CN112051859A - 一种基于afdx网络的空中交通飞行器的航电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于AFDX网络的空中交通飞行器的航电系统，包括飞行控制系统、整机控制系统、驾驶舱显示与控制系统和无线通信系统，所述飞行控制系统与所述整机控制系统通过双冗余AFDX总线网络通信连接；所述双冗余AFDX总线网络包括两套由航空电子全双工网络交换机组搭建的AFDX总线网络，即为两套分别独立工作的AFDX总线网络。所述驾驶舱显示与控制系统分别与每套所述AFDX总线网络通信连接，所述无线通信系统分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述飞行控制系统包括冗余的至少三个飞行控制计算机，所述飞行控制计算机分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述整机控制系统包括冗余的至少三个整机控制器，所述整机控制器分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
Description
技术领域
本发明涉及航空电子技术领域，特别涉及一种基于AFDX网络的空中交通飞行器的航电系统。
背景技术
近年来，城市空中交通(Urban Air Mobility，UAM)领域已经全面铺开，城市空中交通领域包括载人和载物场景，能够为人们出行带来新的交通方式，同时有效减少交通拥堵情况。
航电系统能够为空中交通飞行器提供必需的能源，管理和控制空中交通飞行器自主飞行，完成对空中交通飞行器的导航、制导和控制，以确保空中交通飞行器按照预定的航线准确、可靠、稳定地飞行，是空中交通飞行器的重要组成部分。
目前，民用航空电子系统通常采用综合模块化航空电子系统(IntegratedModular Avionics，IMA)，它是一种以可进行各种处理的外场可更换模块及应用软件模块为基础，以进行高速通讯的总线/网络(如A629总线、航空电子标准通信总线、A664总线等)为纽带，利用各种传感器信息和相应的执行机构，完成各种功能综合为目的的航空电子系统。但是，由于它技术指标特别高，设备价格非常昂贵，使得它难以在空中交通飞行器中进行应用。此外，即便将其应用到城市空中交通领域，也会导致空中交通飞行器缺乏与汽车、地铁、甚至直升机等竞争产品的竞争力。因此，需要设计一种低成本且可以应用在空中交通飞行器中的航电系统。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于AFDX网络的空中交通飞行器的航电系统，能够应用于空中交通飞行器中，并且满足安全性要求。
为了解决上述问题，本发明提供一种基于AFDX网络的空中交通飞行器的航电系统，包括飞行控制系统、整机控制系统、驾驶舱显示与控制系统和无线通信系统，所述飞行控制系统与所述整机控制系统通过双冗余AFDX总线网络通信连接；所述双冗余AFDX总线网络包括两套由航空电子全双工网络交换机组搭建的AFDX总线网络，所述驾驶舱显示与控制系统分别与每套所述AFDX总线网络通信连接，所述无线通信系统分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述飞行控制系统包括冗余的至少三个飞行控制计算机，每个所述飞行控制计算机具有实现完整飞行控制功能的系统架构，所述飞行控制系统至少覆盖两个不同的异构系统架构，所述飞行控制计算机分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述整机控制系统包括冗余的至少三个整机控制器，每个所述整机控制器具有实现除飞行控制之外的其他全部功能的系统架构，所述整机控制系统至少覆盖两个不同的异构系统架构，所述整机控制器分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
进一步地，所述飞行控制系统还包括第一表决器，所述第一表决器用于根据所述至少三个飞行控制计算机的监测状态进行计算机故障判断，得到故障判断结果，根据所述故障判断结果进行余度切换；其中，所述监测状态包括所述至少三个飞行控制计算机的自监测状态和互监测状态。
进一步地，所述整机控制系统还包括第二表决器，所述第二表决器用于根据所述至少三个整机控制器的监测状态进行控制器故障判断，得到故障判断结果，根据所述故障判断结果进行余度切换；其中，所述监测状态包括所述至少三个整机控制器的自监测状态和互监测状态。
进一步地，所述驾驶舱显示与控制系统包括非相似性冗余的至少两个驾驶舱显示与控制模块，所述驾驶舱显示与控制模块分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述无线通信系统包括非相似性冗余的至少两个通信控制模块，所述通信控制模块分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
进一步地，所述系统还包括感知与避让系统和环境控制系统，所述感知与避让系统通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络通信连接，所述环境控制系统通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络通信连接。
具体地，所述感知与避让系统与所述远程数据接口单元通过控制器局域网总线通信连接，所述环境控制系统与所述远程数据接口单元通过控制器局域网总线通信连接。
进一步地，所述系统还包括大气数据系统和组合导航系统，所述大气数据系统与所述组合导航系统通信连接，所述大气数据系统通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络通信连接，所述组合导航系统通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络通信连接。
进一步地，所述大气数据系统包括冗余的至少两个大气数据机，所述组合导航系统包括冗余的至少两个组合导航模块；所述大气数据系统与所述远程数据接口单元通过标准485总线通信连接，所述所述组合导航系统与所述远程数据接口单元通过标准485总线通信连接。
进一步地，所述系统还包括机载无线通信模块，所述机载无线通信模块用于与地面控制系统进行通信；所述机载无线通信模块与所述组合导航系统通信连接，所述机载无线通信模块通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络通信连接。
进一步地，所述机载无线通信模块包括冗余的至少两个机载无线通信终端，所述机载无线通信模块与所述组合导航系统通过标准422总线通信连接，所述机载无线通信模块与所述远程数据接口单元通过标准485总线通信连接。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明通过基于双冗余设计的AFDX总线网络将综合模块化设计的异构三冗余的飞行控制系统和整机控制系统，以及驾驶舱显示与控制系统、无线通信系统等其他各功能设备搭建起飞行器的航电系统，能够达到符合航空法规的安全性要求，并且具有很强的扩展开发空间，能够应用于载人和载货的广阔应用场景，还能够降低空中交通飞行器航电系统的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明一个实施例提供的航电系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的飞行控制计算机的结构示意图；
图3是本发明一个实施例提供的飞行控制计算机的功能运行逻辑示意图；
图4是本发明一个实施例提供的整机控制器的结构示意图。
其中，10-飞行控制系统，101-飞行控制计算机，102-第一表决器，20-整机控制系统，201-整机控制器，202-第二表决器，30-驾驶舱显示与控制系统，40-无线通信系统，50-双冗余AFDX总线网络，60-感知与避让系统，70-环境控制系统，80-大气数据系统，90-组合导航系统，100-机载无线通信模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考说明书附图1，其示出了本发明一个实施例提供的基于AFDX网络的空中交通飞行器的航电系统的结构。如图1所示，所述航电系统可以包括飞行控制系统10、整机控制系统20、驾驶舱显示与控制系统30和无线通信系统40，所述飞行控制系统10与所述整机控制系统20通过双冗余AFDX总线网络50通信连接；所述双冗余AFDX总线网络50包括两套由航空电子全双工网络(Avionics Full Duplex Switched，AFDX)交换机组搭建的AFDX总线网络，所述驾驶舱显示与控制系统30分别与每套所述AFDX总线网络通信连接，所述无线通信系统40分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述飞行控制系统10包括冗余的至少三个飞行控制计算机101，每个所述飞行控制计算机101具有实现完整飞行控制功能的系统架构，所述飞行控制系统10至少覆盖两个不同的异构系统架构，所述飞行控制计算机101分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述整机控制系统20包括冗余的至少三个整机控制器201，每个所述整机控制器201具有实现除飞行控制之外的其他全部功能的系统架构，所述整机控制系统20至少覆盖两个不同的异构系统架构，所述整机控制器201分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
本发明实施例中，所述飞行控制系统10和所述整机控制系统20可以均为异构三冗余的设计，以保证其安全性符合SAEARP 4761《民用机载系统和设备安全性评估过程的指南和方法》安全性分析过程要求，所述异构系统架构是指由不同的组织和成员进行设计、开发、测试得到的系统架构。所述飞行控制计算机101可以用于完成飞行器最重要的飞行计算功能，结合参考说明书附图2和图3，所述飞行控制计算机101可以包括水平/垂直导引(制导)、感知信息融合计算、避让及航路恢复、控制律计算、飞行告警系统(CAS)、三维地图数据库、性能计算、性能数据库和飞行数据库等功能研制保证等级(Functional DevelopmentAssurance Level，FDAL)为A级功能模块。所述整机控制器201可以用于完成飞行器飞行运营除了所述飞行控制计算机101实现的功能以外的其他功能，结合参考说明书附图4，所述整机控制器201可以包括任务管理、模式管理、健康管理、能源系统管理、照明系统控制、冷却系统管理等功能模块。
本发明实施例中，所述双冗余AFDX总线网络50可以包括两套由航空电子全双工网络交换机组搭建的AFDX总线网络，可以将所述飞行控制系统10、所述整机控制系统20、所述驾驶舱显示与控制系统30和所述无线通信系统40组成连接网络。其中，每套所述AFDX总线网络都可以通过ARINC 664总线与所述飞行控制系统10、所述整机控制系统20、所述驾驶舱显示与控制系统30和所述无线通信系统40中的所有设备通信连接。
在一个可能的实施例中，所述飞行控制系统10还可以包括飞行器操作系统和飞控作动器，每个所述飞行控制计算机101还可以与操纵杆位移传感器、安全带系紧传感器、舱内环境传感器、舱门锁状态传感器以及螺旋桨分别通信连接，所述操纵杆位移传感器可以为三冗余设计，用于检测所述飞行器操作系统的操纵杆的位移，所述螺旋桨可以包括1个推力螺旋桨和8个升力螺旋桨，所述飞控作动器包括双冗余设计的左舵、右舵、左副翼、右副翼、左升降舵和右升降舵，每个所述飞行控制计算机101分别与所述双冗余设计的左舵、右舵、左副翼、右副翼、左升降舵和右升降舵通信连接。
进一步地，所述飞行控制系统10还可以包括第一表决器102，所述第一表决器102用于根据所述至少三个飞行控制计算机101的监测状态进行计算机故障判断，得到故障判断结果，根据所述故障判断结果进行余度切换；其中，所述监测状态包括所述至少三个飞行控制计算机101的自监测状态和互监测状态。
本发明实施例中，所述飞行控制计算机101可以为三个，所述三个飞行控制计算机101两两之间可以通过ARINC 429总线通信连接，所述第一表决器102可以为一个，也可以为多个，本发明实施例对此不做限定，所述第一表决器102内部可以包括多种表决逻辑。在一个示例中，以其中的“多数原则”为例，其表决逻辑如表1所示。
表1表决逻辑
上述表决逻辑，实质上是进行了计算机的自检和互检，由于存在一种非常非常小的可能性，两个故障的计算机同时认为另外一个正常的计算机是故障的，这种可能性无疑会导致非常可怕的结果。因此，可以采用异构三冗余的方式，三个计算机中，至少有一个与另外两个计算机是异构的(另外两个计算机可以是异构的，也可以不是异构的)，即从设计、开发、生产、测试、进行人员、研发过程、技术、设备进行隔离，从而增加系统的可靠性和安全性。
在另一个示例中，在表1的基础上，本发明实施例还提出了三冗余系统出现故障之后的逻辑策略，包括开关逻辑和二余度工作模式下表决逻辑与开关逻辑。示例性地，所述开关逻辑如表2所示，所述二余度工作模式下表决逻辑与开关逻辑如表3所示。
表格2开关逻辑
表格3二余度工作模式下表决逻辑与开关逻辑
进一步地，所述整机控制系统20还可以包括第二表决器202，所述第二表决器202用于根据所述至少三个整机控制器201的监测状态进行控制器故障判断，得到故障判断结果，根据所述故障判断结果进行余度切换；其中，所述监测状态包括所述至少三个整机控制器201的自监测状态和互监测状态。
本发明实施例中，所述整机控制器201也可以为三个，所述三个整机控制器201两两之间可以通过ARINC 429总线通信连接，所述第二表决器202内部可以包括多种表决逻辑。具体地，可以参照表1至表3所述的表决逻辑和开关逻辑。
进一步地，所述驾驶舱显示与控制系统30可以包括非相似性冗余的至少两个驾驶舱显示与控制模块，所述驾驶舱显示与控制模块分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述无线通信系统40可以包括非相似性冗余的至少两个通信控制模块，所述通信控制模块分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
本发明实施例中，所述驾驶舱显示与控制模块可以为两个，所述通信控制模块也可以为两个。所述驾驶舱显示与控制模块可以通过ARINC 664总线与所述双冗余AFDX总线网络50中的每套AFDX总线网络均通信连接，所述通信控制模块也可以通过ARINC 664总线与所述双冗余AFDX总线网络50中的每套AFDX总线网络均通信连接。
进一步地，所述系统还可以包括感知与避让系统60和环境控制系统70，所述感知与避让系统60可以通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络50通信连接，所述环境控制系统70也可以通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络50通信连接。
具体地，所述感知与避让系统60与所述远程数据接口单元可以通过控制器局域网总线通信连接，所述环境控制系统70与所述远程数据接口单元也可以通过控制器局域网总线通信连接。
本发明实施例中，所述感知与避让系统60可以包括雷达和摄像头，所述雷达和摄像头可以形成冗余的传感器结构。所述远程数据接口单元可以为两个，所述远程数据接口单元可以通过ARINC 664总线与所述双冗余AFDX总线网络50中的每套AFDX总线网络均通信连接。所述感知与避让系统60与每个所述远程数据接口单元可以通过控制器局域网(Controller Area Network，CAN)总线分别通信连接，所述环境控制系统70与每个所述远程数据接口单元也可以通过CAN总线分别通信连接，其中，所述CAN总线的主节点可以为所述远程数据接口单元。
本发明的双冗余AFDX总线网络50将所述飞行控制系统10、所述整机控制系统20、所述驾驶舱显示与控制系统30、所述无线通信系统40、所述感知与避让系统60和所述环境控制系统70等其他各功能设备组成连接网络，保证任一单一设备都连接到两套AFDX网络上，任何AFDX网络上都有上述系统中的所有设备同时连接。这样的设计，可以保证任一单点故障，不会影响三冗余的安全性要求。
进一步地，所述系统还可以包括大气数据系统80和组合导航系统90，所述大气数据系统80与所述组合导航系统90通信连接，所述大气数据系统80可以通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络50通信连接，所述组合导航系统90也可以通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络50通信连接。
进一步地，所述大气数据系统80可以包括冗余的至少两个大气数据机，所述组合导航系统90可以包括冗余的至少两个组合导航模块；所述大气数据系统80与所述远程数据接口单元可以通过标准485总线通信连接，所述所述组合导航系统90与所述远程数据接口单元可以通过标准485总线通信连接。
本发明实施例中，所述大气数据系统80和所述组合导航系统90均可以为双冗余设计，所述远程数据接口单元可以为两个。所述大气数据系统80中的每个大气数据机可以通过标准422总线(RS422总线)与所述组合导航系统90中的两个组合导航模块分别通信连接，所述大气数据系统80中的每个大气数据机可以通过标准485总线(RS485总线)与两个远程数据接口单元分别通信连接，所述组合导航系统90中的每个组合导航模块也可以通过RS485总线与两个远程数据接口单元分别通信连接，其中RS485总线主节点可以为所述远程数据接口单元。这样，可以形成包括大气数据机、组合导航模块等FDAL等级为B级的设备到所述飞行控制系统10的主-从网络，作为双冗余AFDX网络的补充。
进一步地，所述系统还可以包括机载无线通信模块100，所述机载无线通信模块100用于与地面控制系统进行通信；所述机载无线通信模块100与所述组合导航系统90通信连接，所述机载无线通信模块100可以通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络50通信连接。
进一步地，所述机载无线通信模块100可以包括冗余的至少两个机载无线通信终端，所述机载无线通信模块100与所述组合导航系统90可以通过标准422总线通信连接，所述机载无线通信模块100与所述远程数据接口单元可以通过标准485总线通信连接。
本发明实施例中，所述机载无线通信模块100可以为双冗余设计，所述远程数据接口单元可以为两个。所述机载无线通信模块100中的每个机载无线通信终端可以通过RS422总线与所述组合导航系统90中的每个组合导航模块通信连接，所述机载无线通信模块100中的每个机载无线通信终端可以通过RS485总线与每个所述远程数据接口单元通信连接，所述RS485总线主节点可以为所述远程数据接口单元。这样，可以通过RS422总线网络搭建大气数据系统80、组合导航系统90和机载无线通讯模块100之间点对多的数据传输网络。
在一个可能的实施例中，所述地面控制系统可以包括两个地面无线通信终端、气象信息获取装置、RTK基站、两个显示与控制系统、飞行数据记录器和语音记录器等设备，所述地面控制系统的各个设备之间可以通过冗余的CAN总线通信连接，所述CAN总线的主节点可以为所述两个显示与控制系统。
对本发明实施例提供的航电系统的实际效果进行测试表明，本发明实施例提供的航电系统可以实现如表4所示的安全性指标，符合民航法规对这一量级和功能的飞行器的要求。
表格4航电系统可靠性数据
综上所述，本发明的空中交通飞行器的航电系统具有以下有益效果：
本发明实施例提供的航电系统，以双冗余的AFDX总线网络为基础，将综合模块化设计的异构三冗余的飞行控制系统和整机控制系统，以及驾驶舱显示与控制系统、无线通信系统、感知与避让系统、环境控制系统等其他各功能设备组成连接网络，然后通过双冗余的RS485总线网络搭建大气数据系统、组合导航系统等到飞行控制系统的主-从网络，再以RS422总线网络搭建点对多反应快的数据信息传输网络，并集成优化形成飞行器的航电系统，能够达到符合航空法规的安全性要求，并且具有很强的扩展开发空间，能够应用于载人和载货的广阔应用场景，还能够降低空中交通飞行器航电系统的成本。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (10)
1.一种基于AFDX网络的空中交通飞行器的航电系统，其特征在于，包括飞行控制系统(10)、整机控制系统(20)、驾驶舱显示与控制系统(30)和无线通信系统(40)，所述飞行控制系统(10)与所述整机控制系统(20)通过双冗余AFDX总线网络(50)通信连接；
所述双冗余AFDX总线网络(50)包括两套由航空电子全双工网络交换机组搭建的AFDX总线网络，所述驾驶舱显示与控制系统(30)分别与每套所述AFDX总线网络通信连接，所述无线通信系统(40)分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；
所述飞行控制系统(10)包括冗余的至少三个飞行控制计算机(101)，每个所述飞行控制计算机(101)具有实现完整飞行控制功能的系统架构，所述飞行控制系统(10)至少覆盖两个不同的异构系统架构，所述飞行控制计算机(101)分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；
所述整机控制系统(20)包括冗余的至少三个整机控制器(201)，每个所述整机控制器(201)具有实现除飞行控制之外的其他全部功能的系统架构，所述整机控制系统(20)至少覆盖两个不同的异构系统架构，所述整机控制器(201)分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞行控制系统(10)还包括第一表决器(102)，所述第一表决器(102)用于根据所述至少三个飞行控制计算机(101)的监测状态进行计算机故障判断，得到故障判断结果，根据所述故障判断结果进行余度切换；其中，所述监测状态包括所述至少三个飞行控制计算机(101)的自监测状态和互监测状态。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述整机控制系统(20)还包括第二表决器(202)，所述第二表决器(202)用于根据所述至少三个整机控制器(201)的监测状态进行控制器故障判断，得到故障判断结果，根据所述故障判断结果进行余度切换；其中，所述监测状态包括所述至少三个整机控制器(201)的自监测状态和互监测状态。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驾驶舱显示与控制系统(30)包括非相似性冗余的至少两个驾驶舱显示与控制模块，所述驾驶舱显示与控制模块分别与每套所述AFDX总线网络通信连接；所述无线通信系统(40)包括非相似性冗余的至少两个通信控制模块，所述通信控制模块分别与每套所述AFDX总线网络通信连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括感知与避让系统(60)和环境控制系统(70)，所述感知与避让系统(60)通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络(50)通信连接，所述环境控制系统(70)通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络(50)通信连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述感知与避让系统(60)与所述远程数据接口单元通过控制器局域网总线通信连接，所述环境控制系统(70)与所述远程数据接口单元通过控制器局域网总线通信连接。
7.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括大气数据系统(80)和组合导航系统(90)，所述大气数据系统(80)与所述组合导航系统(90)通信连接，所述大气数据系统(80)通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络(50)通信连接，所述组合导航系统(90)通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络(50)通信连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述大气数据系统(80)包括冗余的至少两个大气数据机，所述组合导航系统(90)包括冗余的至少两个组合导航模块；所述大气数据系统(80)与所述远程数据接口单元通过标准485总线通信连接，所述所述组合导航系统(90)与所述远程数据接口单元通过标准485总线通信连接。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括机载无线通信模块(100)，所述机载无线通信模块(100)用于与地面控制系统进行通信；所述机载无线通信模块(100)与所述组合导航系统(90)通信连接，所述机载无线通信模块(100)通过远程数据接口单元与所述双冗余AFDX总线网络(50)通信连接。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述机载无线通信模块(100)包括冗余的至少两个机载无线通信终端，所述机载无线通信模块(100)与所述组合导航系统(90)通过标准422总线通信连接，所述机载无线通信模块(100)与所述远程数据接口单元通过标准485总线通信连接。
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