CN101989945A - 用于飞机的通信网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于飞机的通信网络。为了克服现有技术中的飞机总线网络架构的局限，本发明提出了一种采用集中式管理的网络架构。根据本发明的一个方面，提供了一种用于飞机的网络，包括：核心处理子系统；与核心处理子系统通信的至少一个交换设备；与所述至少一个交换设备通信的至少一个终端子系统。其中，各终端子系统的处理及管理软件集中在核心处理子系统中，各终端子系统与核心处理子系统之间通过AFDX总线进行数据交换，采用这种方式，有利于时间、处理机资源及内存资源的共享。各终端子系统可对其数据进行初步预处理后再经过AFDX总线进行交换，提高了网络资源的利用率，便于数据传输，同时安装及维护更加简单方便。

Description

用于飞机的通信网络

技术领域

本发明涉及通信网络，尤其涉及用于飞机的通信网络。

背景技术

当前，民机综合航电系统采用综合化、模块化、开放式的系统结构，系统高度集成，同时随着飞机飞行关键项目及乘客娱乐设施等复杂航电子系统的不断增加，对飞机综合航电系统通信网络的通信容量需求越来越大，对总线网络的带宽需求越来越高，传统数据总线因带宽太小难以满足现代民机的应用要求，航空电子全双工交换式以太网(AFDX)是一种基于标准定义的电子和协议规范，用作综合航电系统总线，其具有传输速度快，双冗余，可靠性高，开放性好等优点，目前已开始在先进的民用飞机上得到应用。

目前，AFDX总线网络在欧洲空中客车公司及美国波音公司最新研制和在研飞机上得到了广泛应用。

欧洲空中客车公司最新在研飞机A350XWB飞机，其总线网络系统架构为基于AFDX总线的分布式系统架构，即机载核心处理系统(机载计算机系统)根据子系统的设计分成各个小型处理机，分布在飞机上各个不同位置处理相应子系统的信号。这种方式导致核心处理机过多，给设计和安装带来了一定的困扰，而且不利于不同处理机之间的时间、处理器及内存资源的共享。

美国波音公司的B787飞机也采用基于AFDX总线网络的方案，其方案淡化子系统划分的概念，相关设备不按子系统方式进行集成，只作为外围传感器或作动器，数据处理及管理软件集中在核心处理系统中。这种方式提高了处理机及网络资源的利用率，但是给整个系统的集成及测试带来了困难，B787项目进度一度延迟，采用这种高度综合的方式也是其中重要的影响因素。

因此，需要一种新的用于飞机的通信网络，以克服现有技术中的问题。

发明内容

飞机总线网络不但要负责航电系统之间信息交换，而且要负责发动机，动力、燃油及起落架及客舱系统的一些信息的显示，因此，涉及的子系统非常多，其交连关系非常复杂。因此对整个通信网络进行合理的规划至关重要。从整个飞机的角度出发，按功能划分一系列的子系统，并按照子系统来进行系统综合集成是一种可行的方法。

为了克服现有技术中的飞机总线网络架构的局限，本发明提出了一种采用集中式管理的网络架构以及采用这种网络架构的飞机。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于飞机的网络，包括：核心处理子系统；与核心处理子系统通信的至少一个交换设备；与所述至少一个交换设备通信的至少一个终端子系统。

优选地，所述用于飞机的通信网络是基于航空电子全双工交换式以太网规范的。

优选地，所述通信网络中的核心处理子系统包括自动飞行子系统。

优选地，所述通信网络中的终端子系统包括：通信子系统、导航及监视子系统、指示及记录子系统、机载维护子系统、机上信息子系统、客舱子系统。

优选地，所述通信网络中的一个或多个交换设备形成一个交换域，所述通信子系统、导航及监视子系统、指示及记录子系统、机载维护子系统、机上信息子系统连接到该交换域中的交换设备。

优选地，所述通信网络中的终端子系统还包括：飞控子系统、动力子系统、燃油子系统、液压子系统、电气子系统、环控子系统。

优选地，所述通信网络中的导航及监视子系统和通信子系统分别与至少两个交换设备通信。

优选地，所述通信网络中的指示及记录子系统通过一跳交换设备与核心处理子系统通信。

优选地，所述通信网络中的核心处理子系统与终端子系统进行数据包封装的方法包括以下各项中的任一项或任多项：a.将表征相同物理量的数据封装在同一个数据包中；b.将时间上相关的数据封装到同一个数据包中；c.将功能上相关的数据封装到同一个数据包中；d.将同一个数据包中的数据的刷新频率、最大延迟时间、最大时间抖动设置为相同；e.将子系统控制数据和数值数据封装在不同的数据包中。

优选地，所述通信网络中的核心处理子系统与终端子系统采用软件校验的方法包括：1.通过校验帧的序号检查数据帧的完整性；2.采用校验算法来进行数据帧的校验。

根据本发明的第二方面，提供了一种飞机，其包括本发明第一方面的通信网络。

根据本发明的一个实施例，其中，各终端子系统按照功能的区别进行划分，各终端子系统的处理及管理软件集中在核心处理子系统中，各终端子系统与核心处理子系统之间通过AFDX总线进行数据交换，采用这种方式，各终端子系统处理软件集中在核心处理子系统中，有利于时间、处理机资源及内存资源的共享，各终端子系统可对其数据进行初步预处理后再经过AFDX总线进行交换，提高网络资源的利用率，便于数据传输，同时安装及维护更加简单方便。

附图说明

通过阅读以下结合附图对非限定性实施例的描述，本发明的其它目的、特征和优点将变得更为明显和突出。其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的装置或步骤特征。

图1示出了根据本发明一个实施例的通信网络的体系架构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的通信网络的拓扑结构示意图。

具体实施方式

本发明示例性的实施方式将在以下内容中参考附图详述。在不偏离本发明的精神以及范围的情况下，本领域的技术人员可以实施本发明的这些或其他的改进和变化。

本发明主要提供一种用于飞机的通信网络，其包括：核心处理子系统；与核心处理子系统通信的至少一个交换设备；与所述至少一个交换设备通信的至少一个终端子系统。

在该网络中，交换设备相互通信，终端子系统通过交换设备与核心处理子系统进行通信，从而实现核心处理子系统对终端子系统的集中式管理。

优选地，交换设备之间采用有线连接。

优选地，当该网络中的交换设备的数量大于两个时，每一个交换设备至少与两个其他交换设备有线连接。这样，每一个交换设备与任一其他交换设备之间至少存在两条通信路径，从而使得该网络中的数据通信安全得到保证。

优选地，本发明提供的适用于飞机的通信网络是基于AFDX规范设计的。

用于飞机的通信网络不但要负责航电系统之间信息交换，而且要负责发动机、动力、燃油、起落架及客舱系统的一些信息的显示，因此，涉及的终端子系统非常多，其交连关系非常复杂。

图1所示为根据本发明一个实施例的通信网络的体系架构示意图。如图1所示，按照功能的区别，整个飞机电子系统可以分为航电系统和非航电系统。其中，航电系统包括：核心处理子系统205、通信子系统203、导航及监视子系统202、指示及记录子系统204、自动飞行子系统201、机载维护子系统206、机上信息子系统207、客舱子系统208；非航电系统包括：飞控子系统305、动力子系统303、燃油子系统301、液压子系统302、电气子系统304、环控子系统306、等。

除了核心处理子系统205之外的其他子系统均为终端子系统。

航电系统中的各子系统的功能及组成如下：

核心处理子系统205是飞机的数据处理和管理中心，是整个航电系统的核心，其完成飞行管理、导航、监视、通信、飞行控制、中央维护、高速数据交换、综合显示等处理及管理功能。核心处理子系统205包括核心处理机柜及一系列的处理机及其他类型的模块。

通信子系统203用于提供机内、机外通信手段，主要包括高频通信，甚高频通信，卫星通信及机内通信系统。

导航及监视子系统202提供无线电导航、飞行环境监视、提供姿态和航向惯性参考基准、探测及处理大气数据、执行飞行计划管理等功能。导航及监视子系统202主要包括飞行管理系统、仪表着陆系统、自动定向仪、卫星导航、惯导、测距机、甚高频全向信标、高度表、S模式应答，机载防撞系统、自动相关监视、气象雷达，大气数据计算机、近地告警等。

指示及记录子系统204用于飞机飞行、告警及其他信息进行综合显示，具备飞行数据记录及驾驶舱数据记录功能，其主要包括综合显示控制设备，记录器及独立仪表。

自动飞行子系统201主要完成自动飞行控制功能，其主要包括自动驾驶仪、自动俯仰配平、偏航阻尼器、飞行导引、系统监控和自动油门计算功能。

机载维护子系统206具备中央维护功能及具备飞机健康状态管理功能。机载维护子系统206系统主要包括中央维护计算模块、数据接口装置(DIU)、海量数据存储器、机载打印机、地面处理系统、维护访问终端(MAT)、便携式维护访问终端(PMAT)。

机上信息子系统207主要包括电子飞行包和安全视频监控，机载电子飞行包的功能主要包括数字航空地图、天气信息、电子飞行手册、飞行日志、乘员清单、客舱日志清单、金融服务等。

客舱子系统208主要为机载娱乐(IFE)系统，应用功能包括基本的娱乐功能和乘客个人通信服务等增值功能。

非航电系统包括：飞控子系统305、动力子系统303、燃油子系统301、液压子系统302、电气子系统304、环控子系统306、等。

非航电系统中的各终端子系统具有独立的处理及管理计算机，因此不是航电系统关注的重点，其与航电总线网络的连接主要用于控制信息的传递及处理信息的显示，因此信息量比较小。

航电系统和非航电系统中的全部或大部分终端子系统的控制及显示功能需要集中在航电系统的核心处理子系统205中，各终端子系统功能分配在不同分区，采用分时分区集中管理的方式。从图1可以看出，各子系统功能集中在IMA模块中，采用分时分区集中管理方式，考虑到通信数据量大，为减少系统布线，需要一种适合分时分区管理方式的总线来匹配。

由于在用于飞机的网络的各终端子系统中，不同终端子系统的作用是不一样的，其对飞机安全性的影响也不一样，因此，要优先保证对飞机安全性可靠性有重大影响的终端子系统的通信性能。因此，按照各终端子系统的对飞机安全性影响，可以把终端子系统安全性分成不同等级，根据终端子系统的安全性等级确定通信优先级，各种功能相近，优先级接近的终端子系统数据进行打包传输，从而可以提高网络资源利用率。这就是以数据包为导向，按通信任务分级的航电总线网络拓扑结构的设计。

图2所示为根据本发明一个实施例的通信网络的拓扑结构示意图。如图2所示，该实施例的通信系统包括多个交换设备和多个子系统。该实施例中的网络包括五个交换设备101至105，相互连接构成网状结构：交换设备101连接到交换设备102、103、104，交换设备102连接到交换设备101、103、105，交换设备103连接到交换设备101、102、104、105，交换设备104连接到交换设备101、103、105，交换设备105连接到交换设备102、103、104。

参考图1所示，根据通信网络的体系结构，整个飞机系统分为航电系统和非航电系统。

其中，航电系统包括：核心处理子系统205、自动飞行子系统201、导航及监视子系统202、通信子系统203、指示及记录子系统204、机载维护子系统206、机上信息子系统207、客舱子系统208。除了核心处理子系统205之外，其他子系统均为终端子系统。

在上述各子系统中，自动飞行子系统201、指示及记录子系统204、核心处理子系统205是其中最关键的子系统，其故障可导致飞机灾难性后果，因而所需的安全级别最高，可定义为A级子系统。

导航及监视子系统202、通信子系统203也是其中比较关键的系统，其故障对飞机性能影响比较严重，对飞机性能可导致严重后果，可定义其级别为B级子系统。

机载维护子系统206和机上信息子系统207对飞机性能有一定影响，但发生故障时不会导致严重后果，可定义为C级子系统。

客舱子系统208主要用于旅客娱乐，其故障对整个飞机的安全飞行很小，因此可定义为D级系统。

其中，非航电系统包括：飞控子系统305、动力子系统303、燃油子系统301、液压子系统302、电气子系统304、环控子系统306。非航电系统由于有专门的处理计算机，与航电总线网络的联结主要用于控制命令的收发及信息显示，信息量很小，但是其优先级高，因此要保证其通信性能。

根据以上原则，在设计拓扑结构的时候，综合网络的信息流量，分配不同的交换区域，优先保证优先级高的系统的通信性能，即其信息传输延迟及时延抖动最小。机上信息子系统207、机载维护子系统206及客舱子系统208对飞行安全影响小，在设计拓扑结构的时候可以忽略其时间延迟及时间抖动对系统性能的影响。

具体地，如图2所示，该实施例中的网络包括五个交换设备101至105，其中交换设备101至103形成一个交换域，主要的航电系统集中在该交换域。

交换设备103位于该网络的中心，核心处理子系统205连接到交换设备103。

自动飞行子系统201主要是一套软件，其驻留在核心处理子系统205中。

指示及记录子系统204用于飞机飞行、告警及其他信息进行综合显示，具备飞行数据记录及驾驶舱数据记录功能，其主要包括综合显示控制设备，记录器及独立仪表。指示及记录子系统204的故障可导致飞机灾难性后果，因而其所需的安全级别最高，需要保证指示及记录子系统204与核心处理子系统205之间的通信延迟及延迟抖动尽可能小。因此，优选地，指示及记录子系统204经过一跳交换设备与核心处理子系统205通信，亦即，指示及记录子系统204也连接到交换设备103。

导航及监视子系统202、通信子系统203也是其中比较关键的子系统，安全级别较高。因此，优选地，导航及监视子系统202、通信子系统203分别各自与两个交换设备101和102连接。这样，导航及监视子系统202就具有两条通过两跳交换设备与核心处理子系统进行通信的路径，这两条通信路径可以起到双冗余及互为备份的作用。通信子系统203的情况与此相类。

机上信息子系统207及机载维护子系统206的安全性等级低，可以不考虑备份。如图2所示，机上信息子系统207连接到交换设备101，机载维护子系统206连接到交换设备102。

如图2所示，交换设备104、105形成另一个交换域，客舱子系统与主要的非航电系统集中在该交换域。

客舱子系统包括第一客舱子系统2081和第二客舱子系统2082，第一客舱子系统2081连接到交换设备104，第二客舱子系统2082连接到交换设备105。客舱子系统通信性能要求设置最低。

非航电系统中飞控子系统、动力子系统、燃油子系统、电气子系统、液压子系统、环控子系统对飞行安全影响很大，但是其有专门处理计算机，与总线网络的连接仅用于控制命令及显示信息的传输，因此信息量少。虽然非航电系统中的各子系统与级别最低的客舱子系统集中在同一个交换域，但因为非航电系统的各子系统的通信性能要求设置高而客舱子系统通信性能要求设置最低，因此仍可以保证通信服务要求。

燃油子系统包括第一燃油子系统3011、第二燃油子系统3012，分别连接到交换设备104、105。

液压子系统包括第一液压子系统3021、第二液压子系统3022，分别连接到交换设备104、105。

动力子系统包括第一动力子系统3031、第二动力子系统3032，分别连接到交换设备104、105。

电气子系统包括第一电气子系统3041、第二电气子系统3042，分别连接到交换设备104、105。

飞控子系统包括第一飞控子系统3051、第二飞控子系统3052，分别连接到交换设备104、105。

环控子系统包括第一环控子系统3061、第二环控子系统3062，分别连接到交换设备104、105。

在图2所示的网络拓扑中，核心处理子系统205连接到位于网络中心的交换设备103。除了核心处理子系统之外的子系统均为终端子系统。指示及记录子系统204经过一跳交换设备与核心处理子系统205通信，自动飞行子系统201以软件形式驻留于核心处理子系统205中，其余终端子系统到核心处理子系统205的最短通信路径都需经过两跳交换设备，可有利的保证系统的整体通信性能。

本领域技术人员应能理解，图2所示通信网络的拓扑结构仅是示例性而非限制性的，交换设备的数量、各子系统与交换设备的连接关系均是可以变化的，同一终端子系统中的不同终端设备还可以连接到不同的交换设备。

根据航电通信网络体系结构及网络拓扑结构，可以进行通信网络的组成设计。通信网络连接系统及设备类型多，接口关系非常复杂，本发明中采用一种基于接口控制文件(ICD)数据库的航电通信网络的组成设计。

ICD文件是定义飞机上航电系统和非航电系统的接口规范，定义了飞机上的通信任务、通信性能及通信要求，因此需要根据ICD文件来进行通信网络的组成及配置设计。

总线网络的主要用途是传输传感器数据及各种控制命令，在用于飞机的数据网络中，需要传输的数据量大，种类多，因此通常以数据包的形式进行传输。

基于AFDX总线网络协议(ARINC 664协议)，本发明中的用于飞机的网络中，各子系统通常下列方法进行数据抱封装：

a.将表征相同物理量的数据封装在同一个数据包中；

b.同一个数据包中的数据在时间上相关；

c.同一个数据包中的数据在功能上相关；

d.将同一个数据包中的数据的刷新频率、最大延迟时间、最大时间抖动设置为相同。

e.将子系统控制数据和数值数据封装在不同的数据包中。

基于以上几个原则，可进行交换设备及各子系统的配置，结合网络拓扑结构，就可以完成网络组成及配置设计。

考虑到信号在时间及功能上的相关性，例如，GPS设备输出信号在时间上具有相关性，在功能上GPS输出的一系列数据结合起来可表征飞机的四维导航信息，因此可以封装在同一个数据包中进行传输。

总线网络可靠性及安全性问题是系统设计中的关键问题，本发明中的用于飞机的网络采用基于硬件冗余度结合多种软件校验方法的航电通信网络设计来提高设计的安全性及可靠性。

具体地，对网络中的各子系统的安全性等级进行分析，对于安全性等级要求高的子系统，采用硬件冗余度方法。例如图2所示实施例中，导航及监视子系统202、通信子系统203对安全性要求高，因此分别采用两条或多条彼此独立的通信路径与核心处理子系统之间进行数据传输。

同时为了确保数据传输的可靠性，本发明的用于飞机中的各子系统将采用软件校验的方法，主要有以下几个方法：

1.通过校验帧的序号检查数据帧的完整性；

2.采用检验算法来进行数据帧的校验，主要的校验算法主要包括CRC32(32位循环冗余校验算法)。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述。需要说明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变型或修改。

Claims (11)

1.一种用于飞机的通信网络，包括：

核心处理子系统；

与核心处理子系统通信的至少一个交换设备；

与所述至少一个交换设备通信的至少一个终端子系统。

2.根据权利要求1所述的通信网络，其特征在于，所述通信网络是基于航空电子全双工交换式以太网规范的。

3.根据权利要求1或2所述的通信网络，其特征在于，所述核心处理子系统中包括自动飞行子系统。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的通信网络，其特征在于，所述终端子系统包括：通信子系统、导航及监视子系统、指示及记录子系统、机载维护子系统、机上信息子系统、客舱子系统。

5.根据权利要求4所述的通信网络，其特征在于，所述网络中的一个或多个交换设备形成一个交换域，所述通信子系统、导航及监视子系统、指示及记录子系统、机载维护子系统、机上信息子系统连接到该交换域中的交换设备。

6.根据权利要求4所述的通信网络，其特征在于，所述终端子系统还包括：飞控子系统、动力子系统、燃油子系统、液压子系统、电气子系统、环控子系统。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的通信网络，其特征在于，所述导航及监视子系统和通信子系统分别与至少两个交换设备通信。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的通信网络，其特征在于，所述指示及记录子系统通过一跳交换设备与所述核心处理子系统通信。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的通信网络，其特征在于，所述核心处理子系统与终端子系统进行数据包封装的方法包括以下各项中的任一项或任多项：

a.将表征相同物理量的数据封装在同一个数据包中；

b.将时间上相关的数据封装到同一个数据包中；

c.将功能上相关的数据封装到同一个数据包中；

d.将同一个数据包中的数据的刷新频率、最大延迟时间、最大时间抖动设置为相同；

e.将子系统控制数据和数值数据封装在不同的数据包中。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的通信网络，其特征在于，所述核心处理子系统与终端子系统采用软件校验的方法包括：

-通过校验帧的序号检查数据帧的完整性；

-采用校验算法来进行数据帧的校验。

11.一种飞机，其包括权利要求1至10中任一项所述的通信网络。

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