民用无人直升机综合模块化航电系统研究

无人直升机具有机动灵活、垂直起降和空中悬停等功能，飞行时不受场地环境限制，作业风险低，使其具有广泛的使用价值和应用前景，可应用于反恐防暴、海事监控、搜索救援、警务执法、交通疏导、农林作业、大气监测、森林防火和电力线路监测等多个民用领域。随着我国低空空域的逐步开放，中小型无人直升机在民用市场的竞争也日益激烈，未来高性能、低成本的无人直升机将占据市场主导地位。

本文的无人直升机航电系统是指广义的机载航电设备，包括飞行控制、通信、导航、传感器、任务控制等机载电子设备。它是无人直升机的神经中枢，决定着无人直升机的性能和成本。为了满足未来民用领域高可靠性、长航时、多任务和智能化的需求，将对无人直升机航电系统的功能和性能提出更高的要求。若采用传统联合式或分立式航电系统，势必导致航电系统日趋庞杂，设备的数量、重量、体积、成本将大幅增加，从而降低无人直升机的机动性、可靠性和任务承受能力。为解决这一瓶颈以适应未来发展趋势，无人直升机航电系统必须实现通用化、模块化和重构化。

发展背景

目前，国内无人直升机航电系统大部分采用联合式或分立式架构，机上的航电设备都是独立发展的，尽管考虑了各设备之间的接口关系和相互影响，但没有把机载航电系统作为一个整体进行设计。随着无人直升机航电系统复杂程度的增加，使得传统航电系统出现以下弊端。（1）研发和维护成本日益增加。（2）性能重量比和性能体积比下降。（3）系统庞杂，降低了可靠性和可用性。（4）扩展和通用性差。联合式航电系统的软硬件与平台及任务场景密切相关，缺乏通用性和可移植性，每种飞机的航电系统很少能够互用，导致功能扩展和技术升级时需要很长的研发周期和费用，市场灵活性差。针对商用飞机和战斗机的航电系统，以美国“联合先进攻击战斗机”（JAST）计划及“宝石台”（Pave Pace）计划为代表，北约联合标准航电系统结构委员会（ASAAC）提出了综合模块化航电系统的（IMA）概念，并成功应用于F-35、F-22、A380、B787、C919等，综合模块化航电系统在有人机上的发展已经达到了前所未有的水平。已成功商业化的S-100无人直升机就采用了综合电子设备机箱，如图1所示，箱内集成了飞行控制模块、数据链控制模块和电源模块，充分发挥了综合模块化航电系统的优势。

综合模块化航电系统主要是应用集成化和模块化设计思想，把独立机载电子设备进行综合集成化设计，使功能独立的外场可更换单元（LRU）变成现场可更换模块（LRM），并将它们按照标准尺寸和接口协议综合到一个机箱中，各模块通过背板总线互连，实现资源共享、信息容错和快速配置。因此，研究无人直升机综合模块化航电系统对于我国民用无人直升机的发展具有重要意义。

系统设计

现有的中小型无人直升机大多采用联合式航电系统，图2就是一个典型的联合式航电系统组成图。联合式航电系统特点是功能设备分立、电子设备多、架构复杂、重量大、安装空间不足，采购成本高，敷线繁杂。从而影响了任务承载能力和市场竞争力。为解决以上问题，本文基于综合模块化航电系统技术，搭建了一种综合模块化的民用无人直升机航电系统平台。

系统架构

联合式航电系统可参考以下原则完成综合集成化设计，使各功能设备综合成具备独立功能的可更换模块。

（1）资源共享

充分实现资源共享，在不影响性能的同时，减少模块数量。如现有的微处理器都能满足大数据的计算和处理，因此，可将飞行控制系统计算机内部的计算处理部分与任务管理计算机集成为一个专业飞控计算模块，作为无人直升机的大脑，负责处理所有飞行控制、系统监控和任务管理等数据计算工作，并可以根据任务可靠性的要求，通过增减相同的飞控计算模块配置成多余度架构。所有外围的信号采集处理设备（如电气信号采集器和发动机采集器）可与原飞控计算机内部的接口电路综合，形成独立的接口模块，并可根据不同平台的接口特性配置模块的数量和种类，快速适应平台的改装和升级。各模块由电源模块通过总线背板统一供电。

（2）接口统一

各模块的外形尺寸和重量参考工业VITA48标准，并建立统一的硬件接口规范和软件协议，尽量采用商用货架（CTOS）技术，满足模块可更换、系统可扩展、软件可升级的要求，而对于内部实现不做要求。如遥控遥测组合可采用软件无线电架构综合成遥控遥测模块，建立标准化波形接口规范和数据链路适配规范，支持波形重构，适用于不同的无人机平台。

（3）灵活配置

综合模块化航電系统可以针对不同的任务场景进行灵活重构，客户可根据模块配置和任务场景拓扑表进行快速定制。各模块可按功能类别分为标配模块和选配模块，标配模块是保证平台正常工作最基本的配置，如飞控计算模块、存储模块、电源模块、接口模块、导航模块、大气模块都是完成飞行任务的必要模块。选配模块是可根据不同的客户或任务需求增减的专用模块，如应答机模块、图像处理模块等。另外，还可以按关键等级分为关键模块和非关键模块，依此对各模块进行故障处理和供电保护。

（4）分类综合

由于部分传感器或其前端必须安装在机身蒙皮外侧或特殊部位，不宜综合，如磁航向计、天线、温度传感器、全压受感器和着陆测距器等。考虑舵机控制器功耗较大，若综合到机箱内部，大散热量和大电流可能对各模块的散热、电源特性、电磁兼容造成影响，可将舵控器的功放和控制模块综合到各舵机内部，不但减轻了重量还提升了系统可靠性。

按此原则对联合式航电系统进行了综合，搭建了如图3所示的综合模块化航电系统架构。

功能模块

综合模块化航电系统架构通常包括以下几个模块：

（1）飞控计算模块：该模块为无人机系统的核心模块，采用高性能处理器，加载飞控应用程序后，可独立完成原飞控计算机控制律解算、指令输出、任务管理、发动机控制等工作。若配置2块相同的飞控计算模块，可实现飞控功能的余度配置，增加了系统的灵活性和可靠性。

（2）电源模块：单电源模块可通过背板电源总线给其他模块提供所需二次电源，综合了原设备的电源模块，使系统供电共享。双电源卡的配置可实现供电余度。为保证关键模块的供电安全，可采用分类供电、非关键模块短路保护、电源监控等安全措施。

（3）导航模块：导航模块集成了高精度的三轴微机电系统惯性测量单元（MIMU）和卫星接收机单元，信息融合计算后可向飞控计算模块提供飞机姿态和位置信号，代替原陀螺仪、角速率仪、加速度计、GPS接收机和磁航向计设备。

（4）接口模块：接口模块集成了原飞控计算机接口单元和发参采集器。作为综合航电系统与外部通信的枢纽，接口模块具备模拟量输入输出、离散量输入输出、频率采集、数字串口通信等功能。根据外部信号的特性可配置不同种类和数量的接口模块。

（5）遥控遥测模块：与地面站进行遥控遥测数据的通信，综合C/UHF射频单元和机载收发组合。采用软件无线电技术，支持波形配置、加载和重构，实现了分频段通用，有效地提升了系统资源的利用率和鲁棒性。

（6）其他模块：外置的大气计算机、无线电高度表、应答机都可以按照统一的接口标准综合成内部功能模块，可根据不同的任务要求进行组合配置。

总线布局

综合模块化航电系统都是通过背板总线实现各模块之间的数据交换，常用的总线形式有ARINC429、1553B、AFDX和CAN。其中，ARINC429总线的传输速率仅有100KB/s，只能实现主从传输，不适用于多主模块之间的传输。1553B虽然具有多主双向输出特性，但需要专用总线控制器，且价格昂贵。AFDX总线可实现高速数据传输，适用于大数据量的传输。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是国际标准的现场总线，网络各节点之间的数据通信实时性强，低成本，开发简单，节点个数在理论上不受限制，速率高达1Mbps。考虑成本和重量因素，CAN总线非常适用于中小型民用无人飞行器。为保证系统可靠性，本架构采用双余度CAN总线布局。

CAN总线布局具有以下特点：

（1）数据共享：各模块可通过总线访问其他任何模块，实现了数据共享。

（2）扩展性更好：外部设备或扩展机箱与CAN外部扩展口连接，即可接入CAN总线，与内部各模块通信，如舵机可通过扩展CAN口与飞控计算模块通信。

（3）可靠性高：由于系统结构采用容错设计，使得任一模块的故障并不影响其他模块的工作。

（4）由于每个模块已经对局部数据进行了处理，因此，减轻了飞控计算模块的数据处理负担，使其更好地控制和管理整个系统。

（5）有效减少外部布线，减轻线束重量。为克服CAN总线的传输速率的瓶颈，局部模块之间的高速数据传输采用专用总线通道进行通信，如图像处理模块与遥控遥测模块需要通过专用高速视频总线进行传输。

结构设计

综合化模块都有专用的封装标准，如欧卡ASAAC、美国SEM-E、VITA48等标准系列。其中，VITA48是从工业标准升级而来，在技术开放性、技术难度、兼容性等指标上都有着良好的表现，采用了CTOS技术，成本较军用SEM-E模块更有优势，非常适合民用无人直升机航电系统的模块设计。本文基于VITA48标准，结合实际情况，对3U或6U板进行特殊封装。

该封装具有以下特点：（1）底部总线连接器采用MultiGig RT2连接器，对电源和信号针脚统一分区定义，支持模块在机箱任一槽内热插拔。（2）配置的相同模块可通过模块地址跳线进行区别。（3）对外接口普通和特殊连接器安装在托板上，如射频接头，可避免特殊转接，插拔自如，支持故障隔离测试等。（4）对于要求严格模块可独立封装，增加静电放电保护外壳和散热金属片。

机箱是各模块的安装平台，用于固定模块和各模块的电气互连。本系统采用整体式抽屉框架结构，机箱周围侧面采用槽型散热片，内部增加导向槽，箱底安装总线背板。可同时插入10块6U模块和8块3U模块，各模块嵌入在抽屉式框架内，插拔自如。模块托板端面压入，使模块之间无任何间隙，保证抗干扰能力。机箱侧面留有CAN总线的外部扩展连接口。综合化航电机箱如图4所示。

结束语

将综合模块化航电系统技术应用在民用无人直升机航电系统升级中，突破传统航电系统的技术瓶颈，不但可以大幅减小航电系统的重量和体积，提升系统的可维护性和可靠性，缩短研制周期，降低全寿命周期成本，还可以灵活配置和重构，快速响应市场需求，综合提升民用无人直升机的市场竞争力，对于推进我国民用无人直升机的市场化进展具有重要意义。

（何劍钟 严峰，中国直升机设计研究所）