(tǒng)主要組成如下：

(1)調(diào)諧及音頻控制：調(diào)諧控制功能、音頻控制功能；

(2)通信系統(tǒng)：通信管理功能(CMF)、短波(HF)、超短波(VHF)、衛(wèi)星通信(SATCOM)、機內(nèi)通信、應(yīng)急定位發(fā)射(ELT)等功能；

(3)無線電導航系統(tǒng)：ILS、GPS、無線電高度表(RA)、VOR、自動定向儀(ADF)、MB、測距設(shè)備(DME)等功能；

(4)監(jiān)視系統(tǒng)：氣象雷達(WXR)、近地告警(TAWS)、空中交通警戒與防撞系統(tǒng)(TCAS)、空中交通管制(ATC)、ADS-B等功能。

上述功能可以一種功能一個設(shè)備來完成，也可以幾種功能集成在一個設(shè)備中完成，不論采取怎樣的設(shè)備形式，CNS系統(tǒng)設(shè)備都具有許多相似特征：

(1)均是新航行系統(tǒng)機載部分的重要支撐系統(tǒng)；

(2)均需要進行調(diào)諧控制；

(3)均需要進行音頻數(shù)據(jù)處理和音頻控制；

(4)均有天線，需要對射頻信號進行處理；

(5)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)、無線電導航數(shù)據(jù)、監(jiān)視告警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)信息等需要以聲音、圖形、字符等方式向飛行員進行通告。

一體化CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，適應(yīng)了新航行系統(tǒng)對CNS系統(tǒng)的需求，有利于CNS系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息鏈路統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計，有利于音頻系統(tǒng)設(shè)計、音頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、傳輸和控制，有利于大量無線電設(shè)備進行統(tǒng)一頻率管理、天線布局、電磁兼容等設(shè)計，有利于CNS系統(tǒng)信息和座艙顯示系統(tǒng)的統(tǒng)一集成。

4 CNS系統(tǒng)設(shè)計及集成建議

4.1 一體化架構(gòu)設(shè)計

在航電系統(tǒng)的統(tǒng)一架構(gòu)下，根據(jù)飛機及航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、功能危害性分析(FHA)，根據(jù)用戶需求和適航需求，對CNS系統(tǒng)的架構(gòu)、控制管理邏輯、數(shù)據(jù)流、控制流、狀態(tài)信息流、失效模式、備份機制、人機界面、數(shù)據(jù)加載等進行研究和設(shè)計，同時，對CNS系統(tǒng)及設(shè)備國際相關(guān)標準規(guī)范進行研究，結(jié)合所選設(shè)備性能特點，細化系統(tǒng)連接關(guān)系、接口控制文件(ICD)、操作控制流程等，并對系統(tǒng)安全性進行評估。通過頂層一體化的設(shè)計，使CNS系統(tǒng)及設(shè)備間能有機結(jié)合，實現(xiàn)CNS系統(tǒng)的綜合集成及控制管理，將CNS作為一個整體納入航電系統(tǒng)的集成中，提高CNS系統(tǒng)及航電系統(tǒng)集成的效率，降低航電系統(tǒng)集成復雜度。

4.2 CNS系統(tǒng)調(diào)諧控制設(shè)備和音頻控制設(shè)備的設(shè)計和實現(xiàn)

無線電調(diào)諧功能的實現(xiàn)在不同飛機上有不同的設(shè)計思路，無線電調(diào)諧設(shè)備名稱也不相同，如在A380上的無線電調(diào)諧設(shè)備叫無線電管理面板(RMP)，在B787上叫調(diào)諧控制面板(TCP),被調(diào)諧的設(shè)備范圍也不相同；ACP的設(shè)計和實現(xiàn)也可采取不同的方式，如在A380上ACP和RMP一體化設(shè)計，ACP成為RMP的一部分。不論采取何種方式，CNS系統(tǒng)的控制主要包括無線電調(diào)諧控制和音頻控制功能。

(1)無線電調(diào)諧控制功能

實現(xiàn)無CNS系統(tǒng)設(shè)備的無線電調(diào)諧、工作模式控制和工作狀態(tài)監(jiān)控等功能。在老一代的飛機如B737，CNS系統(tǒng)設(shè)備控制由不同的控制面板來實現(xiàn)；新型飛機如B787通過一體化調(diào)諧控制面板實現(xiàn)CNS系統(tǒng)的調(diào)諧控制，CNS系統(tǒng)一體化調(diào)諧控制是無線電調(diào)諧控制發(fā)展的趨勢。

(2)音頻控制功能

通過ACP實現(xiàn)CNS系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)的控制管理，實現(xiàn)全機機內(nèi)和機外話音通信、無線電導航音告警、監(jiān)視告警等功能。為了適應(yīng)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸和處理需要，新一代音頻控制面板ACP通常具備內(nèi)置的處理單元完成音頻信號的數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。為了適應(yīng)新一代航電全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)[5]網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，ACP還可具備AFDX接口直接通過AFDX網(wǎng)絡(luò)交換音頻數(shù)據(jù)。

調(diào)諧控制和音頻控制功能實現(xiàn)同時和CNS系統(tǒng)相關(guān)，CNS系統(tǒng)控制設(shè)備一體化的設(shè)計與研發(fā)，有利于CNS系統(tǒng)間協(xié)同工作，節(jié)約控制面板空間和駕駛艙布局設(shè)計，以及航電系統(tǒng)的整體集成。

4.3 適應(yīng)航電系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的CNS系統(tǒng)設(shè)計

隨著航電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，航電系統(tǒng)架構(gòu)由聯(lián)合式向綜合模塊化航空電子架構(gòu)(IMA)[6]方向發(fā)展，同時，AFDX在航電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，航電系統(tǒng)采用AFDX網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)間大容量的高速數(shù)據(jù)交換。為適應(yīng)IMA架構(gòu)和AFDX技術(shù)發(fā)展，CNS系統(tǒng)在進行架構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮基于IMA架構(gòu)和AFDX技術(shù)的CNS系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

(1)IMA架構(gòu)下資源需求和應(yīng)用

IMA架構(gòu)下，航電系統(tǒng)許多功能軟件都被集成到IMA模塊中完成，CNS系統(tǒng)調(diào)諧控制軟和通信管理功能軟件、TAWS功能等可以通過駐留在IMA中的軟件來實現(xiàn)，這些應(yīng)用軟件的資源分配和維護應(yīng)服從整個航電系統(tǒng)IMA資源分配和維護的統(tǒng)一要求。

(2)網(wǎng)絡(luò)方面

CNS系統(tǒng)設(shè)備多達幾十種，大部分設(shè)備數(shù)據(jù)通過接口轉(zhuǎn)換后接入AFDX網(wǎng)絡(luò)，CNS系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)航電系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，規(guī)劃CNS系統(tǒng)及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接、虛鏈路資源規(guī)劃等關(guān)鍵配置，估計CNS系統(tǒng)需要占用的AFDX網(wǎng)絡(luò)的資源。

4.4 CNS系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計

CNS系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計應(yīng)從以下4個方面進行。

(1)電磁兼容仿真預測

通過建立CNS系統(tǒng)的電磁兼容仿真預測模型，預測系統(tǒng)的各項電磁兼容指標以及各設(shè)備間的電磁兼容裕度，仿真系統(tǒng)中可能有的干擾源、敏感設(shè)備、耦合途徑以及耦合情況等，將仿真數(shù)據(jù)作為電磁兼容指標分解的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)天線布局優(yōu)化

綜合考慮CNS系統(tǒng)各功能子系統(tǒng)對天線的功能、工作方式、工作頻率、覆蓋空域、極化形式、安裝位置等因素的要求，對CNS系統(tǒng)內(nèi)的天線進行一體化優(yōu)化布局設(shè)計，最大程度地增大各類天線之間的隔離度，減少各系統(tǒng)之間電磁干擾。

(3)電磁兼容指標分解

對CNS系統(tǒng)的電磁兼容進行評估、指標量化分配和優(yōu)化設(shè)計。在輻射設(shè)備和敏感設(shè)備之間分解出發(fā)射功率、發(fā)射帶外衰減、接收靈敏度、敏感設(shè)備的安全裕度等參數(shù)，對CNS系統(tǒng)電磁性能進行綜合設(shè)計，將系統(tǒng)可能出現(xiàn)的電磁兼容問題解決在系統(tǒng)設(shè)計階段。

(4)頻率管理

民用飛機電磁頻譜復雜，對工作在相同頻段或相鄰頻段的CNS系統(tǒng)設(shè)備，根據(jù)任務(wù)需求，從系統(tǒng)頂層進行保證系統(tǒng)正常運行的頻率管理，手段包括頻率選擇/避讓、系統(tǒng)消隱/閉鎖、設(shè)備分時工作控制等。

4.5 CNS系統(tǒng)集成驗證設(shè)計

民用飛機CNS系統(tǒng)的研制貫穿了從用戶需求捕捉、應(yīng)用需求分析、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)集成驗證、適航取證直到最終交付用戶的全過程，在這個過程中，需要進行一系列的試驗以確保系統(tǒng)研制滿足用戶需求，在進行CNS系統(tǒng)一體化設(shè)計時，應(yīng)充分考慮并設(shè)計如何進行這些試驗。這些試驗主要包括：

(1)試驗室試驗：包括開發(fā)試驗、系統(tǒng)集成試驗、系統(tǒng)確認試驗、驗收試驗、可靠性試驗、服務(wù)支持試驗等；

(2)機上地面試驗：試驗原理和試驗室試驗一樣，不同的是，所有CNS系統(tǒng)設(shè)備均安裝在飛機上，在真實飛機航電系統(tǒng)環(huán)境和電磁環(huán)境下進行CNS系統(tǒng)功能和性能的測試；

(3)飛行試驗：飛機在飛行的過程中對CNS系統(tǒng)在各種模態(tài)下的功能、性能進行試驗；

(4)鑒定試驗：全面評估CNS系統(tǒng)能否滿足可靠性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和各項性能指標的要求。

5 結(jié)束語

近50年來，航空電子系統(tǒng)的技術(shù)水平已經(jīng)有了很大的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)及其設(shè)備從單一的獨立設(shè)備向綜合化和模塊化方向發(fā)展，與此相適應(yīng)，機載CNS系統(tǒng)設(shè)備功能和體系架構(gòu)也逐步走向綜合化。機載通信、導航、監(jiān)視各個系統(tǒng)之間關(guān)系密切、相輔相成，CNS系統(tǒng)在綜合管理和調(diào)諧控制、信息共享、系統(tǒng)間功能協(xié)調(diào)、音頻數(shù)據(jù)處理和音頻控制、頻譜資源綜合考慮、全機天線布局等方面顯得越來越重要，一體化的設(shè)計和集成是CNS系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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