航空電子理論基礎(chǔ)知識
航空電子是指飛機上所有電子系統(tǒng)的總和。一個最基本的航空電子系統(tǒng)由通信、導(dǎo)航和顯示管理等多個系統(tǒng)構(gòu)成。下面是小編為大家分享航空電子理論基礎(chǔ)知識，歡迎大家閱讀瀏覽。
歷史
在上世紀70年代之前，航空電子(Avionics)這個詞還沒有出現(xiàn)。那時，航空儀表，無線電，雷達，燃油系統(tǒng)，引擎控制以及無線電導(dǎo)航都是單獨的，并且大部分時候?qū)儆跈C械系統(tǒng)。航空電子誕生于20世紀70年代。伴隨著電子工業(yè)走向一體化，航空電子市場蓬勃發(fā)展起來。在70年代早期，全世界90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用在軍用飛機上。到了90年代，這個比例已不足1%。從70年代末開始，航空電子已逐漸成為飛機設(shè)計中一個部門。推動航電技術(shù)發(fā)展的主要動力來源于冷戰(zhàn)時期的軍事需要而非民用領(lǐng)域。數(shù)量龐大的飛機變成了會飛的傳感器平臺，如何使如此眾多的傳感器協(xié)同工作也成為了一個新的難題。時至今日，航電已成為軍機研發(fā)預(yù)算中最大的部分。粗略地估計一下，F(xiàn)-15E、F-14有80%的預(yù)算花在了航電系統(tǒng)上。航空電子在民用市場也正在獲得巨大的成長。飛行控制系統(tǒng)(線傳飛控)，苛刻空域條件帶來的新導(dǎo)航需求也促使開發(fā)成本相應(yīng)上漲。隨著越來越多的人將飛機作為自己出行的首要交通工具，人們也不斷開發(fā)出更為精細的控制技術(shù)來保證飛機在有限的空域環(huán)境下的安全性。同時，民機天然要求將所有的航電系統(tǒng)都限制在駕駛倉內(nèi)，從而使民機在預(yù)算和開發(fā)方面第一次影響到軍事領(lǐng)域。
設(shè)計約束
飛機上的任何設(shè)備都必須滿足一系列苛刻的設(shè)計約束。 飛機所面臨的電子環(huán)境是獨特的，有時甚至是高度復(fù)雜的。制造任何飛機都面臨許多昂貴，耗時，麻煩和困難的方面，而適航性認證則是其中之一。隨著飛機及機組人員愈來愈依賴于航電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的健壯性便變得非常重要了。建造航空電子系統(tǒng)的一個必要因素就是要求飛行控制系統(tǒng)在任何時候都不能失效。然而，飛機上任何一種系統(tǒng)都對健壯性有一定程度的要求。
集成
從航空電子工業(yè)的發(fā)軔時期開始，如何將及其眾多的電子系統(tǒng)連接起來，密切有效地使用各種信息就是一個令人頭疼的問題。當初如何在離散數(shù)據(jù)線上傳遞開關(guān)變量的簡單問題，而今已演化為如何協(xié)調(diào)光線數(shù)據(jù)總線上傳遞的飛行控制數(shù)據(jù)的繁雜問題�？涨皬�(fù)雜的軟件也被用以應(yīng)付空前苛刻的航空標準。 在今天，系統(tǒng)集成已成為飛機工程師們所面臨的最大問題。不管一架飛機如何小，一定程度的集成也是必不可少的(例如電力供應(yīng))。大型飛機項目(像軍用及民用)經(jīng)常需要數(shù)百名工程師來集成這些復(fù)雜系統(tǒng)。
物理環(huán)境
飛行環(huán)境不同，系統(tǒng)用途各異。某些系統(tǒng)需要比其他更為健壯。今天所有的航空電子系統(tǒng)都需要通過特定水平的環(huán)境測試。所以魯棒性設(shè)計日益重要。測試的形式多種多樣，許多飛機生產(chǎn)商更會預(yù)先規(guī)定如何測試。隨著航電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種適航認證(如英國的CAA或美國的FAA)制定了這些設(shè)備必須滿足的性能標準。制造商們則在此基礎(chǔ)上制定了這些設(shè)備必須滿足的環(huán)境標準。這些標準規(guī)定了航電制造商所必須遵循的飛機零件測試方法及等級。例如鹽水噴射，防水性，模具成長，以及外部污漬之類的測試。 目前提供給制造商的這類航電標準有BS 3G 100, MIL-STD-810, DEF STAN 00-35等等。在進行每一項單獨測試前，我們首先得評估其是否適用。例如，鹽水噴射測試對裝在密封架內(nèi)的設(shè)備就沒有什么必要。制造商們通過交叉引用這些標準，維護測試等級，經(jīng)常會生成更為通用的需求。這些需求并不規(guī)定性能，而是對設(shè)備的操作環(huán)境的一種描述。
電磁兼容性
眾所周知，EEE, 電磁兼容性(EMC)是一項評估電力電子系統(tǒng)相互影響的活動。在飛機世界里，電磁兼容性可導(dǎo)致各種各樣的問題。飛機及其設(shè)備一般使用測試范圍更廣的特定標準，如DEF Stan 59-41, MIL-STD-464等。
振動
即使是最平穩(wěn)的飛機(如民航干線飛機)，振動也是一個非常嚴重的問題，對可靠性影響很大。更不用說像直升機那樣顛簸的飛機，振動已成為設(shè)計中最主要的驅(qū)動因素。雖然有一些針對振動問題的飛機標準，但許多設(shè)計者們并沒有意識到它們。共振問題對于每一架出廠飛機固然不同，更不用說對不同型號的飛機了。
系統(tǒng)安全性
飛機上的所有零部件都要定期接收系統(tǒng)安全性分析。在航電領(lǐng)域，這項工作主要是由各個國家的適航認證部門來執(zhí)行的。對于民機，總是由FAA或者EASA(JAA)來認證其安全性。對于軍機，雖然也有一些世界標準，但大部分軍機買方認證執(zhí)行的是當?shù)貥藴?如DEF Stan 00-56)。在飛機設(shè)計中，安全性設(shè)計一般表述為可靠性及耐用性，極大地影響著飛機設(shè)計方法。任何應(yīng)用于航電系統(tǒng)的軟件都要接受嚴格的安全性審查。
質(zhì)量
航空電子設(shè)備的采購在全球范圍內(nèi)已被少數(shù)幾大巨頭所壟斷。通過提供“盒裝部件”，即所謂的LRU(航線可更換組件)，打包，測試以及配置管理等活動，他們幾乎壟斷了整個航空電子產(chǎn)業(yè)。 對于任何工業(yè)領(lǐng)域，質(zhì)量控制都是一個非常重要的部分。而在航空領(lǐng)域，航電產(chǎn)品供貨商則可能毀了整個方案(參看波音Chinook事件)。如今ISO 9001所頒布的質(zhì)量標準雖然已被主要工業(yè)所采用，而主要的飛機制造商對于他們所交付的文檔和硬件還有更為嚴格的標準。人們經(jīng)常說飛機不是依靠燃油飛行，而是依靠文檔工作來飛行。因為任何一個LRU(一個無線電設(shè)備或儀器)都要產(chǎn)生大量的文檔。
主要領(lǐng)域
如同電子學(xué)一樣，航空電子學(xué)是個龐大的學(xué)科，對其簡單分類很不容易。下文試圖介紹一些感興趣的領(lǐng)域，由此你可以深入研究它們。
飛機電子系統(tǒng)
在任何飛機上，駕駛艙都處于航電系統(tǒng)中最顯著的位置。這也是最困難和最有爭議的問題。所有可以直接控制飛機安全飛行的系統(tǒng)都可以由飛行員直接控制。那些對飛機安全性很關(guān)鍵的系統(tǒng)也都指向航電系統(tǒng)。
通信系統(tǒng)
也許是航電系統(tǒng)中最先出現(xiàn)的，飛機和地面的通信能力從一開始就是至關(guān)重要的。遠程通信爆發(fā)式的增長意味著飛機(民機和軍機)必須攜帶著一大堆的通信設(shè)備。其中一小部分提供了關(guān)乎乘客安全的空地通信系統(tǒng)。機載通信是由公共地址系統(tǒng)和飛機交互通信提供的。
導(dǎo)航系統(tǒng)
本文所關(guān)注的導(dǎo)航其含義為如何確定地球表明以上的位置和方向。在通信系統(tǒng)出現(xiàn)不久，飛行能力就受限于上述這些條件了。從早期開始，為了飛行安全性，人們就開發(fā)出導(dǎo)航傳感器來幫助飛行員。除了通信設(shè)備，飛機上現(xiàn)在又安裝了一大堆無線電導(dǎo)航設(shè)備。
顯示系統(tǒng)
航電系統(tǒng)的獨立出現(xiàn)是緊隨這些功能的集成工作之后的。很早之前，生產(chǎn)商們就努力開發(fā)更可靠和更好的系統(tǒng)來顯示關(guān)鍵的飛行信息。真正的玻璃駕駛倉是在最近5年才出現(xiàn)的。LCD或者CRT經(jīng)常會倒退回傳統(tǒng)的儀表。如今，LCD顯示的可靠性已足以讓“玻璃”顯示成為關(guān)鍵備份。但這只是表面因素。顯示系統(tǒng)負責檢查關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能讓飛機在嚴苛的環(huán)境里安全的飛行。顯示軟件是以飛行控制軟件同樣的要求開發(fā)出來的，他們對飛行員同等重要。這些顯示系統(tǒng)以多種方式確定高度和方位，并安全方便地將這些數(shù)據(jù)提供給機組人員。
飛行控制系統(tǒng)
多年來，平直翼飛機和直升機的自動控制飛行的方式是不同的。這些自動駕駛系統(tǒng)在大部分時間里(比如巡航或直升機懸停時)減少了飛行員的工作負荷和可能出現(xiàn)的失誤。第一個簡單的自動駕駛儀用于控制高度及方向，它可以有限地操控一些東西，如發(fā)動機推力和機翼舵面。在直升機上，自動穩(wěn)定儀起同樣的作用。直到最近，這些老系統(tǒng)仍自然而然地利用電子機械。
防撞系統(tǒng)
為了增強空中交通管制，大型運輸機和略小些的'使用空中防撞系統(tǒng) (Traffic Alert and Collision Avoidance System 交通警告及防撞系統(tǒng))，它可以檢測出附近的其他飛機，并提供防止空中相撞的指令。小飛機也許會使用簡單一些的空中警告系統(tǒng)，如TPAS，他們以一種被動方式工作，不會主動詢問其他飛機的異頻雷達收發(fā)器信號，也不提供解決沖撞的建議。為了防止和地面相撞，飛機上安裝了諸如近地警告系統(tǒng)(GPWS, Ground Proximity Warning System),這種系統(tǒng)通常含有一個雷達測高計。新的系統(tǒng)使用gps和地形和障礙物數(shù)據(jù)庫為輕型飛機提供同樣的功能。
氣象雷達
氣象系統(tǒng)如氣象雷達(典型如商用飛機上的ARINC 708)和閃電探測器對于夜間飛行或者指令指揮飛行非常重要，因為此時飛行員無法看到前方的氣象條件。暴雨(雷達可感知)或閃電都意味著強烈的對流和湍流，而氣象系統(tǒng)則可以使飛行員繞過這些區(qū)域。在最近，駕駛艙氣象系統(tǒng)有了三項最重要的改革。首先，這些設(shè)備(尤其是閃電探測器如Stormscope或Strikefinder)已便宜了很多，甚至可以裝備在小型飛機上了。其次，除了傳統(tǒng)雷達和閃電探測器，通過連接衛(wèi)星數(shù)據(jù)，飛行員可以獲得遠超過機載系統(tǒng)本身能力的雷達氣象圖像。最后，現(xiàn)代顯示系統(tǒng)可以將氣象信息和移動地圖，地形，交通等信息集成在一個屏幕上，大大方便了飛行。
飛機管理系統(tǒng)
飛行管理系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀70年代，在原有的自動導(dǎo)航及通信控制及其他電子系統(tǒng)的技術(shù)上發(fā)展起來的�？铝炙�(Collins)和霍尼韋爾(Honeywell)公司分別在其參與研發(fā)的麥道和波音飛機上率先引入集成的飛行管理系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進步，飛行管理系統(tǒng)的重要性不斷提高，成為飛機上最重要的人機交互接口。集成了飛飛行控制計算機，導(dǎo)航及性能計算等功能。中央計算機加上顯示和飛行控制系統(tǒng)，這三個核心系統(tǒng)使飛機上的所有系統(tǒng)(不僅僅是航電系統(tǒng))更易于維護，更易于飛行，更安全。引擎的監(jiān)控和管理很早就在飛機地面維護方面取得了一定進展。如今這種監(jiān)控管理已經(jīng)最終延伸到飛機上的所有系統(tǒng)，并且延長了這些系統(tǒng)和零部件的壽命(同時降低了成本)。集成了健康及使用狀況監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS，Health and Usage Monitor Systems)后，飛機管理計算機就可以及時報告那些需要更換的零件。有了飛機管理計算機或者飛行管理系統(tǒng)，機組人員就再也用不著一張張地圖和復(fù)雜的公式了。再加上數(shù)字飛行公文包，機組人員可以管理到小至每一個鉚釘?shù)娜魏畏矫妗ｋm然航電設(shè)備制造商提供了飛行管理系統(tǒng)，不過目前還是傾向于由飛機制造商提供飛機管理和健康及使用狀況監(jiān)控系統(tǒng)。因為這些軟件依賴于它們裝載在何種飛機上。
戰(zhàn)術(shù)任務(wù)系統(tǒng)
航空電子的主要發(fā)展方向已轉(zhuǎn)向“駕駛艙背后”。軍用飛機或者是用來發(fā)射武器，或者是變成其他武器系統(tǒng)的眼睛和耳朵。緣于戰(zhàn)術(shù)需要，大堆的傳感器裝在軍用飛機上。更大的會飛的傳感器平臺(如E-3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1)除了飛機管理系統(tǒng)，還會安裝任務(wù)管理系統(tǒng)。隨著精巧的軍用傳感器的廣泛應(yīng)用，它們已變得無所不在，甚至已流入軍黑市。警用飛機和電子偵察機如今則攜帶著更為精密的戰(zhàn)術(shù)傳感器。
軍用通信系統(tǒng)
民機通信系統(tǒng)為安全飛行提供了骨干支持，而軍用通信系統(tǒng)則主要用于適應(yīng)嚴酷的戰(zhàn)場環(huán)境。軍用極高頻(UHF), 甚高頻(VHF)(30-88Mz)通信和使用ECCM方法的衛(wèi)星通信，再加上密碼學(xué)，一起構(gòu)成了戰(zhàn)場上安全的通信環(huán)境。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，如Link 11, 16, 22和BOWMAN, JTRS, 甚至是TETRA提供了數(shù)據(jù)(如圖像，目標信息等)傳輸方法。
雷達
空中雷達是主要的作戰(zhàn)傳感器之一。它和其地面基站一起，如今已發(fā)展得非常復(fù)雜。空中雷達最引人注目的一個變化就是可以在超遠距離內(nèi)提供高度信息。這類雷達從早期預(yù)警雷達(AEW)，反潛雷達(ASW)，一直到氣象雷達(ARINC 708)和近地雷達。軍用雷達有時用來幫助高速噴氣飛機低空飛行。雖然民用市場上的氣象雷達偶爾也作此用，但都有嚴格的限制。
聲納
聲納是緊隨著雷達出現(xiàn)的。好多軍用直升機上安裝了探水聲納，他們可以保護艦隊免遭來自潛艇和水面敵艦的攻擊。水上支援飛機可以釋放主動或被動式聲納浮標，他們也用以確定敵方潛水艇的位置。
光電系統(tǒng)
光電系統(tǒng)覆蓋的設(shè)備范圍很廣，其中包括前視紅外系統(tǒng)(Forward Looking Infrared)和被動式紅外設(shè)備 (Passive Infrared Device, PIDS)。這些設(shè)備都可以給機組提供紅外圖像。這些圖像可以獲得更好的目標分辨率，從而用于一切搜救活動。
電子預(yù)警
電子支援(ESM, Electronic Support Measure)以及防御支援(DAS, Defensive Aids)常用于搜集威脅物或潛在威脅物的信息。它們最終用于發(fā)射武器(有時是自動發(fā)射)直接攻擊敵機。他們有時也用以確認威脅物的狀態(tài)，甚至是辨識它們。
機載網(wǎng)絡(luò)
不管是軍用的，商用的，還是民用先進機型的電子系統(tǒng)都是通過航空電子總線相互連接起來的。這些網(wǎng)絡(luò)在功能上和家用電腦網(wǎng)絡(luò)十分相似，然而在通訊和電子協(xié)議上區(qū)別很大。下面簡要列出最常見的航空電子總線協(xié)議及其主要應(yīng)用：
Aircraft Data Network (ADN): 飛機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
AFDX: 商用飛機上 ARINC 664 的特定實現(xiàn)
ARINC 429: 商用飛機
ARINC 664: 參照上述ADN
ARINC 629: 商用飛機(波音 777)
ARINC 708: 商用飛機上的氣象雷達
ARINC 717: 商用飛機上的飛行數(shù)據(jù)記錄儀
MIL-STD-1553: 軍用飛機
警用及空中救護
警用及空中救護飛機(大部分屬直升機)現(xiàn)在已成為一個重要的市場。軍機現(xiàn)在也常常用來幫助應(yīng)對民間的非暴力不合作事件。警用直升機幾乎都安裝了視頻或紅外熱成像儀，這樣就可以追蹤嫌疑犯或任何他們感興趣的東西。警用直升機也安裝了探照燈和擴音喇叭，這和警車上的用途是一樣的。很顯然，空中救護或急救直升機上需要醫(yī)療器械，而這些很少被當作航空電子設(shè)備。然而，很多急救和警用直升機需要在一些令人不安的環(huán)境中飛行，這就需要更多的傳感器，其中一些直到最近還被認為是純粹的軍機設(shè)備。
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