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洞察|技术篇

航电系统架构:演变历史和电动航空时代的展望

2022.05.19

从去年开始,我们公众号发布了几篇关于飞控、导航等系统的科普文章,当初决定写这些文章的出发点是因为我们认为一位真正优秀的技术人员,是应该具备把硬核的技术讲得通俗易懂的表达能力的。因此,我们借公众号文章来“折磨”公司这些年轻的研发工程师,让他们走出舒适区,抽点时间做研究,通过写科普文章来进一步加深自己的技术领域的理解。

然而没想到的是,很多不同领域的朋友开始关注我们公众号,并表示十分喜欢我们的文章,而且在最近追问我们何时再更新。这让我们倍感压力,所以我们只好把压力转化为动力,继续“折磨”公司的技术人员。

在久未更新之后,我们今天将继续沿着之前的“硬核”科普思路,这次的内容是关于航电系统架构方面的,希望借此机会与各位朋友探讨新兴的电动航空时代下,航电架构发展的趋势和面临的挑战。

航空电子(Avionics),简称航电,是指飞机上所有电子系统的总和。一般分为传感器系统(惯性导航系统、大气数据计算机、雷达、各种无线电导航接收机等)、控制系统(飞行控制系统、发动机控制系统等),以及作为人-机接口的综合电子显示系统。

 

民航客机航电架构的演变历程

联合式架构

上世纪70到90年代,民航客机的航电系统均遵循联合式架构。所谓联合式架构,是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。典型例子是空客A320系列。

 

联合式架构的优点很明显: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。

但缺点也很明显,下面以空客A320为例说明:

  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。

 

封闭式IMA架构

IMA(Integrated Modular Avionics,综合模块化航电)架构为不同系统提供了计算、通信和IO资源共享池,可以灵活地分配备用容量,从而减少硬件的数量,很好的解决了联合式架构存在的LRU之间无法共享资源、重量过大且管理复杂等问题。

1995年,霍尼韦尔开发了波音777的信息管理系统AIMS,这被认为是第一代IMA架构。这种航电系统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。

 

 

同时,AIMS架构还优化了资源的分配,最大限度地减少未使用的计算资源,带来航电系统重量和功耗的大幅减少。

然而,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。
  3. 由于AIMS封闭式的特点,AIMS也被称为封闭式IMA架构。

 

开放式IMA架构

在波音777成功实施了IMA后,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Tier 1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Tier 1合作关系方面,联合式架构时代的主机厂和供应商之间很少在研发层面进行合作;封闭式IMA架构时代,双方的合作方式紧密但封闭;而新一代的航电系统,双方的合作关系又有新的变化。这时的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)。

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。

 

 

 

此外,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)的元素,它主要用于连接AFDX网络和一些子系统,比如有两个RDC用于燃油量管理,三个RDC用于起落架和制动系统。

开放式IMA架构的缺点是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。例如,空客A380需要7种不同的CPIOM变体,才能将所有子模块放置在飞机的航电设备舱内,再通过这些特定的IO接口连接各自的传感器和执行器,额外布线过多。

 

分布式IMA架构

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。

 

 

这种架构既使得工具具有更多的重用性,同时也节省了开发和认证的时间。

在波音777和空客A380的下一代的民航客机上,如空客A350和波音787使用更加分布式的架构,硬件的通用性变得更强,RDC得到更多的应用,这种架构被称为分布式IMA。

 

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。

 

电动航空时代航电系统架构的展望

随着电动航空时代的到来,飞机的智能化、产业链上下游技术的迭代和对用户体验的极致追求拉动了航电系统架构的变化,带来了新的挑战。那么未来的航电系统架构会是什么样的?我们在这里做一些大胆的预测:

 

通信总线

纵观整个民用客机的航电架构的发展史,可以很清晰的看到总线的发展对航电架构变化的关键作用:从早期的低速单工ARINC429到现在的高速AFDX,都影响着航电架构的走向。

新技术的出现绝大多数都是来自需求的驱动,由于双工传输的需求,驱动了ARINC629的出现;由于大带宽高速率的传输需求,驱动了背板总线SAFEBus和AFDX的出现。眼下,在自动驾驶、AI、交互和智能交通等行业的推动下,民用飞机所需的功能和软件复杂度在持续增加。进而驱动了更高速率、更加可靠、网络拓扑更丰富的总线类型出现。

在各种总线技术中,基于时间触发的TTE/TTP技术值得更多的期待。这种技术以时间触发总线的全局时间作为触发网络运行的基础。与基于事件触发的总线系统相比较,时间触发机制实现的系统具有故障分区隔离、资源利用率高、精确系统诊断、可组合性好等优点。

TTE/TTP技术作为一种全新的总线技术,在航空、航天领域中的应用仍然处于起步阶段,要实现成熟应用还需要突破不少关键技术的限制,包括时间调度表设计、时间同步技术、时间调度动态调整技术,同时还需要更多成熟的配套产品及相关的应用验证。

 

系统架构

汽车电子电气架构的发展趋势,已经逐步从分散式E/E架构向集中式E/E架构转变,一些主车厂(如宝马、大众和捷豹路虎)和Tier 1供应商(如德尔福、恩智浦和博世)已经将集中化的解决方案进行商业化,并主张将集中化作为未来的E/E架构趋势。关于集中式E/E架构博世曾发布过一个预期演变,即从领域集中式发展到跨域集中式,再到最后的车辆集中式架构。汽车领域的集中式架构的基本思想是集中处理车辆中各个域、域组或整车级别上的功能。

与汽车E/E架构发展历史对比,飞机航电系统架构的演变趋势十分相似,从最开始的联合式架构,再到IMA的引入,到最后AFDX、RDC等新技术和分布式架构的应用。

目前在大型民航客机领域,波音和空客的IMA架构存在较大差异:波音模式更倾向于集中式主机柜,而空客更倾向于分布式。

至于小型的电动飞机,如客运eVTOL和电动通航飞机,作为安全关键系统的航电系统,安全要求不会下降,但对于重量、体积、功耗和成本等要求更加苛刻。因此,我们认为,在可预见的未来,电动飞机的航电系统将有以下几个特点:

 

分布式架构

具有分布式的硬件处理模块(类似于CPIOM),内部结构分为处理器单元、IO单元以及通信端点。其中处理器平台为高性能处理器平台,以应对客户复杂的应用需求;同时具有分布式通用的数据处理模块,靠近外设(类似于cRDC),以应对复杂的外设需求,减少数据传输;

 

统一的总线

统一的数据通讯总线,在满足控制系统的确定性和安全性需求,又满足任务系统的数据突发的需求的前提下,减少模块间交互的耦合性;

 

软硬件解耦

统一的软硬件实现标准以及完整的开发生态使得应用层软件的修改和编译,不需要变动中间件、底层软件和硬件,航电系统有更强的兼容性、扩展性,并且支持OTA升级。

 

主机厂和Tier 1供应商的合作关系

当架构的演变朝着“分布式架构、统一的总线、软硬件解耦”这个方向前进时,这代表主机厂在软件方面拥有更多的“主导权”,需要组建更加强大的软件团队来满足日渐增加的功能需求,同时,在标准没有完全形成之前的当下,主机厂与Tier 1供应商的合作变得十分紧密,包括总线标准、架构设计、软件的中间件、应用层开发的工具链等,都需要在早期由主机厂和供应商共同定义和设计。

未来,Tier1航电系统供应商则会有两种演变趋势:第一,变成Tier 1.5,只做硬件和底层软件,包括算法在内的应用层软件交给主机厂;第二,变成Tier 0.5,为主机厂提供全栈的软硬件方案,主机厂更多精力投入到顶层设计、系统集成、生产制造,甚至渗透到运营层面。

民航客机航电系统的整体架构和各项技术经历了多年的发展,目前面对新的电动化、智能化、运营场景丰富化等挑战,将在架构、总线、软硬件标准等方面做出更适合市场的演变,并催生出更高效率的上下游合作关系。

以上内容只是我们基于过去在航空领域的项目经验得到的浅薄理解,希望借此机会与更多从业者和爱好者共同交流,为新兴的电动航空贡献自己的一份力量。

 

参考文献:

1、Civil avionics systems (second edition).lan moir,allan seabridge and Malcolm jukes.

2、G. Wang and Q. Gu. Research on distributed integrated modular avionics system architecture design and implementation. In 2013 IEEE/AIAA 32nd Digital Avionics Systems Conference (DASC), October 2013.

3、ARINC 429 Protocol Tutorial. AIM GmbH, November 2010.

4、Avionics Application Software Standard Interface: ARINC Specification 653. Aeronautical Radio,Inc., January 1997.

5、RTCA DO-297, Integrated Modular Avionics (IMA) Development: Guidance and Certification Considerations. RTCA, Incorporated, November 2005.

6、Y. Isik. ARINC 629 Data Bus Standard on Aircrafts. In Recent Researches in Circuits, Systems,Electronics, Control and Signal Processing - 9th WSEAS International Conference on CIRCUITS,SYSTEMS, ELECTRONICS, CONTROL & SIGNAL PROCESSING (CSECS ’10). WSEAS Press,December 2010.

7、C. R. Spitzer, editor. The Avionics Handbook. The Electrical Engineering Handbook Series. CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 1st edition, 2001.

8、C. Fuchs. The Evolution of Avionics Networks From ARINC 429 to AFDX. 65, January 2012.

 

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