民航CNS系统测试性设计和实验研究

民航CNS系统测试性设计和实验研究

杨志家

中国民用航空中南地区空中交通管理局通信网络中心 广东 广州 510000

摘 要：民用飞机的通讯、导航、监视系统，事关飞机的航行安全。为了确保国内外旅客的人身财产安全，我国按照国际民航组织的统一要求，在民航CNS系统的构建方面进行了不断的改进和完善。本文在对民航CNS系统的内涵、发展、架构与问题、民航CNS系统测试性的规范要求进行探讨的基础上，对民航CNS系统测试性方案的设计与确定、民航CNS系统测试性实验与实现进行了探讨和研究。

关键词：民航CNS系统； 测试性设计； 实验研究

引言

民用飞机CNS系统是航空电子系统的极其重要的组成部分，它所肩负的通讯、导航、监视功能，事关飞机的航行安全。为了确保国内外旅客的人身财产安全，我国按照国际民航组织的统一要求，在民航CNS系统的构建方面进行了不断的改进和完善，其中，民航CNS系统的测试性设计和实验就是进行技术改进和完善的措施之一[1]。下面本文就这一课题探讨研究如下。

1.民航CNS系统的内涵、发展、架构与问题概述

1.1民航CNS系统的内涵

CNS是英文Communication Navigation Surveillance的缩写，民航CNS系统“C”是指通讯，“N”是指导航，“S”是指监视[2]。CNS系统中的C子系统的功能：一是负责机内的通话广播，记录驾驶舱话音；二是实现飞机与外部的通信联系，主要是飞机与地面、飞机与飞机之间的通信联系；三是向旅客播放娱乐视频。N子系统的功能是对飞机进行引导和定位。S子系统的功能是：一是为飞机提供地形、气象信息；二是为飞机提供避让和交通监视信息；三是增强飞行员在空中的感知能力。

1.2 民航CNS系统的发展过程

国际民航组织（ICAO）为了解决世界各国和地区空中交通管理的分治情况，1990年在第10届世界民航组织大会上，通过了通信、导航、监视和空中交通管理新方案（CNS/ATMglobalcommunication,navigation,andsurveillance/air traffic management）。从此，在全世界范围内建立了一个新的航行系统[3]。

根据国际民航组织（ICAO)的要求，我国在现有航空系统的基础上，逐步向C NS/ATM系统过渡，并进行CNS/ATM系统中相关实验工作。

随着联合式航电系统的发展，“综合”概念的引入，航空电子设备的某些功能也逐步开始研究，开始由局部研究向综合研究的过渡，CNS系统就是在这样的背景下实现通信、导航、监视综合一体化的。民航通信、导航、监视的初期设计思路是由分设开始的，然后再整合成综合的CNS系统的[4]。

1.3民航CNS系统架构设计

在民航CNS系统架构设计的不断改进和完善过程中，民航CNS专业技术人员曾设计过多种改进型的系统架构，归纳起来主要有三种：

第一，CNS系统的传统架构。该系统架构是一种基于总线网（ARINC429）和独立网线的联合式架构。其具体结构详见图1。

图1：传统的CNS系统架构

说明：（1）CSA-控制和状态应用软件；（2）CMU-通信管理单元；（3）RA-无线电高度表；（4）DME钡距仪；（5）GNSS-全球卫星导航系统；（6）MB-才旨点信标；(7)ADF一自动定向仪;(8)VOR-甚高频全向信标;(9) ILS-仪表着陆系统; (10) RNAV-无线电导航系统；（11） SVIODE S-模式应答机；（12）TAWS-形提示和警告系统；（13）TCAS一交通防撞与告警系统；（14） WXR-气象雷达；（15）ISS综合监视系统；(16)ATC -'空中交通管理。

第二，IMA平台的CNS系统架构。该CNS系统架构是建立在ARINC664数据总线网络的基础上的。该平台的通用处理模块(GPM)，采用了符合ARINC653规范的嵌入式实时操作系统，从而实现了航行新技术功能[5]。其具体结构详见图2。

图2：基于IMA平台的CNS系统架构

说明：（1）FMS软件实现了ATC数据链、AOC数据链、FMS数据链以及RNP导航功能；（2）CSA为控制和状态应用软件；（3） AGU为音频网关。

第三，CNS系统分布式框架。这种结构框架的设计标准来自于ARINC 660A/B设计标准，它包括功能定义、功能分配和CNS系统架构三个部分，是一种典型的联合式CNS体系架构。其具体结构详见图3所示。该系统的组成由三部分：一是中央单元；二是RRU（远端无线电单元）；三是天线，最终由总线链路交联。

图3：典型的联合式CNS系统架构

1.4 民航CNS系统存在的主要问题

民航CNS系统存在两个方面的问题：一是系统架构本身存在的问题；二是系统的测试性设计验证方面存在的问题。

第一，关于系统架构本身存在的问题。主要表现在：一是安全不突出，安全性分析比较复杂；二是适航取证较难；三是数据传输环节和转换环节较多，为航行的实时性增添了变数；四是数字化音频综合后，会引发音质变差和音频失真的问题。

第二，关于系统测试性设计验证方面存在的问题。主要表现在：一是对复杂系统的实验不多，一般都是针对单一的设备进行；二是缺乏准确定位和隔离，只局限于对故障的判断；三是只注重功能性指标的测试，忽视了对故障的诊断。

2.民航CNS系统测试性的规范要求

为了确保航行的安全，民航CNS系统的测试性有其规定性的规范要求，具体讲有三个方面：一是按照中央维护系统(central mainte-nance system, CMS）要求，要将故障参数和记录按规定进行上报；二是机内自检测功能齐全，并在进行自检测的同时，要将故障隔离至线性可更换模块和线性可更换单元；三是如果没有进行BIT设计故障模式的，其接口要进行测试设计。除此外，系统的测试性还有定量方面的要求，具体是：虚警率<2%>85% ；故障检测率>90% 。

3.民航CNS系统测试性方案的设计与确定

在民航CNS系统测试性方案的设计与确定过程中，要始终贯彻“系统级”的方法论和测试理念，具体讲：一是进行CNS系统测试性设计；二是对实验方案进行确定；三是实施实验和对实验进行评估。可从两个方面进行：

3.1 系统级FMEA分析与优化

由于CNS系统的待测样本是在系统级 FMEA和模式的基础上生成的，因此，设备级FMEA与系统级FMEA具有较明显的差异性，具体主要表现在四个方面。

第一，在对故障模式分析和任务的可靠性建模方面，不再以LRU为对象来进行，而是按照CNS任务的可靠性和系统的功能框图来进行建模的。

第二， 按照CNS系统的层次性和功能性进行分解。在层次分解方面，先为CNS系统，然后是LRU级产品，再为SRU产品；在系统的功能性电路单元方面，均为最低的约定层次。

第三，根据CNS系统的各种故障，划定故障等级。这种故障等级一般分为四种类型：第一种类型为系统的关键功能和主要功能全部丧失；第二种类型为系统的部分关键功能和主要功能丧失；第三种类型为系统的一部分功能丧失；第四种类型为造成系统设备的非计划性维修和系统性能的降低。

第四，对飞机在实验飞行过程中所出现的各种故障性信息进行认真的收集和整理，对飞机的导航设备、通信设备所产生的故障进行原因分析，找出根治故障的办法和措施。

3.2系统测试性实验方案的设计步骤

第一，对故障模式进行筛选。首先根据系统级FMEA的要求，对CNS系统LRU级故障模式总数进行统计；然后筛选出不符合当前技术状态，不能使用的故障模式；最后将剩余的故障模式纳入实验方案进行设计。

第二，对初步样本量进行确定。首先对CNS系统LRU级故障模式总数和独立的分系统级故障模式总数进行确定；然后根据飞机最低可接受值试验方案的要求，确定样本量和自然故障样本量；最后确定总样本量。

第三，生成样本量分配。采取随机抽样的方法进行抽样，在此基础上制定CNS系统样本量分配表。

第四，对样本量进行补充修订。

第五，根据飞机备选故障样本库的建立原则，在对CNS系统样本量进行分配和补充的基础上，建立飞机备选故障样本库和备选故障样本。

第六，对实验样本进行选择。根据系统样本量分配和补充修订的结果情况，在备选样本库中选取故障样本，进行试验。

第七，对实验结果进行判定。当对故障注入进行成功后，只要经诊断能给出FDE后者给出故障编码，就可认为实验成功，反之就为失败。

第八，对CNS系统故障检测数据进行处理和进行评估。

第九，结果评定的依据和准则。检测率≧90%接收:否则不能接收。

4.民航CNS系统测试性实验与实现探讨

4.1 被测试实验的CNS系统架构

以某大型飞机的CNS系统作测试实验，该种型号飞机无线电设备齐全、通讯手段齐全，具备进行测试实验的条件。其结构图如图4所示。

图4：被测试实验的CNS系统架构

4.2 CNS测试性实验的实施过程

第一，实验流程。根据试验用例设计物理注入和软件注入方法，并形成规范的注入、判别、监控、记录、恢复和异常处理流程。

第二，首轮实验结果进行分析。

经过测试性验证试验首轮测试，发现CNS系统的故障检测能力距指标要求存在较大的差异。在进行总结的基础上，找出存在的问题。

第三，对实验方案改进。

第四，进行第二轮测试性实验。对首轮实验存在的问题进行整改的基础上，进行第二轮测试实验，直到系统故障检测水平显著提高，满足了系统测试性指标的要求为止。

5.结语

综上所述，本文在对民航CNS系统的内涵、发展、架构与问题、民航CNS系统测试性的规范要求进行探讨的基础上，对民航CNS系统测试性方案的设计与确定、民航CNS系统测试性实验与实现进行了探讨和研究。本课题研究具有一定的实际应用价值。

参考文献：

[1]李明.民航通信导航监视运行支持系统设计研究[J].电子技术与软件工程,2022(09):25-28.

[2]牛大力. ATN路由协议自动测试系统的设计与实现[D].北京邮电大学,2016.

[3]朱济杰.国际民航组织CNS/ATM系统的近期进展[J].民航经济与技术,1997(07):54-58.

[4]岳猛,刘志刚,尹盼盼.一体化的CNS专业实验教学体系设计[J].实验室科学,2016,19(03):125-128.

[5][1]雷国志,王雷,王涛涛.民机CNS系统适航验证方法分析与实践[J].电讯技术,2014,54(07):996-1001.