综合模块化航空电子系统

李林剑

【摘 要】综合模块化航空电子系统（ Integrated Modular Avionics，IMA）已成为未来飞机的发展趋势，对IMA的研究显得越来越重要。本文首先综述了航空电子系统的发展历史，然后介绍了综合模块化航空电子系统的基本概念和架构，同时介绍了IMA系统的软件平台，最后介绍了当前最先进的两种IMA架构。只有对IMA系统有深刻地理解，才能更好地发展我国民用客机事业。

【关键词】航空电子；IMA；ARINC 653

0 引言

20世纪90年代，飞机航空电子系统系统发展为综合模块化航空电子系统（Integrated Modular Avionics，IMA），使得飞机进入了一个全新时代。IMA 平台下能够驻留种类繁多、不同功能、不同安全等级的应用，将传统的单独的航空电子系统集中一个通用的平台上，其具有资源分配最优化、最大限度地减小系统体积和重量、降低设备能源消耗等优点。IMA系统是一种开放式系统结构，平台软件和硬件的更新可独立进行，使得修改或升级飞机系统功能都比较容易，满足了飞机经济性、维修性以及不断增长的功能需求。当前新一代飞机除了将数据处理功能和通信、导航和显示等航电功能综合进IMA平台外，一些非航电系统功能，如液压、燃油、电源等系统也被集成到平台里。因此，综合模块化航电系统已经成为飞机的发展趋势，对IMA系统的研究显得越来越重要。本文综述了航空电子系统的发展历史和IMA系统的概念、架构、软件平台以及应用现状。

1 航空电子系统发展历史

航空电子在早期主要是支持飞机起飞、着陆、导航、通信的电子系统。随着技术进步，航空电子系统慢慢发展成包括飞行管理、飞行控制、导航、数据与语音通信、综合监视与机载告警、客舱娱乐、座舱显示、机内通话等主要功能系统。随着飞机功能、设计需求的增多以及电子技术的进步，航电系统的重要性得到不断地提高，并逐步向综合化、模块化、开放式的方向发展。航空电子系统对于飞机的安全性和可靠性越来越重要，同时也不断地提高飞机的经济性和舒适性，因此航空电子系统在飞机设计中的重要性不断提高。先进的航空电子系统目前已成为先进飞机的一个重要特征。

航空电子系统的发展经历了分立式、联合式、综合式到先进综合式这4个阶段。图1给出了4种航空电子系统的演变。

图1 航空电子系统的发展

1.1 分立式航空电子系统

在分立式航空电子系统时代，所有的航空电子系统都是独立的，每一个航空电子系统都是单独完成某个特定的功能，对航空电子系统的操作相当复杂。飞行员需要通过驾驶舱内的控制板和仪表盘去分别获取每个分立的航空电子系统显示信息，然后完成相应的操作与控制。随着飞机的发展，飞机中增加了越来越多的系统，飞行员面对的信息量不断增大，操作的繁琐性也不断增加，对飞机的控制要求越来越难。同时，因为增加了大量的飞机航电系统以及相应的一对一的线缆，飞机的重量也大大增加，制约了飞机的经济性。

1.2 联合式航空电子系统

针对分立式航空电子系统线缆的连接方式，美国空军莱特实验室采用了数据传输总线的方式以及各类标准的物理接口，提出了联合式航空电子系统架构，使得所有的航电系统可以通过数据总线进行传输，大大降低了线缆的重量和体积，提高了飞机的经济性。同时，联合式航空电子系统将显示和控制进行了综合，减轻了飞行员负担，提升了飞机性能。不过随着航空电子系统的复杂性不断提高，联合式航空电子系统也出现了局限性，其只是简单地综合了显示控制，同时总线宽带较低。

1.3 综合式航空电子系统

针对联合式航空电子系统的局限性，莱特实验室在20世纪80年代提出了宝石柱航空电子系统架构，即综合式航空电子系统架构。综合式航空电子系统架构真正实现了航空电子系统的功能综合，由通用数据处理机组成，将不同系统的信息处理和飞机接口功能综合起来，完成数据处理和任务管理功能。综合式航空电子系统是模块化航空电子系统架构，每个模块都是高度综合化、通用化。通用模块的使用提升航空电子系统的可靠性和经济性。

1.4 先进综合式航空电子系统

莱特实验室在宝石柱航空电子架构的基础上，在天线孔径和信号处理领域里使用了综合化、模块化的概念，提出了宝石平台计划，即先进综合模块化航空电子IMA架构。IMA系统采用商业货架产品（COTS）和开放式架构等手段大大降低了航空电子系统的成本，提高飞机系统的可靠性，同时由于维修的简化和通用模块的易于采购，大大降低了飞机航线的维修成本。

2 综合模块化航空电子系统

2.1 IMA系统基本概念

IMA 系统是指先进飞机上的实时计算机平台以及相应的分布式网络，包括若干个计算处理模块以及网络接口，IMA系统上可以驻留不同安全等级的应用程序，各种类型的数据均可接入IMA网络。IMA的核心理念是实现硬件的共享，即多个应用程序可以共享同一个硬件单元，这种共享就可以减少处理单元数、网络数据线、I/O接口数量，同时还可相应地减小航空电子系统的重量、体积、功耗等。

2.2 IMA系统基本架构

IMA系统的基本架构主要由四部分组成，即：IMA机柜、全局数据总线、与全局数据总线连接的设备以及远端数据集中器，与全局数据总线相连接的设备分为可直接与全局数据总线连接的设备和不能与全局数据总线直接连接的设备，如图2所示。

图2 IMA系统基本架构

IMA机柜主要是用来提供存储和计算资源，同时为驻留在其中的应用程序提供相应的接口。IMA机柜由三部分组成：IMA机柜框架、背板和内部功能模块。IMA机柜框架承载了所有机柜内部功能模块，同时为其提供了相应的机械和电气环境。背板为机柜内部功能模块和机柜外的航电设备提供接口，背板分为三部分：第一部分是背板总线，是用来为功能模块之间进行信息传递；第二部分是用来进行电能分配；第三部分是全局数据总线和背板之间的接口。IMA机柜内部功能模块应该被设计成航线可更换模块，方便插拔维护，机柜内部功能模块能够实现不同类型的功能，例如数据存储、核心处理器、电源模块、总线桥、I/O接口、网关等。

全局数据总线用于IMA机柜与飞机其他设备，以及飞机其他设备之间的相互通信。在ARINC 651报告中将ARINC 629总线规范定义为全局数据总线规范。而实际上，IMA 系统所使用的全局数据总线并不仅仅限于ARINC 629总线规范，如空客A380和波音787所使用的全局数据总线便是符合ARINC 664标准的航电全双工交换式以太网。

与全局数据总线相连的设备，按照是否与全局数据总线兼容分为两类。如果设备与全局数据总线兼容，则可以直接将其与全局数据总线相连，与IMA机柜和其他网络上的设备相互通信。如果设备与全局数据总线不兼容，则需要将其与远程数据集中器相连，然后通过远程数据集中器转换为与全局数据总线相兼容的格式，再与IMA机柜和其他网络上的设备相互通信。

远程数据集中器是为不能直接接入全局数据总线的设备服务，既可以作为输入设备也可以作为输出设备。当远程数据集中器作为输入设备时，它将外部设备的数据从离散、模拟或其他总线规范的格式转换为与全局数据总线相兼容的数据格式。当远程数据集中器作为输出设备时，它将全局数据总线传输的数据转换为离散、模拟或者其他总线规范的格式。远程数据集中器还负责监控数据网络上设备的健康状态。

2.3 IMA软件平台

美国ARINC公司在1997年1月发布了ARINC 653工业标准规范，该工业标准规范是专门针对航空电子系统软件平台提出的一系列规范，是为了确保软件平台上的应用彼此间不会互相干扰。目前ARINC 653标准规范已经成为大型民用飞机IMA系统中的主流标准规范，只有满足ARINC 653标准规范的软件平台，才可以在IMA系统中安全稳定地运行。空客A380和波音787的IMA系统所采用的操作系统平台均基于ARINC 653标准规范。

Vx Works 653 Platform便是一种基于ARINC 653标准规范所开发的操作系统，是由美国风河公司研发的一款专门用于综合模块化航空电子系统的嵌入式操作系统。该操作系统可以支持多种硬件平台，具有良好的实时性能。它的时间调度机制为基于优先级的抢占式机制和同一优先级下的时间片轮流调度机制，从而保证了实时性要求。同时它支持区间保护功能，将硬件平台虚拟为各种不同安全等级的区间，确保不同的区间内驻留的软件互不干扰。每个区间的运行状态对整个IMA系统的影响仅局限于每个区间内部，当某一个区间崩溃，并不会影响到其它区间的正常运行。图3是来自风河公司官网的Vx Works 653 Platform操作系统的架构。

图3 Vx Works 653 Platform操作系统架构

2.4 主流IMA系统介绍

目前最新主流的IMA系统存在两种架构，分别为分布式IMA架构和集中式IMA架构，其中空客的A380使用了分布式IMA架构，IMA系统被分为三个不同的功能区域，其数据处理通过不同功能类型的IMA机柜执行。波音的B787使用了集中式IMA架构，公共处理资源在两个集中的IMA机柜中，这两个IMA机柜互为备份。同时B787采用了开放式的通用结构设计，能方便快捷地对IMA设备进行更换和升级。

3 结论

当前随着综合程度越来越高，系统的规模越来越大，架构越来越复杂，使用IMA系统已经成为未来飞机的发展必然趋势。我国想要发展好自己的民用客机，必然需要采用IMA系统，因此必须对IMA系统进行更多更深的了解，必须深刻理解综合化、模块化以及开放式架构的理念，使得IMA系统在国产民机中得到更好的应用。

【参考文献】

[1]郑红燕.民用飞机IMA核心处理系统动态故障树分析[D].南京航空航天大学，2013.

[2]林晨.基于IMA的机电综合系统仿真平台开发[D].南京航空航天大学，2013.

[3]何伦.基于Linux的IMA软件平台的设计与实现[D].上海交通大学，2012.

[4]尤海峰，刘煜.大型民用飞机IMA系统应用分析及发展建议[J].电讯技术，2013，（1）：110-116.

[责任编辑：张涛]