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1民用飞机航空电子系统综述1

1.1引言1

1.1.1航空电子的范畴1

1.1.2民用飞机航空电子发展回顾1

1.2民用客机对航空电子系统的要求3

1.2.1安全性3

1.2.2经济性5

1.2.3环保性6

1.2.4舒适性7

1.2.5适航性7

1.3大型客机航空电子的特点和展望8

1.3.1大型客机航空电子系统的组成8

1.3.2大型客机航空电子系统的特点和展望10

1.4民用客机航空电子系统的主要标准和规范19

1.4.1航空无线电技术委员会（RTCA）20

1.4.2航空无线电公司（ARINC）20

1.4.3美国汽车工程师协会（SAE）21

1.4.4中国民航技术标准规定（CTSO）22

参考文献22

2综合化模块化航空电子系统23

2.1引言23

2.2综合模块化航空电子系统24

2.2.1综合模块化航空电子系统综述24

2.2.2综合模块化航空电子系统定义24

2.2.3 IMA开发考虑27

2.2.4 IMA认证任务30

2.2.5 IMA验证过程34

2.3安全性评估过程36

2.3.1安全性评估综述36

2.3.2功能危害性评估36

2.3.3初步系统安全性评估38

2.3.4系统安全性评估39

2.4安全性评估分析方法39

2.4.1故障树分析39

2.4.2失效模式与效果分析40

2.4.3共因分析41

2.5综合系统的测试42

2.5.1概述42

2.5.2综合系统的测试方法44

参考文献50

3飞行管理系统52

3.1引言52

3.2系统功能53

3.2.1基本概念53

3.2.2系统功能55

3.3功能设计准则63

3.3.1导航管理63

3.3.2性能管理71

3.3.3分段爬升/下降准则73

3.3.4灵活推力管理73

3.3.5可持续发展环保76

3.4自主发展之路80

参考文献82

4飞行控制系统83

4.1概述83

4.1.1飞机的飞行控制83

4.1.2飞机飞行控制系统发展历程86

4.1.3飞机飞行控制系统功能需求91

4.2主飞行控制系统91

4.2.1主飞行控制系统功能92

4.2.2系统控制策略99

4.2.3操纵系统体系架构配置选择、系统可靠性及飞行安全性评估105

4.2.4电传操纵系统体系结构109

4.3自动飞行控制系统113

4.3.1自动驾驶仪114

4.3.2飞行指引116

4.3.3自动油门117

4.3.4自动着陆117

4.4机翼增升装置操纵系统119

4.5民用飞机飞行控制系统发展趋势120

4.6国外典型民用飞机飞行控制系统分析120

4.6.1 A320飞机120

4.6.2 A380飞机122

4.6.3 737NG飞机124

4.6.4 B777/B787飞机125

4.6.5空客和波音电传飞控系统差异分析128

参考文献130

5驾驶舱显示与控制系统131

5.1概述131

5.1.1引言131

5.1.2驾驶舱显示与控制系统组成131

5.1.3驾驶舱显示与控制系统发展历程132

5.2多功能显示器134

5.2.1引言134

5.2.2显示特性要求135

5.2.3阴极射线管138

5.2.4液晶显示器142

5.2.5数字化微型反光镜显示器（DMD）148

5.3平视显示器148

5.3.1基本原理149

5.3.2特性要求149

5.3.3光学系统152

5.3.4组成154

5.4合成视景系统158

5.4.1合成视景技术发展背景158

5.4.2合成视景技术的应用159

5.4.3合成视景显示系统160

5.4.4新一代增强/合成视景系统163

5.4.5结言163

参考文献164

6总线与网络165

6.1机载网络/总线技术概述165

6.1.1网络拓扑结构的发展165

6.1.2常用机载网络与总线166

6.1.3事件触发与时间触发机制169

6.2 ARINC 429171

6.2.1设备互连171

6.2.2信号调制171

6.2.3通信延迟的计算172

6.2.4数据格式及定义173

6.3 CAN总线173

6.3.1 CAN总线简介173

6.3.2物理层协议175

6.3.3数据链路层协议175

6.3.4应用层协议——CANopen协议179

6.4 AFDX网络183

6.4.1通信原理183

6.4.2 AFDX终端186

6.4.3 AFDX交换机190

6.4.4链路191

6.4.5网络启动过程191

6.4.6 AFDX网络通信过程设计举例192

6.5 TTP总线194

6.5.1 TTP总线简介194

6.5.2 TTP总线协议栈196

6.5.3 TTP总线时间同步方法198

6.5.4网络启动过程199

6.5.5数据传输过程201

6.6 TTE网络203

6.6.1 TTE网络简介203

6.6.2时间同步协议205

6.6.3网络启动过程213

6.6.4 TTE网络综合214

6.7民用飞机网络/总线技术分析与比较215

6.7.1技术比较216

6.7.2技术分析218

6.7.3结言219

参考文献219

7航空电子软件工程环境与管理221

7.1引言221

7.2飞机系统的合格审定考虑——ARP4754222

7.2.1 ARP 4754与其他标准之间关系222

7.2.2航空电子系统开发过程模型222

7.2.3飞机级功能实现过程模型223

7.3机载系统和设备软件认证考虑——DO-178B224

7.3.1 DO-178B软件生成过程及目标定义224

7.3.2软件计划过程225

7.3.3软件开发过程226

7.3.4 软件集成过程229

7.3.5 航空电子软件安全性评估231

7.4航空电子软件工程开发模型232

7.4.1软件过程模型232

7.4.2软件过程支持工具242

7.5基于模型驱动的航电软件开发方法——Harmony/ESW244

7.5.1 Harmony/ESW方法244

7.5.2 Harmony/ESW过程245

7.5.3基于Harmony/ESW的航电软件开发环境实例248

参考文献251

8硬件结构与工程技术253

8.1通用硬件单元组织254

8.1.1通用核心处理系统硬件要求与特征254

8.1.2模块化结构资源配置与组织255

8.1.3通用处理模块256

8.1.4数字信号处理器258

8.1.5高速网络交换机259

8.1.6高速图形/图像处理机261

8.2硬件组织结构263

8.2.1分布式航空电子系统架构硬件组织263

8.2.2联合式航空电子系统架构硬件组织265

8.2.3综合化航空电子系统架构硬件组织266

8.3航空电子系统硬件开发要求268

8.3.1机载电子硬件设计保障指南——DO-254268

8.3.2系统硬件安全性定义269

8.3.3系统硬件开发设计过程270

8.3.4系统硬件开发确认与验证过程271

8.3.5系统硬件开发配置管理过程272

参考文献274

9航空通信275

9.1空地通信275

9.1.1历史275

9.1.2射频频谱275

9.1.3无线电台介绍276

9.1.4数据通信介绍277

9.1.5 ATC数据链介绍277

9.2语音通信278

9.2.1 VHF语音278

9.2.2 HF语音280

9.2.3选择呼叫系统281

9.2.4音频综合系统281

9.2.5语音通信发展282

9.3数据通信282

9.3.1 ACARS概述282

9.3.2 ACARS航空电子283

9.3.3 ACARS管理单元283

9.3.4 VHF子网络284

9.3.5 HF数据链285

9.3.6 VHF数据链285

9.4机载卫星通信287

9.4.1国际海事卫星287

9.4.2航空移动卫星通信287

9.4.3机载卫星通信的发展趋势289

9.5航空无线维护数据链（WMDL）289

9.5.1 WMDL概述289

9.5.2 WMDL现状290

9.5.3远程诊断290

9.5.4 WMDL的远景292

9.6未来通信292

参考文献293

10航空导航系统295

10.1引言295

10.1.1导航定义及基本要求295

10.1.2航空导航功能及系统性能要求295

10.1.3现状及发展296

10.2导航坐标系297

10.2.1惯性坐标系297

10.2.2地球坐标系298

10.2.3地理坐标系298

10.2.4平台坐标系299

10.2.5机体坐标系299

10.3航空导航系统分类299

10.3.1无线电导航300

10.3.2惯性导航300

10.3.3多普勒导航301

10.3.4卫星导航301

10.4无线电导航301

10.4.1简述301

10.4.2伏尔导航系统301

10.4.3则距仪系统302

10.4.4仪表着陆系统304

10.4.5自动定向仪305

10.4.6无线电高度表305

10.5惯性导航307

10.5.1简述307

10.5.2平台式惯性导航系统310

10.5.3捷联式惯性导航系统311

10.5.4航空机载陀螺仪表及惯性导航系统312

10.6卫星导航317

10.6.1简述317

10.6.2GPS全球定位系统317

10.6.3俄罗斯GLONASS全球导航卫星系统322

10.6.4欧洲Galileo全球导航卫星系统322

10.6.5中国北斗（BeiDou）导航卫星系统322

10.7组合导航323

10.7.1描述323

10.7.2松组合324

10.7.3紧组合325

10.7.4超紧组合325

10.8民用客机导航系统简介326

10.8.1简述326

10.8.2干线民用客机328

10.8.3支线民用客机330

10.8.4公务客机330

10.9基于性能的导航331

10.9.1简述331

10.9.2区域导航331

10.9.3所需导航性能332

10.9.4基于性能的导航334

参考文献335

11飞机环境监视系统337

11.1飞机环境监视系统337

11.2空中交通咨询及防撞系统337

11.2.1 TCAS概述337

11.2.2 TCAS工作原理341

11.2.3 TCAS机动策略345

11.3地形感知告警系统347

11.3.1 TAWS概述347

11.3.2 TAWS系统功能348

11.3.3 TAWS工作模式349

11.3.4 TAWS告警优先级355

11.4机载气象雷达356

11.4.1 WXR概述356

11.4.2 WXR系统功能361

11.5 S模式应答机366

11.5.1应答机的工作模式和编码规则366

11.5.2 S模式应答机主要功能和人机交互374

11.5.3 S模式应答机系统377

11.6综合环境监视系统378

11.6.1 AESS深度综合系统378

11.6.2 IAESS系统综合设计方案378

11.6.3 AESS系统在A380及B787上的应用386

11.7 AESS的相关标准388

11.7.1 AESS系统的标准388

11.7.2 TCAS388

11.7.3 S模式应答机388

11.7.4 WXR389

11.7.5 TAWS389

11.7.6参考文件390

附录 应答信号编码表391

参考文献393

12飞行器健康管理系统395

12.1概述395

12.1.1基本概念、功能及意义395

12.1.2与记录、维护及地面保障系统的关系397

12.2研究现状399

12.2.1演变过程399

12.2.2技术现状400

12.2.3应用现状401

12.3相关标准402

12.3.1 ARINC 604-1402

12.3.2 ARINC 624-1403

12.3.3 ISO CM&D系列405

12.3.4 OSA-CBM406

12.3.5 OSA-EAI系列407

12.4体系结构408

12.4.1 JSF- PHM的体系结构408

12.4.2 IVHM的体系结构409

12.4.3 CMS的体系结构410

12.4.4 Livingstone的体系结构411

12.4.5 VHM体系结构的设计考虑412

12.5关键技术413

12.5.1设计流程413

12.5.2 FMECA414

12.5.3传感器布局与BIT设计417

12.5.4信号处理与状态监测421

12.5.5故障诊断技术422

12.5.6预测技术425

12.5.7健康管理与维修决策430

12.5.8 VHMS仿真验证技术432

12.6 VHMS案例433

12.6.1建立基于模型的飞行器健康管理系统433

12.6.2基于模型的飞机发动机性能估计436

参考文献439

13新航行系统441

13.1新航行系统概述441

13.2国外新航行系统发展444

13.2.1美国下一代航空运输系统（NextGen）444

13.2.2欧洲单一天空空管研究计划（SESAR）445

13.2.3新航行系统航电发展447

13.3新航行系统航空电子系统449

13.3.1机载通信系统450

13.3.2机载导航系统457

13.3.3机载监视系统459

13.3.4电子飞行包465

13.4我国新航行系统的发展467

参考文献469

14大型客机航空电子适航性技术与管理471

14.1概述471

14.1.1适航性定义471

14.1.2适航性工作发展历程472

14.1.3适航性管理组织体系和法规体系473

14.2航空电子适航性管理477

14.2.1世界大型机载航空电子设备厂商的适航性特点477

14.2.2机载航空电子设备及系统适航性工作思路478

14.3航空电子适航性技术483

14.3.1适航性条款要求487

14.3.2适航性条款背景488

14.3.3适航性条款诠释490

参考文献498

附录A四种大型客机航空电子系统简介499

A.1 A320499

A.1.1驾驶舱布局499

A.1.2显示控制系统500

A.1.3航空电子系统综合504

A.1.4飞行管理系统504

A.1.5飞行控制系统505

A.1.6通信导航监视系统506

A.1.7中央维护系统512

A.2 B737NG514

A.2.1驾驶舱布局514

A.2.2显示控制系统514

A.2.3航空电子系统517

A.2.4飞行管理系统518

A.2.5飞行控制系统518

A.2.6通信导航监视系统518

A.2.7中央维护系统520

A.3 A380521

A.3.1驾驶舱布局522

A.3.2显示控制系统522

A.3.3航空电子系统527

A.3.4飞行管理系统527

A.3.5飞行控制系统529

A.3.6通信导航监视系统530

A.3.7机上维护系统534

A.3.8机上信息系统535

A.4 B787536

A.4.1驾驶舱布局537

A.4.2显示控制系统537

A.4.3航空电子系统541

A.4.4飞行管理系统544

A.4.5飞行控制系统544

A.4.6通信导航监视系统545

A.4.7机组信息系统维护系统546

参考文献546

附录B缩略词548