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第1章 绪论1

1.1 2003年以来的进步1

1.2 波音公司方法和空客公司方法比较1

1.3 本书内容概括2

1.3.1 实现支持技术3

1.3.2 航空电子系统功能3

1.3.3 驾驶舱4

1.4 附录4

第2章 航空电子技术5

2.1 引言5

2.2 航空电子技术的发展5

2.2.1 简介5

2.2.2 技术发展6

2.3 航空电子计算8

2.3.1 航空电子计算机的特性8

2.3.2 分辨率（数字化）11

2.3.3 采样率（刷新率）13

2.4 数字系统的输入和输出16

2.4.1 简介16

2.4.2 A／D转换过程17

2.4.3 采样率19

2.4.4 D／A转换20

2.4.5 模拟信号调理22

2.4.6 输入信号保护和滤波23

2.4.7 模拟信号类型24

2.5 二进制算术25

2.5.1 二进制表示25

2.5.2 二进制加法、减法、乘法和除法27

2.5.3 算术逻辑单元27

2.6 中央处理器27

2.6.1 CPU指令格式29

2.6.2 指令执行顺序30

2.6.3 扩展的操作数寻址模式35

2.7 软件36

2.7.1 软件简介36

2.7.2 汇编和编译37

2.7.3 软件工程38

2.7.4 软件设计流程保证38

2.7.5 语言41

2.7.6 面向对象的设计41

2.7.7 自动代码生成43

2.7.8 实时操作系统44

2.8 微处理器45

2.8.1 摩尔定律45

2.8.2 微处理器在航空航天应用46

2.8.3 CPU缓存50

2.8.4 微控制器50

2.8.5 摇摆定律50

2.9 存储技术51

2.9.1 航空电子期望的存储属性51

2.9.2 实用存储技术52

2.9.3 存储设备总结55

2.9.4 存储器层次结构55

2.10 专用集成电路56

2.10.1 ASIC的主要类型56

2.10.2 现场可编程门阵列56

2.10.3 ASIC半定制标准单元设计58

2.10.4 设计工具59

2.10.5 RTCA-DO-25459

2.11 集成电路59

2.11.1 逻辑功能59

2.11.2 MOS场效应晶体管61

2.11.3 IC制造61

2.12 集成电路封装63

2.12.1 晶片探针和测试63

2.12.2 晶片分离和模片固定63

2.12.3 焊线63

2.12.4 封装64

参考文献65

第3章 数据总线网络66

3.1 简介66

3.2 数据数据总线基础67

3.2.1 数据总线概况67

3.2.2 数据编码68

3.2.3 特性69

3.2.4 传输类型70

3.2.5 拓扑结构70

3.2.6 传输速率71

3.3 传输协议71

3.3.1 传输协议概述71

3.3.2 时隙分配协议73

3.3.3 指令／响应协议74

3.3.4 令牌传递协议74

3.3.5 竞争协议74

3.4 ARINC 429总线75

3.4.1 ARINC 429总线概况75

3.4.2 ARINC 429体系结构实现77

3.5 MIL-STD-1553B总线78

3.5.1 MIL-STD-1553B总线概述78

3.5.2 MIL-STD-1553B数据格式79

3.5.3 总线控制器到远程终端传输协议80

3.5.4 远程终端到总线控制器传输协议81

3.5.5 远程终端到远程终端协议81

3.5.6 广播协议81

3.5.7 错误管理82

3.6 ARINC 629总线83

3.6.1 ARINC 629概述83

3.6.2 ARINC 629协议83

3.6.3 ARINC 629总线耦合器85

3.6.4 ARINC 629体系结构实现85

3.7 ARINC 664 Part786

3.7.1 ARINC 664概述86

3.7.2 以太网帧格式87

3.7.3 网络拓扑结构87

3.7.4 冲突避免89

3.7.5 虚连接91

3.7.6 协议93

3.7.7 总结94

3.7.8 电缆95

3.8 CAN总线95

3.8.1 CAN总线概况95

3.8.2 CAN总线消息格式96

3.8.3 CAN总线变种97

3.9 时间触发协议98

3.10 光纤数据通信98

3.10.1 光纤数据通信的属性98

3.10.2 物理层99

3.11 数据总线总结100

3.11.1 数据总线概况100

3.11.2 流量管理技术对比102

参考文献102

第4章 系统安全103

4.1 引言103

4.2 飞行安全103

4.2.1 引言103

4.2.2 飞行安全概述104

4.2.3 事故原因107

4.3 系统安全性评估108

4.3.1 引言108

4.3.2 关键部门、文档和指南108

4.3.3 故障分类109

4.3.4 运行经验110

4.3.5 安全评估流程110

4.4 可靠性110

4.4.1 引言110

4.4.2 失效机理111

4.4.3 可靠性和平均故障间隔时间的关系113

4.4.4 失效概率的评估114

4.4.5 可靠性管理114

4.5 有效性116

4.5.1 引言116

4.5.2 经典概率论116

4.5.3 单一体系结构116

4.5.4 三余度体系结构117

4.5.5 三通道体系结构及其备份118

4.6 完整性119

4.6.1 机内自检测120

4.6.2 交叉监控121

4.7 冗余122

4.7.1 单工体系结构122

4.7.2 双余度体系结构122

4.7.3 双命令监控体系结构123

4.7.4 三余度体系结构124

4.7.5 四余度体系结构126

4.7.6 总结127

4.8 分析方法127

4.8.1 自顶向下方法127

4.8.2 自底向上的方法128

4.8.3 照明系统的例子128

4.9 其他130

4.9.1 风险发生时间（风险时间）130

4.9.2 级联和公共模式故障131

4.9.3 差异132

4.9.4 隔离和分区133

4.9.5 调度有效性134

参考文献135

第5章 航空电子系统体系结构136

5.1 引言136

5.2 航空电子系统结构演变136

5.2.1 体系结构演变的概述136

5.2.2 分布模拟式体系结构138

5.2.3 分布数字式体系结构139

5.2.4 联合数字式体系结构140

5.2.5 综合模块化体系结构142

5.2.6 开放系统标准145

5.3 航空电子系统分区145

5.3.1 飞机系统的系统145

5.3.2 ATA分类146

5.4 航空电子系统结构的例子148

5.4.1 IMA发展简历148

5.4.2 A320飞机航空电子系统体系结构149

5.4.3 B777航空电子系统的体系结构151

5.4.4 霍尼韦尔EPIC体系结构155

5.4.5 A380和A350156

5.4.6 B787159

5.5 IMA设计原则163

5.6 虚拟系统164

5.6.1 虚拟映射介绍164

5.6.2 实现例子：A380165

5.6.3 实现例子：B787167

5.7 分区168

5.8 IMA容错170

5.8.1 容错原则170

5.8.2 数据完整性170

5.8.3 平台健康管理171

5.9 网络定义171

5.10 认证172

5.10.1 IMA认证理念172

5.10.2 平台验收173

5.10.3 主机功能验收173

5.10.4 成本变化174

5.10.5 配置管理174

5.11 IMA标准175

参考文献176

第6章 系统开发178

6.1 引言178

6.1.1 系统设计178

6.1.2 开发过程178

6.2 系统设计指南179

6.2.1 主要的机构和文档179

6.2.2 设计指南和认证技术179

6.2.3 民用飞机与系统开发指南——SAE ARP 4754A179

6.2.4 安全性评估流程执行指南——SAE ARP 4761180

6.2.5 机载系统与设备软件认证——RTCA DO-178C181

6.2.6 机载电子硬件设计安全指南——RTCA DO-254181

6.2.7 综合模块化航空电子设计指南与认证——RTCA DO-297181

6.2.8 美国和欧洲规范的等效性182

6.3 设计过程相互关系182

6.3.1 功能危害性评估183

6.3.2 系统安全性预先评估184

6.3.3 系统安全性评估184

6.3.4 公共原因分析185

6.4 需求的获得与分析185

6.4.1 自顶向下方法185

6.4.2 自底向上方法186

6.4.3 需求获取实例187

6.5 开发过程188

6.5.1 产品生命周期188

6.5.2 概念阶段189

6.5.3 定义阶段190

6.5.4 设计阶段191

6.5.5 制造阶段192

6.5.6 测试阶段193

6.5.7 运行阶段193

6.5.8 退役、改装阶段194

6.6 开发计划195

6.6.1 典型的开发计划195

6.6.2 V形图196

6.7 延长航程的需求198

6.7.1 双发延长航程飞行需求198

6.7.2 设备需求199

6.8 ARINC规范和详细设计199

6.9 接口控制200

6.9.1 接口控制文件202

6.9.2 飞机级数据总线数据202

6.9.3 系统内部总线数据202

6.9.4 系统内部输入、输出数据202

6.9.5 燃油组件接口203

参考文献203

第7章 电气系统204

7.1 电气系统综述204

7.1.1 引言204

7.1.2 广阔的发展趋势205

7.1.3 典型的民用电气系统206

7.2 电气发电机207

7.2.1 发电机控制功能207

7.2.2 直流发电控制208

7.2.3 交流发电控制210

7.3 电源馈电与保护215

7.3.1 电源系统的层次215

7.3.2 电气系统的配置216

7.3.3 电气负载保护217

7.3.4 电能的转换220

7.4 应急电源221

7.4.1 冲压空气涡轮222

7.4.2 永磁发电机222

7.4.3 备用系统223

7.4.4 蓄电池224

7.5 电气系统体系结构225

7.5.1 A320电气系统225

7.5.2 B777电气系统226

7.5.3 A380电气系统229

7.5.4 B787电气系统230

7.6 飞机布线233

7.6.1 飞机断路器233

7.6.2 线束的定义235

7.6.3 布线236

7.6.4 电缆尺寸236

7.6.5 飞机电气信号种类238

7.6.6 电气隔离238

7.6.7 飞机电缆和连接件的特性239

7.6.8 双绞线和四绞线的使用239

7.7 电气安装241

7.7.1 温度和散热242

7.7.2 电磁干扰243

7.7.3 雷击243

7.8 连接和接地244

7.9 信号调理245

7.9.1 信号种类245

7.9.2 信号调理246

7.10 中央维护系统247

7.10.1 A330、A340中央维护系统248

7.10.2 B777中央维护系统251

参考文献252

第8章 传感器254

8.1 引言254

8.2 大气数据系统254

8.2.1 大气数据参数254

8.2.2 压力传感器255

8.2.3 温度传感器256

8.2.4 压力数据的使用257

8.2.5 场压装定258

8.2.6 大气数据计算机259

8.2.7 气流方向探测器261

8.2.8 完整的飞机动静压系统261

8.3 磁传感器263

8.3.1 磁场的组成263

8.3.2 磁偏264

8.3.3 磁航向参考系统266

8.4 惯性导航系统266

8.4.1 位置陀螺仪266

8.4.2 速率陀螺仪267

8.4.3 加速度计269

8.4.4 惯性参考系270

8.4.5 平台校准272

8.4.6 万向平台274

8.4.7 捷联导航系统276

8.5 大气惯导组合系统276

8.5.1 复合系统的发展277

8.5.2 B777应用举例278

8.5.3 ADIRS数据集279

8.5.4 进一步的系统综合280

8.6 雷达传感器282

8.6.1 雷达高度表282

8.6.2 气象雷达284

参考文献285

第9章 通信和导航设备287

9.1 引言287

9.1.1 射频频谱介绍287

9.1.2 设备289

9.1.3 天线290

9.2 通信291

9.2.1 简单的调制技术291

9.2.2 高频通信292

9.2.3 甚高频通信294

9.2.4 卫星通信296

9.2.5 空中交通管制发射应答器299

9.2.6 空中交通告警与防撞系统301

9.3 地面导航设备303

9.3.1 全向信标303

9.3.2 甚高频全向信标303

9.3.3 测距仪304

9.3.4 塔康305

9.3.5 VOR／TAC305

9.4 着陆系统306

9.4.1 仪表着陆系统306

9.4.2 微波着陆系统308

9.4.3 基于GNSS系统309

9.5 空间导航系统310

9.5.1 全球定位系统310

9.5.2 格洛纳斯卫星导航系统313

9.5.3 伽利略卫星导航系统313

9.5.4 北斗卫星导航系统313

9.5.5 差分全球定位系统314

9.5.6 广域增强系统314

9.5.7 局域增强系统315

9.6 通信控制系统315

参考文献317

第10章 飞行控制系统318

10.1 飞行控制原理318

10.1.1 参照系318

10.1.2 典型飞行控制面319

10.2 飞行控制原理321

10.2.1 飞行控制功能的相互关系321

10.2.2 飞行机组接口322

10.3 飞行控制作动324

10.3.1 传统线性驱动324

10.3.2 线性作动器的手动和自动输入325

10.3.3 螺旋驱动325

10.3.4 集成作动组件326

10.3.5 FBW和直接电气链路327

10.3.6 电液作动器328

10.3.7 机电作动器329

10.3.8 作动器应用330

10.4 电传飞行控制原理330

10.4.1 电传飞行控制概述330

10.4.2 典型的操作模式332

10.4.3 波音公司和空客公司理念333

10.5 B777飞行控制系统334

10.5.1 顶层主飞行控制系统334

10.5.2 作动器控制装置接口335

10.5.3 俯仰和偏航通道概述336

10.5.4 通道控制逻辑337

10.5.5 系统集成概述339

10.6 空客飞机飞行控制系统340

10.6.1 空客飞机FBW发展340

10.6.2 A320电传飞行控制系统341

10.6.3 A330、A340电传飞行控制系统343

10.6.4 A380电传飞行控制系统344

10.7 自动驾驶飞行指引系统346

10.7.1 自动驾驶原理346

10.7.2 与驾驶舱的相互关系347

10.7.3 自动着陆349

10.8 飞行数据记录器350

10.8.1 飞行数据记录原理350

10.8.2 数据记录的环境351

10.8.3 未来需求352

参考文献353

第11章 导航系统354

11.1 导航原理354

11.1.1 导航基础354

11.1.2 陆基助航设备356

11.1.3 大气数据和惯性导航357

11.1.4 全球导航卫星系统358

11.1.5 飞行技术误差——水平导航359

11.1.6 飞行技术误差——垂直导航360

11.2 飞行管理系统361

11.2.1 飞行管理系统原理361

11.2.2 FMS人-机接口——导航显示362

11.2.3 FMS人-机接口——控制和显示单元364

11.2.4 FMS功能367

11.2.5 FMS程序369

11.2.6 标准仪表离场369

11.2.7 航路程序370

11.2.8 标准进场航线372

11.2.9 ILS进近373

11.2.10 典型FMS架构374

11.3 电子飞行包375

11.3.1 EFB功能375

11.3.2 EFB实现376

11.4 空中交通管理376

11.4.1 空中交通管理的目的376

11.4.2 通信、导航和监视377

11.4.3 下一代航空运输导位377

11.4.4 独立欧洲空间ATM研究378

11.5 基于性能导航379

11.5.1 基于性能导航的定义379

11.5.2 区域导航379

11.5.3 导航性能383

11.5.4 精确进近385

11.6 自动相关监视——广播模式387

11.7 波音公司和空客公司的实施方案388

11.7.1 波音公司的实施方案388

11.7.2 空客公司的实施方案389

11.8 地形回避与告警系统389

参考文献391

第12章 驾驶舱显示393

12.1 引言393

12.2 第一代驾驶舱：电磁时代393

12.2.1 初期的主飞行仪表394

12.2.2 早期先驱394

12.2.3 经典的机电驾驶舱396

12.3 第二代驾驶舱：光电时代398

12.3.1 先进民用驾驶舱398

12.3.2 B757与B767400

12.3.3 A320、A330和A340401

12.3.4 B747-400和B777403

12.3.5 A380403

12.3.6 B787404

12.3.7 A350405

12.4 第三代：下一代驾驶舱406

12.4.1 不利操作环境改善406

12.4.2 研究领域406

12.4.3 概念407

12.5 飞机电子中央监控系统408

12.5.1 ECAM程序408

12.5.2 ECAM模式408

12.5.3 ECAM页面409

12.5.4 快达航空QF32410

12.5.5 波音飞机发动机指示与机组告警系统410

12.6 备用仪表411

12.7 平视显示视觉指引系统412

12.7.1 视觉指引系统简介412

12.7.2 用于民用运输机的HVGS412

12.7.3 HVGS装置412

12.7.4 HVGS符号系统413

12.8 增强合成视景系统415

12.8.1 概述415

12.8.2 EVS、EFVS和SVS结构415

12.8.3 最低航空系统性能标准417

12.8.4 增强视景系统417

12.8.5 增强飞行视景系统420

12.8.6 合成视景系统422

12.8.7 复合视景系统425

12.9 显示系统结构427

12.9.1 适航条例427

12.9.2 显示有效性和完整性427

12.9.3 显示系统功能元件428

12.9.4 非智能显示结构429

12.9.5 半智能显示结构430

12.9.6 全智能（综合化）显示结构431

12.10 显示可用性431

12.10.1 条例要求431

12.10.2 显示格式和符号指南432

12.10.3 驾驶舱布局结构432

12.10.4 易读性：分辨率、符号线宽和大小433

12.10.5 色彩434

12.10.6 驾驶舱照明状况435

12.11 显示技术438

12.11.1 有源点阵液晶显示器438

12.11.2 等离子显示屏440

12.11.3 有机发光二极管441

12.11.4 电子纸441

12.11.5 显微投影技术442

12.11.6 平视显示技术443

12.11.7 人-机接口444

12.12 飞行控制操纵装置445

12.12.1 操纵品质445

12.12.2 响应类型445

12.12.3 包线保护447

12.12.4 操纵装置447

参考文献447

第13章 军用飞机450

13.1 引言450

13.2 航电和任务系统接口452

13.2.1 导航和飞行管理454

13.2.2 导航辅助设备455

13.2.3 驾驶舱显示器455

13.2.4 通信456

13.2.5 飞机系统457

13.3 应用457

13.3.1 “绿色”飞机的转换457

13.3.2 人员、物资和车辆的运输459

13.3.3 空中加油459

13.3.4 海上巡逻460

13.3.5 空中预警465

13.3.6 对地监视466

13.3.7 电子战467

13.3.8 空中教室467

13.3.9 试验靶场目标／安保飞机467

参考义献468

附录A 飞行控制系统安全分析469

A.1 飞行控制系统结构469

A.2 依赖关系图470

A.3 故障树分析471

附录B 飞行电子仪表系统安全分析474

B.1 飞行电子仪表系统体系结构474

B.2 故障树分析475

附录C 电气系统安全分析478

C.1 电气系统机构478

C.2 故障树分析479

附录D 发动机控制系统安全分析481

D.1 导致发动机空中停车因素481

D.2 发动机控制系统结构481

D.3 马尔可夫分析482