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1、综合模块化航空电子体系结构研究张凤鸣,褚文奎,樊晓光,万 明(空军工程大学工程学院,西安 710038)摘 要:军用航空电子系统体系结构关系到战机的可靠性、安全性、可用性、生存性、扩展性和维修性等方面。综合模块化航空电子(I MA)是目前机载航空电子系统结构发展的最高阶段,其特征和优势已经在美国四代机上得到充分展现和发挥,为我国四代机综合航电的研制工作提供了参考依据。回顾了机载航空电子体系结构的发展史,分析了推动I MA体系结构发展的3个主要因素,归纳了I MA的特点,从信息流处理的角度对I MA体系结构进行了划分,并研究了适应于I MA的两种典型的综合航电软件体系结构,指出了发展趋势。最后就
2、我国综合航电体系结构的研究和发展所面临的问题进行了初步探讨。关键词:综合模块化航空电子;航空电子体系结构;软件体系结构;四代机中图分类号:V243 文献标志码:A 文章编号:1671-637X(2009)09-0047-05Research on Architecture of I ntegratedM odular AvionicsZHANG Fengming,CHU Wenkui,FAN Xiaoguang,WAN Ming(Engineering College,Air Force EngineeringUniversity,Xian 710038,China)Abstract:The
3、architecture of avionic system is of great importance for reliability,safety,availability,survivability,extensibility and maintainability of the whole aircraft system.Integrated Modular Avionics(I MA)is the newest avionic architecture,which has been fully used in F222 and F235 with greatperfor mance
4、s.Development of integrated avionics in China can get some references and experiences fromI MA and its applications.Based on the evolution of avionics architectures,threemajor factors that drove thedevelopment of I MA are analyzed,and features of I MA are summarized.I MA architecture and its softwar
5、earchitectures are then presented.The I MA architecture is divided from the view of infor mation processing.Two of the most typical software architectures used inI MA are compared with each other and thedevelopment tendency of software architecture is discussed.At last,some advices are presented abo
6、ut howto research and develop avionics architecture in China.Key words:Integrated Modular Avionics(I MA);avionic architecture;software architecture;the 4thgeneration aircraft0 引言如果说发动机是战机的“心脏”,那么军用航空电子系统(简称航电)则是战机的“大脑”或“中枢神经”。它承载了战机绝大多数任务,比如电子战、通信/导航/识别(CNI)等,是决定战机作战效能的重要因素。从这个意义上说,没有先进的航电,就没有先进的战机,
7、收稿日期:2008-08-31 修回日期:2008-10-21基金项目:总装预研基金(9140A17020307JB3201);空军工程大学工程学院优秀博士论文创新基金(BC07003)作者简介:张凤鸣(1963),男,重庆梁平人,教授,博导,研究方向为综合航电、信息系统工程与智能决策。也就无法完成现代战争赋予的使命。综合模块化航空电子(I MA)是当前航电体系结构发展的最高阶段,在国内通常被称为综合航电。随着我国四代机和“大运”等项目的开展,研制相应的综合航电成为一项迫切的任务。本文研究I MA体系结构的根本目的在于为我国四代机甚至“大运”上的综合航电的研制进行初步的探索。1 航电体系结构发
8、展历程20世纪40年代至60年代前期,战机的航电设备都有专用的传感器、控制器、显示器和模拟计算机。设备之间交联较少,基本上相互独立,不存在中心控制计算机。这是第一代航电结构,称为分立式1-2、离散第16卷 第9期2009年9月电 光 与 控 制ElectronicsOptics&ControlVol.16No.9Sep.2009式3-5 或模拟式结构6(Independent/Analog Avion2ics),代表机型有F-4。其特点是专用性强、灵活性差、信息交换困难。20世纪60年代中期,数字计算机开始大量用于机载导航和火控计算,形成控制中心,其他模拟计算子系统比如大气数据系统等通过A/D
9、、D/A转换与之交互。由于具有中心控制计算机,所以这一时期的航电被称为集中式体系结构3,代表机型有F-111D等。20世纪70年代,集中式结构里的模拟计算机逐渐为数字计算机所取代,形成了功能各自独立的子系统或航电设备,通过1553B多路数据总线交联并与中心计算机进行通信。这种集中分布式结构2 是航空电子数字信息化的结果,实现了信息链后端控制与显示部分的资源共享。而模块化软件设计技术的使用既降低了研制经费、缩短了研制周期,又增强了系统的可维护性和可扩展性。代表机型有F-15、F-16等。由于集中式和集中分布式体系结构都处于航电计算机由模拟式向数字式全面过渡阶段,因而大多数研究者倾向于将二者划到一
10、起,统称为联合式1-5,归属第二代航电体系结构。20世纪80年代,宝石柱计划6 刻画了一种新的综合航电结构,提出了模块化、开放式、高容错性和高灵活性等需求。它以VLSI技术、数字信号处理技术和图像处理技术为基础,通过对射频部件和天线口径的广泛共享,实现了航电各子系统(如雷达、电子战等)的传感器信号和数据的高度综合处理。代表机型是F222。1990年以来,综合航空电子随着宝石台计划6 的开展得到进一步延伸。它采用开放式体系结构,充分应用商用货架(COTS)产品实现软件和硬件功能单元,使用统一光纤网连接所有功能区,并推动雷达、电子战、CN I等射频部件的综合,整个系统的综合能力较宝石柱计划阶段大为
11、增强,因此又被称为先进综合航空电子6-7。代表机型是目前正处于试飞定型阶段的F235。通常而言,综合式和先进综合式分别划归于第三、四代航电体系结构。不过国外倾向于使用I MA8-9 来统一表达宝石柱和宝石台所定义的结构。与上述划分角度不同,有研究者也试图从总线和单元模块(block)发展的角度将航电结构发展划分为分布式模拟结构、分布式数字结构、联合式数字结构和I MA 4个阶段10。总的来看,到目前为止,航电体系结构已经发展了三代(分立式、联合式和综合模块化)、5个阶段(离散式、集中式、集中分布式、综合式和先进综合式)。图1描述了航电体系结构的演化进程。图1 航电体系结构演化进程Fig.1Ev
12、olution of avionics architectures2 综合模块化航空电子体系结构2.1 推动I MA发展的主要因素纵观航电结构发展史,可以发现有3个主要因素推动了I MA的发展。1)技术发展。高性能计算机、半导体、信号处理、软件工程等技术在航电领域的应用和发展,推动了航电向单元模块的细粒度、设备的集约化、体系结构的开放性、系统的高性能等方向发展,为I MA的产生提供了先决技术条件。2)性能需要。新军事革命思想以及现代或将来的作战环境对战机提出了越来越高的任务性能和操作性能等需求,比如超视距全向多目标作战、150飞行小时的平均无故障时间等8。这些为I MA的实现提供了性能指标。3
13、)经济压力。联合式战机寿命周期费用(Life Cy2cle Cost,LCC)日益增长造成国防经费负担加重,与减少国防经费开支的理念相悖。因而减少战机LCC为I MA发展提供了约束条件。从本质上来看,这三者是辩证统一的。降低LCC是发展I MA的根本目的,提高战机性能是I MA的实现目标,这二者既依赖于相关技术的发展,又能推动新技术的产生和发展。反之,那些能够应用到I MA的技术的产生和发展将有助于实现提高战机性能的目标,也有助满足降低战机LCC的约束条件。2.2I MA的特点I MA本质上是一个分布式实时计算机网络,其主要目标是将分布式体系结构的灵活性扩展到对不同关键级别的功能程序的支持上。
14、概括来说,I MA主要具有如下一些特点8-13:1)系统综合化。I MA最大限度地推进系统综合,一方面硬件资源能为应用程序所共享、信息高度融合,另一方面I MA能够统一控制、调度和显示,利于战术决策和系统管理。2)结构层次化。I MA通过各类标准接口将软件隔离成应用程序层、操作系统层和硬件模块支持程序层,弱化了三者之间的耦合程度,使得应用程序只与飞84第16卷电 光 与 控 制机功能有关而与硬件无关,无须变更硬件即可载入新的应用程序,增强了软件的可移植性。同样,硬件实现与飞机功能程序无关,有利于硬件部件的更新换代。3)功能软件化。I MA越来越多地利用软件取代原来由硬件实现的功能,所有应用程序
15、共享硬件资源,减少配置子系统个数,节省飞机重量、空间、成本,提升资源利用率,并为后续扩展预留空间。4)网络统一化。I MA统一了航电网络,改变了联合式结构中多种数据总线并存的格局,有助于降低成本、减轻系统重量、提高数据传送速度。5)产品商用化。I MA结构中的软硬件尽可能采用COTS产品,推进产品的标准化、模块化,有利于产品移植和降低系统LCC14。6)调度灵活化。I MA将应用程序进行细粒度划分,采用周期轮转或优先级抢占调度策略确保每个应用程序或安全关键程序的截止期限得到满足。7)认证累计化。I MA强调可负担性,引入安全累计认证思想。当需要更换或新增某个硬件或应用软件构件时,只需对此构件进
16、行安全认证即可,无需重新认证整个系统的安全性,有助于减少认证代价。8)维护中央化。I MA引入新的航电维修思想,通过为机载航电提供中央维护功能,既能够动态重构航电系统,使得战机远离维修场站时无需人工维修,又能够与机下维护系统无缝连接,便于适时迅速维护。由上述特点可知,I MA的“综合化”体现在硬件、软件、信息、功能、显示、维护等方面。2.3I MA体系结构国内关于I MA体系结构划分的观点不一。文献3-4认为,I MA应分为多功能综合射频系统、综合传感器系统、综合核心处理器、综合电子战系统、人机界面/系统(下显和头显)、综合CNI和高可靠飞机管理系统。文献 15 认为,I MA由综合射频传感器
17、(IRFS)系统、联合射频孔径、综合光电系统和机外信息资源系统(来自其他平台的射频和光电传感器)等组成。文献16 则认为将I MA划分为综合传感器系统(包括CN I、电子战、雷达)、综合光电系统(包括分布式孔径系统、光电瞄准系统)、综合核心处理器、多传感器数据融合、飞机管理系统和下显与头显等比较适宜。造成这种分类不一的原因在于,I MA充分综合利用所有硬件资源,尽可能实现资源共享,比如射频传感器是公用的,无法区分某个传感器是属于CNI还是电子战,抑或雷达10。为此,我们从对信息采集、处理、管理和显示的功能角度将I MA划分为信息综合采集区、信息综合处理区、信息综合管理区和信息综合显示控制区等4
18、部分。这些功能区块通过UAN互连,如图2所示。图2I MA体系结构Fig.2Architecture of integrated modular avionics2.3.1 信息综合采集区信息综合采集区泛指利用各种途径获取外部信息的功能区域,主要采集射频信号、光电信号以及获取数据链和其他机外信息,这些信息主要用于战机CNI、数据链传输、大气数据测量、电子战、目标实时自动跟踪与精确定位,涵盖文献16的IRFS系统和综合光电系统,主要有:1)利用软件无线电技术实现射频信号综合处理;2)利用高性能有源相控阵雷达技术实现目标实时跟踪、定位和干扰敌方雷达;3)利用激光技术提供高分辨率成像、自动跟踪、激光
19、目标指示及测距、激光斑点跟踪等功能;4)利用红外技术提供360 水平视场,完成瞬时导弹告警、态势感知、红外搜索与跟踪和前视红外导航等功能;5)利用数据链从预警机、其他战机等机外信息源获取战场态势信息、其他战机的武器信息、目标信息,便于与其他传感器信息进行融合,进行战术决策。94 第9期张凤鸣等:综合模块化航空电子体系结构研究 2.3.2 信息综合处理区信息综合处理区是整个I MA系统的主要计算资源,主要负责综合处理采集到的全部信息(包括来自机外和机上的),完成信号处理、数据处理、图像处理等工作,为信息综合显示控制和信息综合管理提供服务。目前,用于信息综合处理的处理器,比如通用综合处理器17(C
20、IP)和综合核心处理器10(ICP)等,大量采用COTS技术,利用现有的、更广泛的硬件产品予以设计实现,主要包括通用处理模块(主要用于信号和数据处理)、通用输入输出模块、图像处理模块、电源供应模块和网络开关模块等。2.3.3 信息综合管理区信息综合管理区通过恰当的人机接口和数据总线与信息综合处理区、信息综合显示控制区进行交互,主要负责飞机飞行、武器装备、飞机维修与保障等的信息控制与管理。2.3.4 信息综合显示控制区信息综合显示控制区表征为人机接口,主要是为飞行员提供可理解的信息综合处理结果,包括传感器、武器和飞机的状态,以及导航、战场态势和战术等信息。融合后的信息传送至图像处理器上,以225
21、.6G MACS的速度进行处理,然后直接传送至目标显示器上。在物理实现上,F-22综合式航空电子采用了下视显示器和平视显示器,而F-35先进综合式航空电子则采用了多功能投影下视显示器和头盔显示器。其中F-35的座舱显示系统可以采用语音控制,提高了飞机操纵的反应速度和控制效率。信息的综合显示控制,有利于减轻飞行员的心理负担,帮助飞行员引导武器系统和传感器指向焦点区域,易于快速决断;同时也有利于减轻飞机重量和费用。3I MA软件体系结构I MA是一个软件密集型系统14。由于要求实现对信息的综合处理,因而联合式结构中面向特定硬件处理环境的软件设计理念在I MA中不能得以沿用。为此,I MA采用开放式
22、软件体系结构,积极吸收民用航电标准和COTS技术,推进产品的标准化、模块化,以降低飞机LCC。在具体实现上,I MA采用软件分层策略,层与层之间通过标准接口进行访问,旨在实现应用软件与硬件实现的相互隔离,有利于软硬件产品的升级换代。同时应用程序面向功能进行设计,支持分区策略。具有代表性的I MA软件体系结构有民用ARI NC 65318-19 和军用ASAAC11,20,分别如图3a和3b所示。严格来说,ARI NC 653规范只是制定了航电操作系统层和应用软件层之间的标准接口,称之为应用执行(Application Executive,APEX),离体系结构的层面相去甚远。但是,它引入了程序
23、分区的思想,通过将应用程序分为若干个区,每个分区分配指定的内存空间和CPU时间槽,将失效约束在分区内部,实现分区的“互不干扰”。这在一定程度上增强了系统的安全性和可预测性。在应用程序分区的基础上,文献19,21 建议增加系统分区,以应对可能出现的系统问题,比如外部事件、系统故障等。增加部分如图3a中虚线所示。aAR I NC 653 I MAbASAAC 653 I MA图3AR I NC 653和ASAAC软件体系结构Fig.3AR I NC 653 and ASAAC I MA software architecture 相比ARI NC 653软件体系结构而言,标准航电体系结构联合会(A
24、llied Standards Avionics ArchitectureCouncil,ASAAC)提出的I MA软件体系结构更符合体系结构的范畴。ASAAC采用层次化结构,将软件系统分为应用程序层、操作系统层和模块支持层,层与层之间采用APOS、MOS等标准接口,以隐藏具体实现。对比图3a和图3b,可见两种结构趋于一致,都有一个实时操作系统和负责处理系统事务的系统管理器。但ASAAC结构与ARI NC 653结构还是存在较大05第16卷电 光 与 控 制的区别,表现在:1)ASAAC结构中程序细分成进程而不是分区,采用基于优先级的抢占调度策略22。2)调度控制、通信端口、配置管理以及健康管
25、理都是由系统蓝图而不是由API调用进行控制的。3)操作系统进一步细分成:模块支持层,等效于CO-EX;通用系统管理器,用于健康监控;运行时蓝图,管理预先定义的蓝图数据文件;操作系统层,管理整个系统,负责响应应用程序的请求。4 结束语当前,LCC的不断增加和COTS产品的不断涌现已经促使航空电子向综合化、模块化和通用化方向快速发展。航空电子也由最初子系统相互独立,发展到现在软硬件高度综合,以至于难以按常规的思维划分出机(械)、军(械)、特(设)、无(线电)和雷(达)等外场维护专业。通过回顾航空电子体系结构发展历程,分析了推动I MA产生和发展的主要因素,深入探讨了其体系结构和相应的软件体系结构,
26、总结了I MA体系结构的研究成果。我国对I MA体系结构的研究已经取得了诸多可喜成就,填补了多项空白23。但与欧美相比,还存在很大的差距。结合实际情况,我们审慎地认为,还需要就以下问题进行更为深入的探讨和研究。1)航空电子结构设计思想。航空电子体系结构的每一次演化都是实际需求与科技进步共同推动的结果。提升航空电子体系结构设计思想,需要抓住当前需要与现实约束之间的矛盾,充分引入当前科技(比如电子、机械制造、软件、材料等领域)力量,并为未来科技成果预留应用空间。2)相关标准制定。国内军方在机载航空电子系统这方面提出的需求太少,不能先于飞机设计前明确飞机的战技和性能指标,更不能制定相应的COTS软硬
27、件标准,这是我们的薄弱之处。在今后很长的一段时间里,军方需要扭转由飞机制造商定型飞机性能的被动局面,在飞机设计项目上马之前制定相应的性能指标、生产标准和相关的质量检验规范。3)传感器综合技术。即需要研究如何抛弃原来传感器各行其事的思想,设计一种能够融合多种传感器信息的平台,实现资源优化配置,减少传感器数量但不减少信息的获取量。在这方面,需要深入研究软件无线电的思想和技术原理,才能真正地实现射频部件的综合。4)信息综合处理技术。在硬件方面表征为低功耗、高集成的数据、信号、图像等信息的模块化处理单元设计技术,软件方面则外化为高性能数据、信号、图像等处理算法和灵活、可靠的调度算法。5)智能化信息显示
28、控制技术。旨在实现以低成本、低重量、高性能的形式化信息显示,减轻飞行员的压力和负担,并提供智能辅助决策支持。6)层次化软件设计技术。软件是未来航空电子最大的经济开支源,采用开放式体系结构,实现软件与硬件隔离,是航空电子的发展趋势之一。为此,需要就软件接口标准、软件开发环境、系统评估技术、累计安全认证技术等进行深入的研究。参 考 文 献1 张丹辉.作战飞机航空电子系统的发展及其关键技术研究J.飞机工程,2003(2):5210.2 李全军.综合航空电子信息处理系统性能评估仿真建模研究D.西安:西北工业大学,2006.3 许伟武.航空电子系统的现状和发展前景(上)J.自动化博览,2001,18(1
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33、目前,实验室已经完成从北京延庆八达岭 河北怀来两地16 km的空间激光通信(FSO)实验,数率为2.5 G/s。通过提高信标光的提取精度和速度,能很大程度上满足脱离PC机的APT现场要求。本文提出一种基于图像边缘抽样的信标光快速提取算法,具有良好的效果,为下一步提高APT跟踪精度,最终实现长时间稳定通信提供保障。参 考 文 献1N IELSEN T,OPPENHAEUSER G.In orbit test result ofan operational optical intersatellite link between ARTE2M IS and SPOT4 SI LEXC /Free2S
34、pace Laser Commu2nication Technologies XI V,SPIE,2002,4635:1215.2ARNOLD R,WOODBR I DGE E,FELDMAN R J,et al.500 kilometer 1 GBPS airborne laser link C /Free2Space Laser Communication Technologies X,Proceedingsof SPIE,1998,3266:1782198.3PETROV I CH D J,GI LL R A,FELDMANN R J.US air2force development o
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36、 Z.TI,2003.8T MS320DM642 digitalmedia processor Z.TI,2003.9 曹阳,艾勇,叶德茂,等.空间移动平台APT系统研制J.电光与控制,2008,15(7):63266.10ZHOU Yalin,A IYong.Experimentation of real2time ac2quisition and tracking of free space laser beam and theanalysis of the resultJ.Acta photonica sinica,2005,34(6):9432947.(上接第51页)电子综合系统的研究
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