航空電子理論基礎(chǔ)知識
航空電子是指飛機(jī)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(jì)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(dá)，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(jī)械系統(tǒng)。航空電子誕生于20世紀(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(xì)的控制技術(shù)來保證飛機(jī)在有限的空域環(huán)境下的安全性。同時，民機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)都面臨許多昂貴，耗時，麻煩和困難的方面，而適航性認(rèn)證則是其中之一。隨著飛機(jī)及機(jī)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(jī)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)。 在今天，系統(tǒng)集成已成為飛機(jī)工程師們所面臨的最大問題。不管一架飛機(jī)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(jī)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(jī)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航電制造商所必須遵循的飛機(jī)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(biāo)準(zhǔn)有BS 3G 100, MIL-STD-810, DEF STAN 00-35等等。在進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)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(jī)世界里，電磁兼容性可導(dǎo)致各種各樣的問題。飛機(jī)及其設(shè)備一般使用測試范圍更廣的特定標(biāo)準(zhǔn)，如DEF Stan 59-41, MIL-STD-464等。
振動
即使是最平穩(wěn)的飛機(jī)(如民航干線飛機(jī))，振動也是一個非常嚴(yán)重的問題，對可靠性影響很大。更不用說像直升機(jī)那樣顛簸的飛機(jī)，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(jī)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)固然不同，更不用說對不同型號的飛機(jī)了。
系統(tǒng)安全性
飛機(jī)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(rèn)證部門來執(zhí)行的。對于民機(jī)，總是由FAA或者EASA(JAA)來認(rèn)證其安全性。對于軍機(jī)，雖然也有一些世界標(biāo)準(zhǔn)，但大部分軍機(jī)買方認(rèn)證執(zhí)行的是當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)(如DEF Stan 00-56)。在飛機(jī)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(jī)設(shè)計方法。任何應(yīng)用于航電系統(tǒng)的軟件都要接受嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)雖然已被主要工業(yè)所采用，而主要的飛機(jī)制造商對于他們所交付的文檔和硬件還有更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。人們經(jīng)常說飛機(jī)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(jī)電子系統(tǒng)
在任何飛機(jī)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(jī)安全飛行的系統(tǒng)都可以由飛行員直接控制。那些對飛機(jī)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(jī)和地面的通信能力從一開始就是至關(guān)重要的。遠(yuǎn)程通信爆發(fā)式的增長意味著飛機(jī)(民機(jī)和軍機(jī))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(jī)載通信是由公共地址系統(tǒng)和飛機(jī)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(jī)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(fù)責(zé)檢查關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能讓飛機(jī)在嚴(yán)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(jī)組人員。
飛行控制系統(tǒng)
多年來，平直翼飛機(jī)和直升機(jī)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(jī)懸停時)減少了飛行員的工作負(fù)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(jī)推力和機(jī)翼舵面。在直升機(jī)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(jī)械。
防撞系統(tǒng)
為了增強(qiáng)空中交通管制，大型運輸機(jī)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(jī)，并提供防止空中相撞的指令。小飛機(jī)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(jī)的異頻雷達(dá)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(jī)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(dá)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(jī)提供同樣的功能。
氣象雷達(dá)
氣象系統(tǒng)如氣象雷達(dá)(典型如商用飛機(jī)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(dá)可感知)或閃電都意味著強(qiáng)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(jī)上了。其次，除了傳統(tǒng)雷達(dá)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(yuǎn)超過機(jī)載系統(tǒng)本身能力的雷達(dá)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(jī)管理系統(tǒng)
飛行管理系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)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(jī)上率先引入集成的飛行管理系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，飛行管理系統(tǒng)的重要性不斷提高，成為飛機(jī)上最重要的人機(jī)交互接口。集成了飛飛行控制計算機(jī)，導(dǎo)航及性能計算等功能。中央計算機(jī)加上顯示和飛行控制系統(tǒng)，這三個核心系統(tǒng)使飛機(jī)上的所有系統(tǒng)(不僅僅是航電系統(tǒng))更易于維護(hù)，更易于飛行，更安全。引擎的監(jiān)控和管理很早就在飛機(jī)地面維護(hù)方面取得了一定進(jìn)展。如今這種監(jiān)控管理已經(jīng)最終延伸到飛機(jī)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(jī)管理計算機(jī)就可以及時報告那些需要更換的零件。有了飛機(jī)管理計算機(jī)或者飛行管理系統(tǒng)，機(jī)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(jī)組人員可以管理到小至每一個鉚釘?shù)娜魏畏矫�。雖然航電設(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(jī)制造商提供飛機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和電子偵察機(jī)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(jī)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(yán)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(biāo)信息等)傳輸方法。
雷達(dá)
空中雷達(dá)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(dá)最引人注目的一個變化就是可以在超遠(yuǎn)距離內(nèi)提供高度信息。這類雷達(dá)從早期預(yù)警雷達(dá)(AEW)，反潛雷達(dá)(ASW)，一直到氣象雷達(dá)(ARINC 708)和近地雷達(dá)。軍用雷達(dá)有時用來幫助高速噴氣飛機(jī)低空飛行。雖然民用市場上的氣象雷達(dá)偶爾也作此用，但都有嚴(yán)格的限制。
聲納
聲納是緊隨著雷達(dá)出現(xiàn)的。好多軍用直升機(jī)上安裝了探水聲納，他們可以保護(hù)艦隊免遭來自潛艇和水面敵艦的攻擊。水上支援飛機(jī)可以釋放主動或被動式聲納浮標(biāo)，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(jī)組提供紅外圖像。這些圖像可以獲得更好的目標(biāo)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(jī)。他們有時也用以確認(rèn)威脅物的狀態(tài)，甚至是辨識它們。
機(jī)載網(wǎng)絡(luò)
不管是軍用的，商用的，還是民用先進(jìn)機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
AFDX: 商用飛機(jī)上 ARINC 664 的特定實現(xiàn)
ARINC 429: 商用飛機(jī)
ARINC 664: 參照上述ADN
ARINC 629: 商用飛機(jī)(波音 777)
ARINC 708: 商用飛機(jī)上的氣象雷達(dá)
ARINC 717: 商用飛機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)記錄儀
MIL-STD-1553: 軍用飛機(jī)
警用及空中救護(hù)
警用及空中救護(hù)飛機(jī)(大部分屬直升機(jī))現(xiàn)在已成為一個重要的市場。軍機(jī)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(jī)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(jī)也安裝了探照燈和擴(kuò)音喇叭，這和警車上的用途是一樣的。很顯然，空中救護(hù)或急救直升機(jī)上需要醫(yī)療器械，而這些很少被當(dāng)作航空電子設(shè)備。然而，很多急救和警用直升機(jī)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(rèn)為是純粹的軍機(jī)設(shè)備。
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