一句话答案:飞控计算机(核心控制单元)不是「买一块性能更强的板子」,而是买一套能被审定接受的失效逻辑:三余度(或双余度+独立备份)通道、写死的表决与降级顺序、可测量的时间确定性,以及拿得出手的 DO-178C / DO-254 生命周期证据。预算里最容易被低估的不是硬件,是验证与文档,它通常吃掉总投入的四成以上。
一、痛点:飞控计算机出事,往往不是算不动,是「抖一下」
整机团队常见的误判是拿消费电子的经验选飞控机:看主频、看核数、看跑分。适航审查关心的恰恰不是这些。
- 平均性能好,最坏情况没人管:标称 20 ms 的控制周期,在总线拥塞或日志写盘时抖到 60 ms,姿态回路就开始振荡。审查看的是 WCET(最坏执行时间),不是平均值。
- 三余度是纸面三余度:三条通道共用一路电源、一个时钟源、一套大气数据,任何一处故障同时打掉三票,共因失效(CCA)直接不通过。
- 表决器自己没被表决:表决逻辑写在某一通道里,那一通道错了,表决结果也错。
- 降级顺序没定义:三余度掉一票之后是继续任务、限速返航还是立即着陆?设计阶段不写死,试飞员现场只能靠猜。
- 软件证据链缺环:代码能跑,但没有需求追溯矩阵、没有 MC/DC 覆盖率报告,DAL A/B 的软件在审定环节等于不存在。
这五条的共同点是:没有一条能靠换更贵的芯片解决。它们全部属于架构与流程问题,必须在选型阶段就写进合同。
二、依据:软件与硬件两条证据链
飞控计算机的合规路径相对成熟,但必须按机型类别和功能失效影响选条款,不能整套照搬:
- 软件:DO-178C(机载系统和设备合格审定中的软件考虑)。飞控核心功能通常落在 A/B 级,A 级要求 MC/DC 覆盖与独立的验证活动。
- 硬件:DO-254(机载电子硬件设计保证),复杂电子硬件(如 FPGA、ASIC)要按等级做验证。
- 环境:DO-160G,按实际安装舱位确定温度和振动类别,不要无脑选最高档——档位越高,成本和交期越高。
- 系统与安全评估:ARP4754A(系统研制)+ ARP4761(安全评估方法),产出 FHA、PSSA、SSA 与 CCA 四份东西。
- 国内运行侧:载人类按局方审定的专用条件执行,具体条款适用以审定基础为准;这里不做条款推断。
三、架构:三层余度 + 两条必须独立的共用主线
把飞控计算机拆开看,其实是四段:
- 感知层做余度:三套 IMU/AHRS、两套大气数据(ADC)、GNSS 位置至少两源。注意气动数据如果三个传感器共用一根皮托管,余度是假的。
- 表决层做隔离:2oo3 中值表决是主流做法,关键是表决器本身要独立——独立供电、独立时钟、独立内存区,最好跑在物理隔离的监控通道上。
- 执行层做仲裁:作动指令下发前要有二次限幅(速率、角度、电流),防止单通道错误指令直接驱动舵机。
- 时间与电源是共用主线:这两条是共因失效的高发区。工程上常见的做法是双时钟源(GNSS 授时 + 本地晶振)互为备份,双电源(主汇流条 + 独立电池)自动切换,切换过程不影响控制周期。
总线侧:CAN FD 适合中小型机,ARINC 664(AFDX)或 TSN 千兆以太网适合大型多通道架构。外环(航线与管理)10–20 ms,内环(姿态)100–400 Hz,这是工程上的常见量级,实际按机型和操纵品质要求定。
四、参数清单:采购谈判要盯住的 8 个指标
| 指标 | 工程常见区间 | 谈判时怎么问 |
|---|---|---|
| 控制周期 | 外环 10–20 ms;内环 100–400 Hz | 要 WCET 实测曲线(含负载 80% 工况),不接受「典型值」 |
| 调度抖动 | <1 ms | 要求现场跑一次压力测试,日志留档 |
| 余度架构 | 2oo3;或双余度+独立备份通道 | 要 CCA 共因失效分析报告,重点看电源与时钟 |
| 故障切换时间 | ≤1 个控制周期 | 写进验收项,做故障注入实测 |
| 系统 MTBF | ≥10,000 h(系统级) | 索要预计依据(零件计数法/应力法)而非单点数字 |
| 功耗与重量 | 30–80 W;1.5–4 kg(单通道机箱级) | 和散热、机柜空间一起算,别只看本体 |
| 环境等级 | -40~+70 °C;DO-160G 按舱位定类 | 确认类别与安装位置一致,避免过度设计 |
| 软件等级 | DAL A / B | 要 SOI 审查记录、覆盖率报告、需求追溯矩阵 |
以上为工程常见量级,具体随机型、构型与审定基础浮动,采购时以厂商书面承诺和实测数据为准。
五、实施计划:18 周从选型到 HIL 通过
| 里程碑 | 周次 | 交付物 |
|---|---|---|
| 需求与安全目标冻结 | W1–W2 | FHA 初稿、功能清单、失效影响分级表 |
| 供应商评估与样机 | W3–W5 | 三家能力矩阵、DO-178C/DO-254 计划文件审阅意见 |
| 台架联调 | W6–W8 | 总线时序图、表决逻辑验证记录、时钟同步测试 |
| HIL 闭环 | W9–W12 | 故障注入清单(30 项以上)与逐项结论 |
| 地面试验前验证 | W13–W15 | 铁鸟联试报告、降级策略确认单 |
| 文档包与预审沟通 | W16–W18 | 符合性矩阵、软件/硬件生命周期资料清单 |
六、验收与运维:三类测试缺一不可
- 功能测试:正常包线内的控制律响应、模式切换、限幅生效。
- 鲁棒性测试:传感器卡死/漂移/跳变、总线丢帧与错帧、表决器单通道报错、时钟源漂移、掉电重启后的状态恢复。
- 时间确定性测试:负载 80% 与 100% 两种工况下的周期与抖动统计,要求给出分布而非单点。
运维侧要写进合同的:备件率(关键件建议 10%–15%)、返修周期(4–8 周为常见区间)、软件补丁与工具链支持年限(建议 ≥10 年,飞控软件的生命周期比整机还长)。SLA 建议按「故障响应 4 h、备件发运 48 h、现场支持 72 h」这类可核查口径写。
七、预算构成:硬件只占三成
给结构不给总价,因为总量级完全取决于等级与是否复用平台:
- 飞控计算机硬件(含备份通道):25%–35%
- 控制律与软件:20%–25%
- 验证与试验(HIL、铁鸟、故障注入):25%–30%
- 适航文档与审查配合:10%–15%
- 备件、培训与工具链:5%–8%
如果供应商已有同等级平台可复用,软件与验证两项能压下来一大截;反过来,首型自研通常会在验证环节超支。以上比例以实际等级、机型和工程量清单为准。
八、常见问题
Q1:能不能用工业级甚至车规级方案省钱?
载人机型不建议。车规的失效率口径与机载不同,缺少 DO-254 的硬件生命周期证据,也没有 DO-160 的环境鉴定。载人项目上省下的硬件钱,通常会在补充试验和审定时成倍还回去。无人货运可以按风险分级讨论,但仍需局方认可。
Q2:双余度够不够?
看失效影响。双余度在「一次故障后仍能安全飞行与着陆」的前提下可行,但前提是两条通道完全独立且有明确的降级模式(限速、限高、缩短航线)。若失效后需要立即着陆,就要评估着陆场可用性,很多时候反而不如三余度。
Q3:自研还是买货架?
判断标准是「有没有人愿意为你的软件付审定费用」。团队规模小于 30 人、且首型取证周期紧,买货架+定制控制律更现实;有条件长期迭代、且控制律本身是核心竞争力的,自研硬件平台+第三方软件验证是折中路线。
Q4:飞控计算机和航电是什么关系?
飞控计算机是航电里的一个子系统,负责「算与表决」;航电是更大的集合,还包括导航、通信、显示与飞行管理。想先看全局,可以读我们另一篇eVTOL 航电架构:三余度飞控、组合导航与适航符合性路径。
Q5:整套下来大概什么量级?
不给总价,因为差异可能在数倍。可核对的判断方法是:先确定 DAL 等级与余度架构,再让供应商按「硬件 / 软件 / 验证 / 文档」四项分别报价,四项里验证与文档的报价完整度,基本能看出这家有没有真正做过适航项目。
延伸阅读
- eVTOL 航电架构:三余度飞控、组合导航与适航符合性路径
- eVTOL 导航系统选型:GNSS/INS 组合、抗干扰与完好性监测
- eVTOL 飞行管理(FMS):航路规划、能量管理与失联预案
- eVTOL 供应链采购:四大件选型与验厂清单
- eVTOL 座舱综合显示:显示分级、告警优先级与人因适航
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