浅谈飞机内部通信技术发展趋势

01

引言

飞机内部通信（以下简称机内通信）系统作为整个飞机的“中枢神经”，承担着不同阶段的飞行任务控制指令、飞机参数、设备工作状态、任务情报数据等传输任务，是沟通全机各系统设备的“路网”，是计算机通信技术在机载电子系统底层的具体实现，一定程度上决定着飞机机载系统性能和综合化程度的高低。

飞机数据按其不同的传输需求可以分为但不限于以下三类：第一类是高可靠性数据，主要包括飞控、导航、动力、电气、起落架等涉及飞行安全的数据；第二类是高实时性数据，主要包括飞行操纵、目标定位、火力打击等涉及快速反馈控制的数据；第三类是大宽带数据，如雷达、电子战、光电等任务载荷获取的情报数据。机内通信技术的发展即是不断提升其传输性能，以满足飞机数据各种不同传输需求的过程，高可靠、高速率、大吞吐量、多功能和更灵活是其发展的方向。‍

02

机内通信发展

概述

从飞机诞生至今的一百多年时间里，机内通信技术不断变革和发展。在通信介质方面，机内通信从最初的普通电线介质发展到双绞线介质再到同轴电缆介质并逐步采用高性能光纤介质；在通信拓扑方面，机内通信从孤立设备之间的从点对点通信发展到共享总线型通信再到网络交换式的通信。机内通信技术的发展带来了数据传输速率的极大提高、数据传输稳定性/安全性的增强以及通信线缆重量/体积的降低，有效提高了飞机整体性能。

从点对点通信到数据总线通信

早期的飞机机载系统大部分设备之间普遍采用点对点专用线缆实现单一发送器与单一接收器之间的信号传输，其功能单一，不具备多设备互联的基本功能。随着机载系统架构越来越复杂、设备分布越来越广、组成越来越庞大，通信电缆长度、重量、体积逐步成为飞机系统的负担。飞机内部繁杂的线缆分布见图1所示。

                                             

图1  飞机内部线缆分布示意

数据总线技术的出现改变了这一情况，大大减轻了飞机系统整体负担。19世纪80年代，美国工业部门为数据总线通信专门制定了军用1553B标准和民用ARINC系列标准，使得数据总线更加规范化，应用也更加广泛。利用总线网络的复用特性，可以实现发送设备向多个接收设备发送数据，在很大程度上减少通信线路的数量（如图2中，由点对点15个独立通信线路可减少为6-7个总线通信线路），减轻通信电缆的长度、重量、体积，并且降低通信网络的杂乱程度。

图2  从点对点通信到总线通信

以数据总线网络取代设备点对点之间传输的电缆网，是基于通信机制的创新，还具备以下优势：

• 可以提升机载数据的实时采集和监测能力，总线监视器设备能以较小的代价直接接入数据总线网络，从中获取全部控制、参数及状态信息，进行信息处理、故障诊断、实时告警；

• 通过统一标准的总线协议对传输消息进行规范化定义，可以使数据传输更加安全、可控；

• 通过不断的改善总线通信协议和机制，以及优化通信介质，可以提升数据总线传输速率（由kbps量级增长为Mbps量级），满足机载系统数据传输需求。

从低速总线通信到高速总线通信

随着计算机技术和信息技术不断发展，超大数据量信息传输和处理成为了制约飞机特别是作战飞机任务性能的主要因素。为了保证电子战、雷达、光电载荷探测到的情报数据能够及时传输到中央处理器进行分选、融合处理、识别、跟踪，保证驾驶舱的飞行员能够及时获取完整准确的战场态势信息，发展出了基于光纤介质的新型数据总线，如IEEE1394总线、FC总线等。下表1为低速总线与高速总线的综合对比。

表1  典型低速/高速机载数据总线综合对比

总线	低速总线		高速总线
	ARINC429	1553B	IEEE1394	FC
传输介质	双绞线、同轴电缆	双绞线、同轴电缆	光纤	光纤
传输速率	100Kbps	1Mbps	200/400/800Mbps	1/2/4/8/16Gbps
拓扑结构	总线型	总线型	环型	网络交换型
最大传输距离	53m	10m	100m	1000m
延迟	/	60μs	/	10μs
误码率	/	10-8	10-10	10-12
特点	结构简单、速度低、价格便宜	成熟、速度较低、价格较便宜	速度较高、支持热插拔、重量轻	速度高、拓扑灵活 、重量轻

数据总线替代低速的铜导线数据总线，是基于通信介质材料和物理拓扑结构的创新，总线串行传输速率有了极大提升，能够达到数十Gbps；且拓扑结构也更加的多样化，传输能力得到增强。庞大的数据传输能力使超清光电视频/图像、高分辨率雷达侦察图像实时传输成为了可能。借助大数据、人工智能技术，作战飞机的任务系统可以从海量情报数据中自主提取目标特征，达到先敌发现、先敌调整、先敌决策、先敌攻击的效果，以快制慢，加速OODA作战环完成。

 从有线通信到无线通信

近年来，随着无线（射频）通信技术的研究和应用日益成熟，无线通信成为机内通信的一个探索方向。21世纪初，美国、欧盟、日本等开始开展航空航天器无线通信组网技术研究，并在基础研究、仿真实验、标准制定以及飞行试验等方面取得了一些成果，探索了蓝牙、ZigBee等无线技术实施的可行性。

世界无线电通信大会（WRC-15）期间，各国审议通过了一项支持“以航空移动（航路）业务进行频率划分、推进航空机载内部无线通信（WAIC）的应用和发展”的议题，可以借助安装在航空器上不同位置的无线传感器，实现驾驶舱与机翼、起落架、发动机、客（货）舱等重要部位通信传输的无线电通信系统。逐步探索民机机载内部无线通信技术。如图3是航空机载内部无线通信技术在起落架系统的基础应用场景。

图3  航空机载内部无线通信技术在起落架上应用

以无线通信替代有线通信，是基于传输模式的创新。飞机内部无线通信技术具备多重优势：首先是设计重量，对于一架大型飞机而言，采用内部无线通信技术可以极大释放原有线电缆的重量，为有效载荷的扩展增加可能；其次，采用无线通信，将会较大程度的释放设备舱空间，减轻地面维护人员拆装设备的难度，提高飞机交付使用后的维护性；再次，无线通信的拓扑结构将更加灵活，便于机载系统的资源余度分配和重构，提高飞机系统整体性能。

03

其它探索方向

无线光通信又称自由空间光通信，以大气作为传输媒介来进行光信号的传送。只要在适当距离的收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，即可实现无线光通信。其基本原理见图4所示。

图4  无线光通信基本原理

虽然无线光通信技术理论还有待完善，且需经过实践检验，但是在飞机内部采用无线光通信具有很大的优势和潜力：

• 频带宽、速率高

理论上，无线光通信的传输带宽与光纤通信的带宽相同。目前国外无线光通信系统一般采用1550nm波长频段，传输速率可达10Gbps，可以满足机载系统传输需求。

• 频谱资源丰富

与射频电磁波相比，无线光通信具有更丰富的频谱资源，且不会与机载原射频通信系统相互干扰。

• 传输保密性好

无线光通信具有很好的方向性和非常窄的波束，因此其传输安全性很高。

04

结束语

机内通信系统的设计需要综合考虑数据总线的通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等能力要求，并且能够尽可能减少其成本、体积、重量以及安装空间，提升飞机整体性能。光纤总线通信和机载内部无线通信是当前主要研究方向，光纤总线通信相对无线通信而言较为成熟且传输速度较快，然而随着无线通信技术的不断发展以及新材料、新技术的不断涌现，飞机设备舱内无/少电缆化通信的愿景正逐步成为现实。

【1】   李方圆．浅谈无线航空电子机内通信系统［J］．数字通信世界，2012( 8) : 77－78．

【2】   张翠平,卢宁宁,张海鹏.飞行器内部信息交互无缆化需求分析和体系构想[J].无线电工程,2017,47(8):9-13.

【3】   杨建新，彭海军，钱玉莹.机载数据总线拓扑结构的数学描述[J].航空计算技术，2017,47(2):113-116.

扫描二维码

关注沈阳所扬州院

了解更多信息