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設(shè)備與工具
適航安全
適航標(biāo)準(zhǔn)
航空電子系統(tǒng)在預(yù)定的使用條件、使用環(huán)境、使用時限之內(nèi)的安全特性。某一系統(tǒng)或設(shè)備滿足適航當(dāng)局所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，并獲得適航批準(zhǔn)（包括裝機(jī)批準(zhǔn)），稱其為滿足適航要求，能裝機(jī)飛行。
現(xiàn)在民用飛機(jī)安全性設(shè)計必須滿足適航規(guī)章要求。飛控系統(tǒng)安全性在適航規(guī)章中集中體現(xiàn)在FAR25.1309條(Equipment, systems, and installations) 和CCAR25.1309條中，該條款定義了系統(tǒng)在發(fā)生故障時不能違背的一系列準(zhǔn)則。
飛行控制系統(tǒng)適航要求關(guān)系
航空電子適航管理存在四種方式：
頒發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項目批準(zhǔn)書(CTSOA);
頒發(fā)零部件制造人批準(zhǔn)書(PMA);
隨飛機(jī)型號合格審定或補(bǔ)充型號合格審定一起批準(zhǔn);
由適航部門掌握的其它批準(zhǔn)方式。
載人飛行的安全等級是要求最高的一類。適航規(guī)章中規(guī)定，載人飛機(jī)的災(zāi)難級故障率要小于1X10-9/飛行小時，假設(shè)系統(tǒng)存在100個災(zāi)難級故障，按照一天乘坐3h計算，那么一個人趕上一次由于系統(tǒng)造成的空難，大約要9132年?？针y事故的原因很多，并非主要由系統(tǒng)故障造成，駕駛員的操作失誤、天氣等各方面因素也是空難的主要原因。實踐經(jīng)驗證明，近幾十年商用飛機(jī)失事概率明顯降低，這與航空工業(yè)技術(shù)水平逐漸提高有很大關(guān)系。
航空電子設(shè)計的主要文檔
航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加和高度綜合使得系統(tǒng)間相互關(guān)系變得異常復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)難度加大。為解決這些問題，航空行業(yè)在多年的實踐中建立了一系列的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)必須遵守。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在設(shè)計過程中承擔(dān)著指南的作用，為復(fù)雜飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計人員提供準(zhǔn)則和便利。
飛機(jī)航電系統(tǒng)開發(fā)所涉及的指南文件
20世紀(jì)90年代中期，工業(yè)界開發(fā)了SAE ARP4754和SAE ARP4761來定義系統(tǒng)開發(fā)過程，不僅涵蓋了飛機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備的保證要求，而且建立了有助于確保要求的安全過程。2010年，SAE ARP4754進(jìn)行了修訂，形成了修訂版ARP 4751A，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了過程保證的重要性，完整描述了飛機(jī)和飛機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程，涵蓋了要求的收集、要求的驗證及要求的確認(rèn)等內(nèi)容。其中，最頂層的概念定義（收集）了要求，不但制定了設(shè)計決策及開發(fā)架構(gòu)，而且還對要求的可行性、準(zhǔn)確性和完整性進(jìn)行了審查和分析（即驗證）。
RTCA 167特別委員會和EUROCAE的聯(lián)合委員會制定了 RTCA DO-178B（也稱為ED-12B），隨后由RTCA和EUROCAE于1992年12月相繼出版。DO-178B為機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備軟件的生產(chǎn)提供指導(dǎo)，按照適航要求，使軟件正確運行的置信度達(dá)到確定的水平。DO-178B代表了航空工業(yè)界的一致觀點，是保證軟件安全的最佳途徑，且DO-178B中規(guī)定的驗證活動對開發(fā)過程中盡早發(fā)現(xiàn)軟件問題有特殊的效用。
2012年底，RTCA發(fā)布了DO-178C，即DO-178B的更新版本，美國局方(FAA)與歐洲局方(EASA)也正是承認(rèn)這一更新版本用于未來的項目。B和C版本之間沒有太大的區(qū)別，這是由設(shè)計決定的，C版本的真正變化是同是創(chuàng)建了配套文檔:DO-330: 軟件工具鑒定注意事項；DO-331: 對DO-178C和DO-278A的基于模型的開發(fā)和驗證補(bǔ)充；DO-332: 對DO-178C和DO-278A面向?qū)ο蠹夹g(shù)和相關(guān)技術(shù)的補(bǔ)充；DO-333: 對DO-178C和DO-278A正式方法的補(bǔ)充。
同樣，RCTA和EUROCAE編制了RTCA DO-254（也稱為 ED-80），為生產(chǎn)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備中使用的電子硬件設(shè)備提供了指南，以便有一個表明硬件按照適航要求正常運行的可信度指標(biāo)。DO-254代表行業(yè)共識，以最佳方式確保電子硬件執(zhí)行其預(yù)期功能并遵守行業(yè)法規(guī)。DO-254提出了在硬件開發(fā)生命周期中完成的典型工作，也體現(xiàn)了行業(yè)對電子硬件開發(fā)的最佳工程實踐的共識。
# RTCA：Radio Technical Committee for Aeronautics，航空無線電技術(shù)委員會；
#EUROCAE：European Organisation for Civil Aviation Equipment，歐洲民用航空設(shè)備組織；
#DO-178B和ED-12B分別是RTCA和EUROCAE的版權(quán)文件。
余度與安全性、可靠性
余度技術(shù)是提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性與安全性的一種手段。采用余度設(shè)計就是用可靠度不高的部件，通過多重配置系統(tǒng)的軟硬件資源并進(jìn)行有效管理，提高系統(tǒng)的任務(wù)完成率，降低失效率余度系統(tǒng)是利用多重設(shè)備執(zhí)行同一指令、完成同一任務(wù)而構(gòu)建的系統(tǒng)，此類系統(tǒng)不是多重硬件和軟件資源的簡單重復(fù)，或多重系統(tǒng)為實現(xiàn)同一目標(biāo)簡單并行工作，而是具有專門設(shè)計的余度結(jié)構(gòu)和行之有效的余度管理功能。
目前飛行控制系統(tǒng)、特別是電傳飛行控制系統(tǒng)為了滿足飛機(jī)高安全、高可靠的需求，都按照多余度控制系統(tǒng)的形式進(jìn)行配置，實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)在工作過程中實時進(jìn)行故障檢測、隔離、處理和申報等功能，提升系統(tǒng)容錯能力水平，達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性、安全性目標(biāo)。
但可靠性和安全性并不完全等同，他們但著眼點不同：可靠性重點關(guān)注故障、任務(wù)失敗以及對經(jīng)濟(jì)性對影響，可靠性越高，系統(tǒng)維護(hù)成本越低；而安全性主要體現(xiàn)在對人身安全的影響。如果良好的安全性是由冗余得到，則得到較高系統(tǒng)安全性的復(fù)雜系統(tǒng)就可能面臨降低維修性、可靠性的代價。故而可以得到這樣的結(jié)論：一切都不可靠，肯定不安全，但部分不可靠，不等于不安全，因為還有余度等措施，可靠性是安全的基礎(chǔ)。
先進(jìn)飛行控制策略
eVTOL飛行器過渡階段是直升機(jī)模式轉(zhuǎn)換成固定翼飛機(jī)模式的中間過程。這個過程中飛機(jī)的氣動干擾和耦合嚴(yán)重，傳統(tǒng)的增益預(yù)置方法很難滿足操穩(wěn)性能指標(biāo)。過渡階段的先進(jìn)飛行控制律設(shè)計是eVTOL飛控的難點之一。
XV-15過渡走廊
智能操控
eVTOL飛機(jī)的智能化分級，和汽車自動駕駛分級很相似，是一個從輔助駕駛、半自動飛行再到最終的全自主飛行的階梯式分級。歐洲EASA與美國FAA的分級方式稍有差異，但整體思路比較接近。當(dāng)前eVTOL領(lǐng)域的發(fā)展基本在Level 2-Level 4階段，國外大部分的頭部企業(yè)還是選擇了以自動化飛行為主，計算機(jī)輔助決策的模式，即Level 2階段。FAA與EASA基本上也是支持這種模式，而中國局方此前新出臺的面向億航的專用適航認(rèn)證規(guī)范則是第一次將無人駕駛載人飛行器的遠(yuǎn)程操控放進(jìn)了適航的專屬條例里，是中國局方(CAAC)的一次嘗試與創(chuàng)新。
從輔助飛行到半自動飛行再到全自主飛行是一個技術(shù)逐漸遞進(jìn)過程，對于各類傳感器的要求也是逐漸提升。特別有必要引入一些新型傳感器，比如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和視覺等設(shè)備。
智能感知融合
eVTOL飛行的場景
在EASA今年3月發(fā)布的“載人垂直起降飛機(jī)機(jī)場設(shè)計技術(shù)規(guī)范”中展現(xiàn)了，eVTOL在城市中運營時會遇到的一些飛行場景。例如自動起降時周圍會有障礙物（高樓建筑）的情況，這類既有障礙物且有遮擋GPS信號可能性的場景都是較為嚴(yán)苛的條件。相比傳統(tǒng)的機(jī)場，城市復(fù)雜場景是一個非常大的挑戰(zhàn)，對航電與飛控的飛行避障帶來了新的挑戰(zhàn)。
示例3D傳感器覆蓋的渲染示例 cr. 空客A3
在樓頂起降、城市避障等復(fù)雜場景下，傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法越來越受到局限，eVTOL飛行器需要借助包括視覺、紅外、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等新型傳感器來實現(xiàn)飛行器更為強(qiáng)大的城市空中高精度導(dǎo)航和飛行。類似于自動駕駛的發(fā)展，可以預(yù)見智能感知融合將是eVTOL導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)。此外傳統(tǒng)航圖以及普通高精地圖也無法滿足eVTOL飛行器的導(dǎo)航需求，城市空中三維航圖的需求亟待滿足。如何將新的導(dǎo)航方法融合到現(xiàn)有的適航體系中是UAM飛行系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵要點之一。
圖中空客A3驗證機(jī)掛載了激光雷達(dá)，在起降過程中，激光雷達(dá)可以感知周圍環(huán)境的點云數(shù)據(jù)。不論是eVTOL還是其他民用飛機(jī)，激光雷達(dá)、視覺或是毫米波雷達(dá)等新型傳感器能夠提高飛機(jī)的自主感知能力，以及駕駛員的態(tài)勢感知和實時決策能力。
極簡操控（SVO）
從操控角度來說，類比汽車行業(yè)，原來傳統(tǒng)汽車的操控方式是方向盤加上油門腳剎。到了自動駕駛時代，電動汽車逐步使用PAD或者觸摸屏的方式進(jìn)行人機(jī)交互。未來的eVTOL操控模式，我們也將看到觸摸屏的交互方式，指點控制飛行目的地。智能交互與新型操控方式大幅降低了飛行員的負(fù)擔(dān)，能夠更好的保障飛行的安全。
在出于安全、易用、自動化等需求驅(qū)動，eVTOL飛行器在城市飛行場景下的極簡操控方式（SVO)應(yīng)運而生。SVO是“Simplified Vehicle Operations”的縮寫，主要路線是基于飛行自動化技術(shù)來降低對飛行員必須具備操控飛機(jī)的技能要求。2015年后隨著AAM/UAM場景發(fā)展，F(xiàn)AA、NASA和GAMA等機(jī)構(gòu)推動了SVO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。
從人機(jī)交互界面看，極簡操控模式（SVO）相比傳統(tǒng)飛行器操控更加直觀、簡單。但從算法層面或是飛行控制角度看，SVO對于eVTOL飛行包線提出了更高的要求，特別是在飛行包線保護(hù)和過渡態(tài)自動飛行方面，需要功能更加強(qiáng)大的飛行控制系統(tǒng)。從起飛前的自動化飛行計劃，到空管員遠(yuǎn)程接入改變航線，將逐步形成一個全自動化飛行的方式。
另一方面，傳統(tǒng)的飛行員培訓(xùn)成本非常高昂，已經(jīng)成為制約傳統(tǒng)通航發(fā)展和普及的主要因素。若eVTOL飛行器使用觸屏和全新的簡易操控模式，飛行員只需專注于執(zhí)行層上的決策，體驗更加簡單方便。未來SVO可以快速提高eVTOL在大眾的普及程度。
通用適配
eVTOL場景下對模塊化通用化設(shè)計，以及如何控制成本和經(jīng)濟(jì)性提出了更多的要求。如果以汽車行業(yè)自動駕駛系統(tǒng)來類比，自動飛行系統(tǒng)同樣要考慮到成本控制、系統(tǒng)復(fù)用性以及未來的維護(hù)和升級。
傳統(tǒng)民航飛行項目的研發(fā)方式通常是一個項目對應(yīng)一套飛控和航電系統(tǒng)，開發(fā)和適配周期非常漫長。傳統(tǒng)OEM-Tier 1模式很難應(yīng)對當(dāng)前eVTOL飛行器研發(fā)快速迭代的需求。為了應(yīng)對這一變革，目前國際上新的航電架構(gòu)在不斷發(fā)展革新，跨平臺應(yīng)用成為了一個新的發(fā)展方向。
為什么航電系統(tǒng)需要跨平臺開發(fā)？一方面飛機(jī)中引入了智能化高算力設(shè)備，安全等級相對不高，另一方面在規(guī)劃控制方面，對于舵機(jī)電機(jī)的控制安全等級要求非常高，但是算力有限。如何在這些不同平臺不同操作系統(tǒng)之間協(xié)同工作，就是一個新型的跨平臺模塊化航電架構(gòu)。
如此的開放式架構(gòu)具有可移植、模塊化、解耦合、易升級、可拓展等特點，可降低壽命周期成本也縮短開發(fā)部署時間。
目前，具有代表性的開放式系統(tǒng)架構(gòu)是由美國海軍提出的的未來機(jī)載能力環(huán)境（FACE，F(xiàn)uture Airborne Capability Environment），INSKY新一代的航電架構(gòu)也是基于FACE的設(shè)計。
FACE提出未來機(jī)載能力環(huán)境概念，目標(biāo)是建立一個公共操作環(huán)境，以支持軟件在任意機(jī)載電子系統(tǒng)上的移植和部署。FACE通過制定一個嚴(yán)格的開放標(biāo)準(zhǔn)集合，采用開放式體系結(jié)構(gòu)、集成式模塊化航空電子系統(tǒng)和模塊化開放系統(tǒng)分析方法，使航空電子系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用程序之間的互操作性最大化。
未來的航電
目前eVTOL當(dāng)前航電和飛控還是面臨著很多的挑戰(zhàn)，更多的是滿足功能需求為主，由于一些歷史原因，航電和飛控本身發(fā)展也相對較晚，特別是面向適航認(rèn)證仍是較大挑戰(zhàn)。當(dāng)前主流研制的航電飛控都是基于MBD的設(shè)計，面向適航認(rèn)證的方向去開展。
航空電子也是一個非常寬泛的概念，傳統(tǒng)航電系統(tǒng)中必備的TCAS交通防撞系統(tǒng)、GPWS近地防撞系統(tǒng)等是否有必要同樣引入eVTOL飛行器當(dāng)中，暫時也并無一個完全的定論。隨著行業(yè)的發(fā)展，eVTOL航電飛控的架構(gòu)和發(fā)展也會在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的進(jìn)化，越來越安全、智能和通用。
參考文獻(xiàn)
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[4] Advanced Flight Control System Failure States Airworthiness Requirements and Verification, Yani Zhang, Yan Li, Duo Su, Lei Jin, 2014.12
上海獅尾智能化科技有限公司，成立于2015年，公司研發(fā)團(tuán)隊擁有航空、人工智能、自動駕駛等行業(yè)背景，從事無人智能機(jī)器人開發(fā)應(yīng)用，其中核心研發(fā)團(tuán)隊人員碩士以上占50%。
公司主營業(yè)務(wù)為無人機(jī)技術(shù)研發(fā)和工業(yè)無人機(jī)應(yīng)用，并擁有研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)、培訓(xùn)等完整 的業(yè)務(wù)鏈。公司項目結(jié)合無人智能體對大帶寬、高可靠和低時延的組網(wǎng)應(yīng)用需求，利用4G/5G蜂窩網(wǎng)技術(shù)，將人工智能技術(shù)實施部署到無人智能體平臺上，開發(fā)智能網(wǎng)聯(lián)管理模塊和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，解決當(dāng)前無人智能體在垂直行業(yè)的應(yīng)用問題。主要商業(yè)應(yīng)用場景為城市工業(yè)巡檢，如移動基站巡檢、交通道路巡檢、消防巡檢、公安治安巡檢、建筑施工巡檢等場景。
公司坐落于上海浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)，擁有完善的管理、市場、服務(wù)體系，無人機(jī)產(chǎn)品在業(yè)界及海內(nèi)外具有良好的口碑與極強(qiáng)的市場競爭力，廣泛應(yīng)用于測繪、能源、警用安防、生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域，遠(yuǎn)銷美國、俄羅斯、巴西、非洲、東南亞等國家和地區(qū)。
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