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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 429 171

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——ARP4754 222

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-178B 224

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/ESW 244

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-254 268

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 TCAS 388

11.7.3 S模式应答机 388

11.7.4 WXR 389

11.7.5 TAWS 389

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 604-1 402

12.3.2 ARINC 624-1 403

12.3.3 ISO CM&D系列 405

12.3.4 OSA-CBM 406

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 FMECA 414

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 A320 499

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 B737NG 514

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 A380 521

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 B787 536

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