民機無線電CNS系統一體化架構設計*

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

1 引 言

航空電子系統(以下簡稱航電系統)關系到飛機的可用性、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、監視(Communication, Navigation and Surveillance,CNS)系統作為航電系統的重要分系統之一，通過航電總線接入航電系統。機載CNS系統是用于飛機在起飛、航行和著陸等階段，通過機載話音/數據通信、無線電導航設備和監視設備完成信息獲取、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，它具備機內和機外話音及數據通信、無線電導航引導、飛機航路環境監視等功能，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手段。

CNS系統的架構和航電系統的架構密切相關，優化的CNS系統架構設計對無線電傳感數據的采集、傳輸和高效利用至關重要。CNS系統設備具有許多相似特征，如均需要進行調諧控制，均有天線，均需要進行音頻數據處理等；同時，CNS系統之間存在著較為復雜的控制、數據以及狀態信息等多方面的交聯關系。一體化的架構設計能更有效地實現對通信、導航、監視系統設備的管理控制，實現CNS系統各種數據流的統一規劃，實現CNS系統音頻數據統一處理和傳輸，有利于大量無線電設備進行統一天線布局、電磁兼容等設計，提高CNS系統設計及實現效率，降低航電系統集成復雜度，提高飛機飛行安全性。

2 國外CNS系統架構設計現狀與技術發展方向

2.1 國外CNS系統架構設計現狀

國外一向重視通信、導航、監視系統一體化設計。美國國家航空航天局(NASA) 2003年啟動了“先進CNS體系結構和系統技術(ACAST)”研究計劃[1]，研究適應未來先進空域管理系統所需的CNS基礎體系，并提出了與之相適應的機載通信、導航、監視設備的建議。為推動綜合化通信、導航、監視系統技術發展，由美國政府和工業界聯合主辦一年一度的綜合化通信、導航、監視系統(ICNS)會議，旨在通過研究和開發綜合化通信、導航、監視技術，支持近期(2015年)及更遠期(2015年后)先進的航空數字信息系統及應用，支持未來全球空中交通系統運行。

在機載CNS系統實現上，當前最先進的民用大型飛機B787采用了一體化CNS系統設計和實現。Rockwell Collins公司提供了主要通信、監視系統設備，Honeywell公司提供了綜合導航無線電(INR)設備， Boeing公司在進行航電系統集成時，將CNS系統作為一個綜合化的系統來整體考慮，采用了統一的架構實現CNS系統設備的數據和狀態信息傳輸，采用調諧控制面板(TCP)對CNS系統設備進行統一調諧和控制，采用統一的音頻系統實現CNS系統音頻數據的傳輸和處理，采用統一音頻控制面板(ACP)實現CNS系統的音頻控制，體現CNS系統一體化設計理念。

2.2 國外CNS系統技術發展方向

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

2.2.1通信系統

數據鏈技術得到越來越廣泛的應用，廣泛采用數字化音頻處理技術。

(1)數據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。通信管理實現數據鏈通信的網絡管理、數據路由、消息處理等功能，實現和飛機其它系統的接口，支持飛機上的各種數據鏈應用，是數據鏈處理的核心[2]；

(2)廣泛采用數字音頻處理技術，提高音頻信息的傳輸質量和處理效率，采用數字總線實現音頻數據傳輸，減少模擬音頻線布線。

2.2.2導航系統

多種無線電導航功能集成在單個設備中，如Rockwell Collins公司開發的多模接收機(MMR)集成了儀表著陸系統(ILS)、全球定位系統(GPS)、GPS著陸系統(GLS)、飛管著陸系統(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；衛星導航成為重要導航手段，GLS得到廣泛的應用。

2.2.3監視系統

向廣播式自動相關監視(ADS-B)技術方向發展。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視和管制[3]。ADS-B優化調整管制員和機組人員的工作量，給安全、容量、效率和環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、監視系統功能架構

為了適應CNS/ATM技術發展需求，ARINC 660A標準規定并推薦了滿足未來CNS/ATM操作環境的機載通信、導航、監視系統體系架構、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、監視系統之間數據交互較多、交聯關系復雜，通信、導航、監視系統在系統間信息共享、資源規劃綜合考慮、系統間的協調與控制等方面顯得越來越重要。CNS/ATM是一個以星基為基礎的全球通信(C)、導航(N)和監視(S)及自動化空中交通管理(ATM)的系統，在未來一段時間CNS/ATM技術發展和性能提升不僅要依靠通信、導航、監視及空中交通管理等技術發展，更重要的是，通過對CNS系統多途徑、多信息源數據綜合處理，以及一體化優化設計，整體提高CNS/ATM系統的性能和任務可靠性、正確性。

圖1 ARINC 660A推薦的機載CNS頂層功能架構

3 CNS系統組成及一體化架構設計的優點分析

本文所指的CNS系統主要組成如下：

(1)調諧及音頻控制：調諧控制功能、音頻控制功能；

(2)通信系統：通信管理功能(CMF)、短波(HF)、超短波(VHF)、衛星通信(SATCOM)、機內通信、應急定位發射(ELT)等功能；

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

(4)監視系統：氣象雷達(WXR)、近地告警(TAWS)、空中交通警戒與防撞系統(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備來完成，也可以幾種功能集成在一個設備中完成，不論采取怎樣的設備形式，CNS系統設備都具有許多相似特征：

(1)均是新航行系統機載部分的重要支撐系統；

(2)均需要進行調諧控制；

(3)均需要進行音頻數據處理和音頻控制；

(4)均有天線，需要對射頻信號進行處理；

(5)數據鏈數據、無線電導航數據、監視告警數據、系統狀態信息等需要以聲音、圖形、字符等方式向飛行員進行通告。

一體化CNS系統架構設計，適應了新航行系統對CNS系統的需求，有利于CNS系統控制、數據、狀態信息鏈路統一規劃和設計，有利于音頻系統設計、音頻數據的統一處理、傳輸和控制，有利于大量無線電設備進行統一頻率管理、天線布局、電磁兼容等設計，有利于CNS系統信息和座艙顯示系統的統一集成。

4 CNS系統設計及集成建議

4.1 一體化架構設計

在航電系統的統一架構下，根據飛機及航電系統架構設計、功能危害性分析(FHA)，根據用戶需求和適航需求，對CNS系統的架構、控制管理邏輯、數據流、控制流、狀態信息流、失效模式、備份機制、人機界面、數據加載等進行研究和設計，同時，對CNS系統及設備國際相關標準規范進行研究，結合所選設備性能特點，細化系統連接關系、接口控制文件(ICD)、操作控制流程等，并對系統安全性進行評估。通過頂層一體化的設計，使CNS系統及設備間能有機結合，實現CNS系統的綜合集成及控制管理，將CNS作為一個整體納入航電系統的集成中，提高CNS系統及航電系統集成的效率，降低航電系統集成復雜度。

4.2 CNS系統調諧控制設備和音頻控制設備的設計和實現

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

(1)無線電調諧控制功能

實現無CNS系統設備的無線電調諧、工作模式控制和工作狀態監控等功能。在老一代的飛機如B737，CNS系統設備控制由不同的控制面板來實現；新型飛機如B787通過一體化調諧控制面板實現CNS系統的調諧控制，CNS系統一體化調諧控制是無線電調諧控制發展的趨勢。

(2)音頻控制功能

通過ACP實現CNS系統音頻數據的控制管理，實現全機機內和機外話音通信、無線電導航音告警、監視告警等功能。為了適應數字音頻數據傳輸和處理需要，新一代音頻控制面板ACP通常具備內置的處理單元完成音頻信號的數/模、模/數轉換功能。為了適應新一代航電全雙工交換式以太網(AFDX)[5]網絡環境，ACP還可具備AFDX接口直接通過AFDX網絡交換音頻數據。

調諧控制和音頻控制功能實現同時和CNS系統相關，CNS系統控制設備一體化的設計與研發，有利于CNS系統間協同工作，節約控制面板空間和駕駛艙布局設計，以及航電系統的整體集成。

4.3 適應航電系統架構和網絡架構的CNS系統設計

隨著航電系統技術發展，航電系統架構由聯合式向綜合模塊化航空電子架構(IMA)[6]方向發展，同時，AFDX在航電系統中得到廣泛應用，航電系統采用AFDX網絡實現系統間大容量的高速數據交換。為適應IMA架構和AFDX技術發展，CNS系統在進行架構設計時，應考慮基于IMA架構和AFDX技術的CNS系統功能實現。

(1)IMA架構下資源需求和應用

IMA架構下，航電系統許多功能軟件都被集成到IMA模塊中完成，CNS系統調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，這些應用軟件的資源分配和維護應服從整個航電系統IMA資源分配和維護的統一要求。

(2)網絡方面

CNS系統設備多達幾十種，大部分設備數據通過接口轉換后接入AFDX網絡，CNS系統應根據航電系統整體網絡規劃，規劃CNS系統及設備網絡連接、虛鏈路資源規劃等關鍵配置，估計CNS系統需要占用的AFDX網絡的資源。

4.4 CNS系統電磁兼容設計

CNS系統電磁兼容設計應從以下4個方面進行。

(1)電磁兼容仿真預測

通過建立CNS系統的電磁兼容仿真預測模型，預測系統的各項電磁兼容指標以及各設備間的電磁兼容裕度，仿真系統中可能有的干擾源、敏感設備、耦合途徑以及耦合情況等，將仿真數據作為電磁兼容指標分解的基礎數據。

(2)天線布局優化

綜合考慮CNS系統各功能子系統對天線的功能、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系統內的天線進行一體化優化布局設計，最大程度地增大各類天線之間的隔離度，減少各系統之間電磁干擾。

(3)電磁兼容指標分解

對CNS系統的電磁兼容進行評估、指標量化分配和優化設計。在輻射設備和敏感設備之間分解出發射功率、發射帶外衰減、接收靈敏度、敏感設備的安全裕度等參數，對CNS系統電磁性能進行綜合設計，將系統可能出現的電磁兼容問題解決在系統設計階段。

(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系統設備，根據任務需求，從系統頂層進行保證系統正常運行的頻率管理，手段包括頻率選擇/避讓、系統消隱/閉鎖、設備分時工作控制等。

4.5 CNS系統集成驗證設計

民用飛機CNS系統的研制貫穿了從用戶需求捕捉、應用需求分析、系統開發、系統集成驗證、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研制滿足用戶需求，在進行CNS系統一體化設計時，應充分考慮并設計如何進行這些試驗。這些試驗主要包括：

(1)試驗室試驗：包括開發試驗、系統集成試驗、系統確認試驗、驗收試驗、可靠性試驗、服務支持試驗等；

(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系統設備均安裝在飛機上，在真實飛機航電系統環境和電磁環境下進行CNS系統功能和性能的測試；

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

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

5 結束語

近50年來，航空電子系統的技術水平已經有了很大的發展，航空電子系統及其設備從單一的獨立設備向綜合化和模塊化方向發展，與此相適應，機載CNS系統設備功能和體系架構也逐步走向綜合化。機載通信、導航、監視各個系統之間關系密切、相輔相成，CNS系統在綜合管理和調諧控制、信息共享、系統間功能協調、音頻數據處理和音頻控制、頻譜資源綜合考慮、全機天線布局等方面顯得越來越重要，一體化的設計和集成是CNS系統架構技術發展的必然趨勢。

參考文獻：

[1] Kerczewski J R. CNS Architectures and Systems Research and Development for the National Airspace System [C]//Proceedings of 2004 IEEE Aerospace Conference.Montana, USA: IEEE,2004:1636-1643.

[2] 劉天華. 民用飛機數據鏈通信管理技術[J],電訊技術，2010,50(5):84-88.

LIU Tian-hua.Datalink and Communication Management Technology of Civil Aircraft[J].Telecommunication Engineering, 2010,50(5): 110-114.(in Chinese)

[3] 周其煥. 空中慧眼：ADS-B [J].中國民用航空,2001,50(5): 62-64.

ZHOU Qi-huan.Air clear sight：ADS-B[J].China Civil Aviation, 2001,50(10):62-64.(in Chinese)

[4] ARINC Report 660A, CNS/ATM Avionics, Functional Allocation and Recommended Architectures[S].

[5] ARINC Specification 664P1-1, Aircraft Data Network Part 1-Systems Concepts and Overview[S].

[6] ARINC Specification 653-2, Avionics Application Software Standard Interface Part 1-Required Services[S].