一文看尽航空电子系统的发展历程

航空电子系统，简称航电系统，是飞机上所有电子设备的总和，常被形象的称之为飞机上的中枢神经系统，其英文“acvoinics”是由“aviation(航空)”和“electronics(电子学)”两词相结合所派生出来的。航电系统作为现代飞机中的重要组成部分，在飞机的总成本中已经高达30%-40%，它的设计水平直接影响到飞机的安全性和可靠性，同时也影响到飞机的经济性和舒适性。

不同类型的飞机根据其任务使命和应用环境不同，其航电系统的组成、功能和配置有一定区别，但总体上看，航电系统主要功能是在飞机运行过程中，根据其任务需要和环境特点，完成信息采集、任务管理、导航引导等基本飞行过程，为飞行机组提供基本的人机接口，保障飞机安全、可靠的完成相关任务。通常而言，军民用飞机通用的航空电子系统主要包括：

核心处理系统：以核心处理计算机、机载嵌入式实时操作系统和机载总线网络等为基础，完成机上设备的互联互通，为各项系统任务提供基本的处理平台。

综合显示系统：为机组人员提供全面、直观的飞行信息显示，如航向信息、姿态信息、高度信息、空/地速、位置信息、告警信息等，帮助机组人员准确及时地了解飞行状态和系统性能，从而更加安全高效的完成飞行操作任务。

通信系统：主要用途是使飞机与外部保持双向的语音和数据传输，确保飞机与地面之间建立稳定的通信联络。

导航系统：通过多种导航传感器实时采集并解算飞机运行信息，为飞行中的飞机提供瞬时位置、方位等信息，从而引导飞机按照预定航线飞行。根据工作原理的不同，飞机导航系统又分为仪表导航系统、无线电导航系统、惯性导航系统等。

飞行管理系统：根据飞机的实际任务需要，完成飞行过程中的航迹预测、自动控制和性能优化等工作，确保飞机的飞行航迹和剖面能够满足执行相关任务的需要。

机载维护系统：实时接收、汇总和分析机上各系统提供的相关数据，及时发现、诊断和定位相关机载系统和设备的故障状况，并有针对性的制定并采取相关的维护策略，从而保证飞机的可靠运行。

从上世纪初至今，伴随着航电设备的不断革新，航电系统也在不断发展演变，从20世纪40~50年代的分立式航空电子系统，到60~70年代的联合式航空电子系统，再到80~90年代的综合式航空电子系统，最后发展2000年之后的先进综合式航空电子系统。

最早期的航电系统由许多“独立的”子系统组成，如雷达、通信、导航等设备，它们各自都有专用且相互独立的天线、数据采集与处理单元以及显示器等，每个子系统必须依赖于飞行员的操作(输入)，飞行员必须不断从各子系统接收信息，以保持对关键系统及飞行状态的了解。此阶段飞机的整个系统不由中央计算机控制，严格意义上不能称之为航空电子系统，相互独立的航电设备不能进行大量的信息和数据交互，因此通常将早期的航电系统称之为分立式航空电子系统，其代表机型有F-100、F-101等早期二代战机，它们均使用了典型的分立式结构。

这种分立式航空电子系统由于缺乏中心计算机对整个航电系统的控制，系统中的每个功能模块都有各自的传感器、控制器、显示器，并采用点对点的方式连接，从而使整个系统难以实现大量的信息交换，导致互连电缆繁多、占用空间大，飞行员在操作过程中面临着大量的数据处理，导致具有较高的出错率、误判率。

面对分立式航空电子系统存在的不足，20世纪60、70年代，美国空军莱特实验室提出了“数字式航空电子信息系统(DAIS)”，构建了以数据总线和综合显示控制为标志的联合式航空电子系统。该结构通过采用标准的网络式数据总线(如1553B总线)将系统电子设备子系统进行交联，实现信息的统一调度，简化了航电设备之间的连接，很大程度上减轻了飞机中电缆的重量，其中通信、导航和飞行控制与地形跟随等功能子系统中的信息处理和操作由标准的机载计算机完成，各子系统都作为功能部件连接到多路总线上，同时各子系统又是独立的计算机系统，各设备前端和处理部分均独立。信息链的后端控制与显示部分综合在一起，显示和控制的信息通过数据总线与各子系统进行交换，并通过任务软件进行综合控制和显示，从而实现设备之间的信息和资源共享，提高了系统的性能，其代表机型有F-15/F-16、F-18等典型三代战机早期型号。

相比于分立式航空电子系统，联合式航空电子系统采用集中控制、分布处理以及模块化软件的设计思想，全机统一调度和管理，并采用综合可控制与显示技术，实现了信息和资源共享，提高了飞行员的人机功效，并且便于维护、更改和功能扩展。但是，此阶段的航电各子系统仍使用专用的硬件和软件资源，仅对显示和控制进行了综合，整体综合程度低，并且数据总线带宽不足，如1553B总线的信号传输速率为1 Mb/s，无法满足新的系统数据传输要求。

20世纪80年代，以美国“宝石柱(Pave Pillar)”计划为基础建立起了一种新的典型航空电子系统，即综合式航空电子系统，其主要技术特点为提出了功能区的概念，将航电系统划分为传感器子系统区、数字信号处理区、任务管理区和飞机管理区，形成了模块化的航空电子综合系统结构，系统之间采用了高速数据总线进行传输，各个功能区中使用了一些相同的通用模块，并且能够安装在相同的设备架中，实现了高度模块化和二级维修。与此同时，整个航电系统由通用的数据处理机组成其核心处理系统，把系统综合层从显示控制推到数据信息处理，采用统一处理器对飞机上各种航电设备的信息进行统一的处理，并将功能相同或相近的设备组合在一个组件内，在显示器上综合显示相关的参数，在各航电设备之间通过机载数据总线来传送有关信息，从而使整个飞机上所有航电设备的性能达到更高的水平，被誉为“猛禽”的美国F-22战斗机便是采用了这种综合式航电系统架构。

相比于联合式航空电子系统，综合式系统对信号处理和控制/显示功能进行了更大范围的综合，结构更加层次化，整个系统按功能划分为横向的层次，在每个功能区层次上实现更深度的综合，在综合化、传输速率、成本上有了进一步提高，并且通用模块系列的应用也极大提高了系统可靠性，大大降低了飞机生命周期成本。

20世纪90年代初，美国空军莱特实验室继“宝石柱”计划之后，开启了一项功能更完善、性能更先进的高度综合的航空电子系统计划，即“宝石台(Pave Pale)”计划，研制了一种先进综合式航空电子系统，其继续沿用了“宝石柱”结构思想，并进一步改善系统结构以实现更广泛、更高级的功能综合和传感器融合，并且也进一步优化了机载通信网络解决实时控制问题。与此同时，将综合化和模块化推广到核心处理部分，对核心处理部分进行了综合和模块化设计，系统结构更加开放，各个功能模块通过组件封装达到了高度通用化，各个功能模块可以相互替换或组合在一起完成总系统的综合性任务，大大提高信息处理效率和系统可靠性。

以美国F-35战斗机为代表，采用了先进综合式航空电子系统，其主要技术特点为多功能综合射频系统，高度综合的传感器系统，功能强大的综合核心处理机，综合高效的电子战系统，友好的人机界面，下视显示器，头盔显示器，综合完善的通信、导航与识别系统，高度可靠的飞机管理系统，这也使美国F-35战斗机成为了当今战斗机技术的领导者。

结束语：经历了近一个世纪的发展，航电系统已从单功能子系统的松散组合不断发展到物理和功能上都高度综合的信息密集的整体，伴随着未来科技的不断进步，航电系统也必将继续沿着更加综合化、信息化、通用化和智能化的方向向前发展，相信有一天，飞机航电系统在功能、性能以及综合效能都将有更进一步的飞跃。

来源：航电知识

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