科普了科普了飞机的光传操纵系统！！！！！！！！！！！ ...

据说歼20采用光传操纵系统

1　飞行操纵系统的发展历程

　　早期的飞行操纵系统是由简单的钢索（软式）、滑轮、连杆（硬式）和曲柄等机械部件组成，驾驶员通过直接操纵机械传动系统来控制飞机的操纵舵面，实现对飞机姿态和飞行轨迹的控制，此时可不考虑系统本身的动特性，只需对摩擦、间隙和系统的弹性变形加以限制，便可以获得满意的系统性能.随着飞机设计的发展和飞机速度的不断提高，即使使用了气动力补偿，驾驶员的体力已不能适应作用于操纵舵面上的空气动力载荷，液压助力器便因此而产生，此系统实际上仍是一个除驾驶员外开环的机液伺服系统.伴随着飞行包线的进一步扩大，飞机的稳定性与可操纵性之间的矛盾更加突出，相继出现了增稳操纵系统和控制增稳操纵系统，这时的系统已在局部使用了电传操纵技术，但操纵系统仍以机械通道为主控通道.为实现最佳气动布局的飞机设计，在电传操纵余度技术逐渐趋于成熟的条件下，操纵系统的机械通道有被电传通道完全取代的趋势，这便产生了当今已被广泛使用的电传操纵系统［1］.

2　光传操纵系统的提出及其特点

　　目前电传操纵系统已经成为各类飞机基本的主操纵系统，与传统的机械操纵相比有很多优点，如操纵系统重量和体积的大幅度减少、战伤生存力的提高、精微操纵信号传递的改善以及方便地实现与其它自动控制系统的结合，并同时改善了飞机的稳定性、操纵性和机动性，为在随控布局飞机（CCV）上实现主动控制技术（ACT）的各种功能打下基础.尽管电传操纵系统具有诸多优点，但其存在的问题也是不容忽视的，电传操纵除单通道可靠性较低，而余度系统的成本又较高以外，其最致命的弱点是易受雷电和电磁脉冲波（核辐射）干扰的影响.针对电传操纵系统存在的问题，提出了光传操纵系统的方案.
　　机载作动系统的控制信号光传，即光传操纵FBL，是继电传操纵FBW之后发展起来的一项用于飞行控制信号传输的新技术.根据控制信号传输媒介的不同，相对于FBW系统可将FBL系统定义为：以光代替电作为传输载体，以光导纤维（或光缆）代替电导线（电缆）作为物理传输媒质，应用光纤数据传输技术在飞控计算机之间或飞控计算机与远距终端（如舵机等）之间传递指令和反馈信息的飞行控制系统，如图1所示.



图1　典型光传操纵系统方框图

　　就机理而言，由电传操纵到光传操纵是一个质的飞跃，因此光传操纵具有传统操纵系统所无法具备的特点，幸运的是，光传操纵所具备的优点与未来飞机操纵系统的需求相当一致.
　　1) 在强电磁干扰下飞行.电磁干扰通常可分为外部干扰（来自飞机外部的不期望的各种导航、通讯设施和所有人为或天然的电磁干扰源）和内部干扰（由机身内部的通讯、导航、传感器变送系统和能源系统等引起的辐射或传导噪声）.由于现代数字电子技术、多电（more electric）飞机作动系统和现代空战中电子干扰战术的应用，以及全球范围内高强辐射源的剧增，使得飞机安全飞行环境的电磁干扰和核辐射的问题更为突出.同时越来越多地采用复合材料将导致系统中的电子元器件失去传统飞机金属蒙皮的屏蔽保护，即使是具有良好屏蔽的复合材料蒙皮，其对外部环境的干扰亦仅可提供不超过70dB的衰减［2］.目前解决这一问题的根本途径就是采用纤维光学系统，由于依赖于光进行工作，因此具有固有的抗电磁干扰能力，可使对飞机的电磁干扰衰减若干个数量级［3］.此外，由于光纤内传播的光能几乎不向外辐射，因此不会造成同一光缆中各光纤之间的串扰及故障扩散.
　　2) 减轻机载设备重量.飞机的重量与飞机的机动性和整体性能紧密相关，进一步减轻机载设备的重量是十分有益的.以光纤一对一地替换FBW系统中的电导线，所需光纤的总重仅为原电导线总重的1/20［4］，在运输机（如MD-12）上，仅此一项即可减重500kg左右［5］，如果再将除操纵系统之外的其它系统的信号传输线（电缆）以光缆代替，并考虑到由于光纤的使用大大减少了FBW系统所必需的屏蔽设施，飞机的整体重量还可大大减轻.即使在战斗机上，借助光纤的多路传输（如频分复用、波分复用或光载波复用/解复用）技术，在1根光纤中可传输多路不同的信号，因此可以大大减少所需光纤的总量，例如F/A-18的每一个作动筒平均有15路分立的信号线［6］，改用FBL技术后只需1根光纤即可实现15路电导线所完成的信号传输功能.
　　3) 数据传输速率高和传输容量大.对于大多数飞控系统来说，1Mbps的导线式应答总线传输速率是足够的，但先进的UMS和VMS系统对于传输速率的要求高达5～20Mbps，只有满足美国标SAE AS-1773A的光纤数据总线才可胜任［7］.由于光传输的高速率，可以采用分时的方法在一根光纤中传递多路信号，同时也为应用频分和波分等复用技术提高数据传输容量提供了很大的潜力,如字长为20位时,一路光纤传输10000路信号的频宽可达100Hz.
　　4) 改善系统的动态特性.随着飞机电子系统的日益集成化和复杂化，电传操纵系统已不能满足进一步改善系统性能的要求，而光传系统高速率、大容量的特点为提高系统频宽提供了相当的潜力，同时，FBL系统的减重亦可改善军用机的机动性.此外，光纤与神经网络技术的结合为有效地实施最优控制设计提供了可能.
　　5) 提高飞机的总体性能及燃油经济性.无论是商用飞机还是军用飞机，其总体性能的改善与飞机整体的减重总是紧密相关的，FBL系统重量轻这一特点将可直接增加飞机的有效荷载和续航能力，或减少燃油消耗.
　　6) 降低验证费用，改善成本-效益指标.验证航空电子设备和飞行控制系统的复杂程度及所需费用急剧增加，用于MD-11（装备有传统的FBW操纵系统）上的EME整机验证费用约达1200万美元［4］.由于光纤固有的抗电磁干扰特性，对于光纤接口和光缆传输系统则仅需要进行部件级的EME验证实验，而无需再进行昂贵的整机EME验证.此外，由于光纤总线频宽高，因此可以在飞行控制系统验证中提供更迅速的方法辨识飞机的飞行动力学和稳定性参数，大大减少飞机控制律的研制开发周期，进而减少验证费用.研究表明，FBL与PBW的结合使飞机的可靠性、可维护性和易损性均得到10％～14％不同程度的改善［4］，而FBL与神经网络技术的结合可实现控制系统故障的实时辨识，有效地减少维护费用.
　　现在实用的光纤传输系统中，就其传输体制而言，与电信号传输处理系统比较还处于初级阶段.例如，在信号调制解调技术方面，光纤系统主要利用的还是光强度调制方式.至于调频或调相技术的应用，受到光源和光波导元件某些性能的限制，还远不及电信号系统发达.因此，光频带宽资源的利用还很不充分；初级阶段的另一方面的体现是，现在光纤系统对电系统的依赖性极大［8］，即现有光纤系统着重实现的是信息传输环节，而有关信息处理的问题均由电系统完成，这将限制光纤系统高速性的发挥，但也同时预示着未来光纤系统发展的潜力.

3　一种新的光传操纵方案

　　自从1976年波音公司和麦道公司开始研制光纤飞控数据链以来，光传操纵的研究经历了美国空军/波音公司先进数字光传作动系统计划（ADOCS）、NASA/麦道公司的纤维光学系统集成化计划（FOCSI）等几个主要阶段，以及现在仍在执行中的美国国防部高级研究计划署的先进光传系统硬件计划（FLASH），并已在F-18系统验证机上试飞信号光传闭环飞控作动系统.总之，当前国外对FBL的研究已进入验证阶段，已经开始采用数字光传、光传数据总线等先进技术，而我国的此项研究还刚刚起步.针对我国当前技术水平现状，提出了一种新型的光传操纵方案——准数字光传操纵系统.
　　准数字光传操纵系统方案，分别在光信号发射和接收端的电环节上，采用成熟的V/F和F/V转换技术对传输信号进行调制与解调，将原来与电压相关的光强模拟信号转换成与电压相关的光频率信号（称之为准数字光信号）在光纤中传输，其原理如图2所示.发射端和接收端的转换电路图分别示于图3和图4.并将此方案用于某舵机实验系统中，该系统只是在伺服阀控制信号的传输中使用准数字光传方案，当然可以方便地引用到其它信号传输通道，如反馈信号通道等.



图2　准数字光传原理框图



图3　V/F及E/O转换电路图



图4　O/E及F/V转换电路图

　　准数字光传方案与光强调制的模拟传输和光纤数字传输相比有如下特点：
　　1) 因为光信号的传输是频率计数，因此克服了模拟传输时的非线性衰减所带来的问题，光纤特性的要求可大大降低，本实验采用的是价格较低的塑料光纤；
　　2) 由于该方案采用的是LED/PIN发射/接收方式，与先进的具有激光发射/接收装置的数字传输方式相比，其成本大幅度下降；
　　3) 与数字传输方式相比，结构简单，可靠性高；
　　4) 适合于短距离、小容量的信号传输.

4　结　论

　　通过对准数字光传操纵方案的实验证实：
　　1) 准数字光传环节的频宽（以Vin为输入，以Vout为输出）达500Hz以上，可以满足飞行操纵系统对其动特性的要求；
　　2) 准数字光传操纵系统的结构简单，可靠性高，并且成本低；
　　3) 准数字光传环节的线性度可以满足飞行操纵系统的要求.
　　总之，飞行操纵系统的控制信号光传是未来发展的必然，高速率数字式光传数据总线的进一步开发及相应硬件的研制将是近期的主要任务，而从根本上摆脱对电的依赖性，对信号处理的“光学化”是今后的发展趋势.我国在此方向的研究处于起步阶段，结合我国当前的技术发展现状开发研制相应的光传操纵系统是十分必要的，尽管准数字光传不能代表光传操纵的发展趋势，但对光传操纵的基础研究是我国赶超国外研究水平所必需的.据说歼20采用光传操纵系统

1　飞行操纵系统的发展历程

　　早期的飞行操纵系统是由简单的钢索（软式）、滑轮、连杆（硬式）和曲柄等机械部件组成，驾驶员通过直接操纵机械传动系统来控制飞机的操纵舵面，实现对飞机姿态和飞行轨迹的控制，此时可不考虑系统本身的动特性，只需对摩擦、间隙和系统的弹性变形加以限制，便可以获得满意的系统性能.随着飞机设计的发展和飞机速度的不断提高，即使使用了气动力补偿，驾驶员的体力已不能适应作用于操纵舵面上的空气动力载荷，液压助力器便因此而产生，此系统实际上仍是一个除驾驶员外开环的机液伺服系统.伴随着飞行包线的进一步扩大，飞机的稳定性与可操纵性之间的矛盾更加突出，相继出现了增稳操纵系统和控制增稳操纵系统，这时的系统已在局部使用了电传操纵技术，但操纵系统仍以机械通道为主控通道.为实现最佳气动布局的飞机设计，在电传操纵余度技术逐渐趋于成熟的条件下，操纵系统的机械通道有被电传通道完全取代的趋势，这便产生了当今已被广泛使用的电传操纵系统［1］.

2　光传操纵系统的提出及其特点

　　目前电传操纵系统已经成为各类飞机基本的主操纵系统，与传统的机械操纵相比有很多优点，如操纵系统重量和体积的大幅度减少、战伤生存力的提高、精微操纵信号传递的改善以及方便地实现与其它自动控制系统的结合，并同时改善了飞机的稳定性、操纵性和机动性，为在随控布局飞机（CCV）上实现主动控制技术（ACT）的各种功能打下基础.尽管电传操纵系统具有诸多优点，但其存在的问题也是不容忽视的，电传操纵除单通道可靠性较低，而余度系统的成本又较高以外，其最致命的弱点是易受雷电和电磁脉冲波（核辐射）干扰的影响.针对电传操纵系统存在的问题，提出了光传操纵系统的方案.
　　机载作动系统的控制信号光传，即光传操纵FBL，是继电传操纵FBW之后发展起来的一项用于飞行控制信号传输的新技术.根据控制信号传输媒介的不同，相对于FBW系统可将FBL系统定义为：以光代替电作为传输载体，以光导纤维（或光缆）代替电导线（电缆）作为物理传输媒质，应用光纤数据传输技术在飞控计算机之间或飞控计算机与远距终端（如舵机等）之间传递指令和反馈信息的飞行控制系统，如图1所示.



图1　典型光传操纵系统方框图

　　就机理而言，由电传操纵到光传操纵是一个质的飞跃，因此光传操纵具有传统操纵系统所无法具备的特点，幸运的是，光传操纵所具备的优点与未来飞机操纵系统的需求相当一致.
　　1) 在强电磁干扰下飞行.电磁干扰通常可分为外部干扰（来自飞机外部的不期望的各种导航、通讯设施和所有人为或天然的电磁干扰源）和内部干扰（由机身内部的通讯、导航、传感器变送系统和能源系统等引起的辐射或传导噪声）.由于现代数字电子技术、多电（more electric）飞机作动系统和现代空战中电子干扰战术的应用，以及全球范围内高强辐射源的剧增，使得飞机安全飞行环境的电磁干扰和核辐射的问题更为突出.同时越来越多地采用复合材料将导致系统中的电子元器件失去传统飞机金属蒙皮的屏蔽保护，即使是具有良好屏蔽的复合材料蒙皮，其对外部环境的干扰亦仅可提供不超过70dB的衰减［2］.目前解决这一问题的根本途径就是采用纤维光学系统，由于依赖于光进行工作，因此具有固有的抗电磁干扰能力，可使对飞机的电磁干扰衰减若干个数量级［3］.此外，由于光纤内传播的光能几乎不向外辐射，因此不会造成同一光缆中各光纤之间的串扰及故障扩散.
　　2) 减轻机载设备重量.飞机的重量与飞机的机动性和整体性能紧密相关，进一步减轻机载设备的重量是十分有益的.以光纤一对一地替换FBW系统中的电导线，所需光纤的总重仅为原电导线总重的1/20［4］，在运输机（如MD-12）上，仅此一项即可减重500kg左右［5］，如果再将除操纵系统之外的其它系统的信号传输线（电缆）以光缆代替，并考虑到由于光纤的使用大大减少了FBW系统所必需的屏蔽设施，飞机的整体重量还可大大减轻.即使在战斗机上，借助光纤的多路传输（如频分复用、波分复用或光载波复用/解复用）技术，在1根光纤中可传输多路不同的信号，因此可以大大减少所需光纤的总量，例如F/A-18的每一个作动筒平均有15路分立的信号线［6］，改用FBL技术后只需1根光纤即可实现15路电导线所完成的信号传输功能.
　　3) 数据传输速率高和传输容量大.对于大多数飞控系统来说，1Mbps的导线式应答总线传输速率是足够的，但先进的UMS和VMS系统对于传输速率的要求高达5～20Mbps，只有满足美国标SAE AS-1773A的光纤数据总线才可胜任［7］.由于光传输的高速率，可以采用分时的方法在一根光纤中传递多路信号，同时也为应用频分和波分等复用技术提高数据传输容量提供了很大的潜力,如字长为20位时,一路光纤传输10000路信号的频宽可达100Hz.
　　4) 改善系统的动态特性.随着飞机电子系统的日益集成化和复杂化，电传操纵系统已不能满足进一步改善系统性能的要求，而光传系统高速率、大容量的特点为提高系统频宽提供了相当的潜力，同时，FBL系统的减重亦可改善军用机的机动性.此外，光纤与神经网络技术的结合为有效地实施最优控制设计提供了可能.
　　5) 提高飞机的总体性能及燃油经济性.无论是商用飞机还是军用飞机，其总体性能的改善与飞机整体的减重总是紧密相关的，FBL系统重量轻这一特点将可直接增加飞机的有效荷载和续航能力，或减少燃油消耗.
　　6) 降低验证费用，改善成本-效益指标.验证航空电子设备和飞行控制系统的复杂程度及所需费用急剧增加，用于MD-11（装备有传统的FBW操纵系统）上的EME整机验证费用约达1200万美元［4］.由于光纤固有的抗电磁干扰特性，对于光纤接口和光缆传输系统则仅需要进行部件级的EME验证实验，而无需再进行昂贵的整机EME验证.此外，由于光纤总线频宽高，因此可以在飞行控制系统验证中提供更迅速的方法辨识飞机的飞行动力学和稳定性参数，大大减少飞机控制律的研制开发周期，进而减少验证费用.研究表明，FBL与PBW的结合使飞机的可靠性、可维护性和易损性均得到10％～14％不同程度的改善［4］，而FBL与神经网络技术的结合可实现控制系统故障的实时辨识，有效地减少维护费用.
　　现在实用的光纤传输系统中，就其传输体制而言，与电信号传输处理系统比较还处于初级阶段.例如，在信号调制解调技术方面，光纤系统主要利用的还是光强度调制方式.至于调频或调相技术的应用，受到光源和光波导元件某些性能的限制，还远不及电信号系统发达.因此，光频带宽资源的利用还很不充分；初级阶段的另一方面的体现是，现在光纤系统对电系统的依赖性极大［8］，即现有光纤系统着重实现的是信息传输环节，而有关信息处理的问题均由电系统完成，这将限制光纤系统高速性的发挥，但也同时预示着未来光纤系统发展的潜力.

3　一种新的光传操纵方案

　　自从1976年波音公司和麦道公司开始研制光纤飞控数据链以来，光传操纵的研究经历了美国空军/波音公司先进数字光传作动系统计划（ADOCS）、NASA/麦道公司的纤维光学系统集成化计划（FOCSI）等几个主要阶段，以及现在仍在执行中的美国国防部高级研究计划署的先进光传系统硬件计划（FLASH），并已在F-18系统验证机上试飞信号光传闭环飞控作动系统.总之，当前国外对FBL的研究已进入验证阶段，已经开始采用数字光传、光传数据总线等先进技术，而我国的此项研究还刚刚起步.针对我国当前技术水平现状，提出了一种新型的光传操纵方案——准数字光传操纵系统.
　　准数字光传操纵系统方案，分别在光信号发射和接收端的电环节上，采用成熟的V/F和F/V转换技术对传输信号进行调制与解调，将原来与电压相关的光强模拟信号转换成与电压相关的光频率信号（称之为准数字光信号）在光纤中传输，其原理如图2所示.发射端和接收端的转换电路图分别示于图3和图4.并将此方案用于某舵机实验系统中，该系统只是在伺服阀控制信号的传输中使用准数字光传方案，当然可以方便地引用到其它信号传输通道，如反馈信号通道等.



图2　准数字光传原理框图



图3　V/F及E/O转换电路图



图4　O/E及F/V转换电路图

　　准数字光传方案与光强调制的模拟传输和光纤数字传输相比有如下特点：
　　1) 因为光信号的传输是频率计数，因此克服了模拟传输时的非线性衰减所带来的问题，光纤特性的要求可大大降低，本实验采用的是价格较低的塑料光纤；
　　2) 由于该方案采用的是LED/PIN发射/接收方式，与先进的具有激光发射/接收装置的数字传输方式相比，其成本大幅度下降；
　　3) 与数字传输方式相比，结构简单，可靠性高；
　　4) 适合于短距离、小容量的信号传输.

4　结　论

　　通过对准数字光传操纵方案的实验证实：
　　1) 准数字光传环节的频宽（以Vin为输入，以Vout为输出）达500Hz以上，可以满足飞行操纵系统对其动特性的要求；
　　2) 准数字光传操纵系统的结构简单，可靠性高，并且成本低；
　　3) 准数字光传环节的线性度可以满足飞行操纵系统的要求.
　　总之，飞行操纵系统的控制信号光传是未来发展的必然，高速率数字式光传数据总线的进一步开发及相应硬件的研制将是近期的主要任务，而从根本上摆脱对电的依赖性，对信号处理的“光学化”是今后的发展趋势.我国在此方向的研究处于起步阶段，结合我国当前的技术发展现状开发研制相应的光传操纵系统是十分必要的，尽管准数字光传不能代表光传操纵的发展趋势，但对光传操纵的基础研究是我国赶超国外研究水平所必需的.