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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/高速发展的新一代综合模块化航空电子系统诸葛卉年月第卷第期总第期高速发展的新一代综合模块化航空电子系统诸葛卉中国航空工业发展研究中心,北京摘要 着重探讨和分析了国外最新一代军、民用飞机上使用的航空电子系统体系结构综合模块化航空电子系统在讨论概念和特征的基础上,重点分析了体系结构实现过程中的关健技术最后,分析和总结 了未来军、民用航空电子系统的发展趋势关键词综合模块化航空电子 系统安全性开放性实时性功能分割中图分类号文献标识
2、码文章编号一一一一一,一现役航空 电子系统存在的问题传统的 国内、外航空电子系统是 基于专用硬件和软件开发的,现役许多航空电子系统均成功运行于这种配置上。但自世纪年代初起,航空电子设备设计的复杂性程度己大大提高,这些专用设备的高额全寿命周期费用渐渐成为航空电子系统设计中一个最 大的 问题。为了降低这些航空 电子系统 的成本,现役 的大部分航空电子系统 尚需满足取得美国联邦航空管理局队认证、可扩展性和可移植性要求,这些要求都是在开发新一代的航空电子系统过程中必须加 以慎重考虑 的。取得认证。美国一直要求现役全部飞经 民事空域的军用航空电子系统必须完成队的标准化认证,保证军用飞机在民事空域作业时无
3、负面影响,在最新提出的要求中,还增加了对应用软件部分认证 的要求。可扩展升级性。在研制新航空电子设备时,一般要求其技术性能具有不断的增长性,满足对提高数据处理能力的要求。军用航空电子系统的简单升级通常是在现有应用中增添一些新功能,复 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/航空电 了技 术杂升级则是对包括体系结构部件在内的多数或全部硬件和软件加 以更换。但在大部分情况下,为现役飞机系统升级是极为困难、需要巨大投资的,必须抛弃许多现役系统。可移植性。现役许多航空电
4、子设各的硬件和软件是针对一种机刑或一个用途设计,不考虑应用其他类似或不同的匕机平 台,这样,每种新机型的航空电子系统平台硬件、和作业环境都需重新开发、确认和认证,花费大量的时间和经费。基于体系结构的安全关键性航空电子系统的应用开发综合模块化航空电子系统的主要特点现代综合模块化航空电子系统是一组由标准格式处理模块和标准格式连接器构成的系统结构,是一个由实时计算机网络组成的机载系统,该网络 由许多支持各种不同用途和重要性的计算模块组成。模块简化了航空电子软件的开发过程,其土要特点有由模块化、网络化体系结构具有一致性,因此通过使用通用应用程序界面存取硬件和网络资源,简化了航空电子系统硬件和软件的综合
5、作思路使应用 开发人员将精力集 中于应用层,降低了低层软件发生故障的风险由于航 电系统中的大部分硬件和低层软件模块被泛地共享,因此相对于上一代资源专用式结构,结构对这 些模块 的维护更加简单、方便如果在应用运行过程中发现某一模块发 生故障,则该应用可使用备用模块进行重构,提高了整个航电系统功能的可保障性各个模块之间的机 内互连可使用机 内高速计算机总线,机外互连可使用 由或通用航空电子全双一交换式以太网连接的共享外部网络。尽管体系结构对全部硬件和软件标准未定义 强制使用的元 部件,实际上,网络中的部分现已开始采用了标准。安全关键性航空电子系统在日刃关键性航空电子系统功能的基础上增加了采用中间件
6、、板支持包等的时间和空间分割方法实现的多层次化,处理一个或多个应用实现了前所未有的灵活性、开放程度支持系统更新、升级支持可变规模能力支持信息的安全保密,实现多级信息安全系统支持系统容错 重构能力,可支持系统带故障运行和定期维修体制支持可互操作性和软件的重用在军用航空电子系统包括软件必须取得队认证才允许在 民用空域中飞行的强制要求下,能够支持逐步渐进的验证和局部单独验证使用完好性监视系统降低了验证费用、寿命周期费用,因而提高了航电系统的功能以及可靠性、可用性和可维修性,并降低了系统的体积 重量。航电系统的应用开发及关键技术包括以 卜 儿个方面。满足相关标准的认证目前,操作系统止 日益向着满足级和
7、标准要求的方向发展,以满足严格安全性的需要。系统安全性的认证美国航空系统中关于安全 防护性设备软件的开发指南是一欧洲的标准为,提供一种基于产品的基本航空电子工作环境,己成为一项国际通用 的指导性标准,任何适航的航空系统及其元部件都必须进行认证。一标准描述了安全 关键性应用中使用可重用软件部分的安全性,解决任何可能由于软件故障导致灾难性事故的问题,是一项严格的标准开发人员已必须取得与一个日标中多数或全部 日标的兼容性而验证软件的适航性。通过这一权威性标准的认证费用至少为每行源代码美元。网络系统防护性的认证当代战斗机需要一条连续、近实时的信息流,该网络化系统必须能够按防护级别隔离数据,并在防护级别
8、基础上识别已授权的用户。通用标准 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/高速发展的新一代综合模块化航空电子系统诸葛卉描述了使信息技术产品满足防护性要求的体系结构,构成了安全实时操作系统防护性认证中的一个基本组成部分。国际计算机防护指南对软件防护性的评估规范是“评估可信度”,它描述了与信息技术产品相关的开发过程,实际应用所需的取决对系统和软件安全性威胁的程度。通过一级认证的费用为每行源代码美元。系统开发的标准制定设备软件的标准有利于使军用航空电子系统选抒使用产品
9、成为可能。目前航空电子系统处理资源和标准看来已获得了航空 电子业界泛的接纳。规范针对 于整个体系结构方面,描述了一个位于机载计算机各处理资源之间以及分层内应用之间的软件标准接口,包括操作系统为应用提供的服务如存储器和时钟周期以及应用和操作系统的模块化、可重用性和可移植性概念。波音公司和 空中客车 公司的人部分商用和军用飞机己采用体系结构,这表明现代处理平台己满足了严格安全性要求,架构正向着高安全性和防护性的方 向发展。支持标准的独立内核设计引入了时间、空间和资源分割的思想,己分类和未分类的功能被分置 于不同的虚拟存储区域内,并使用一个独立内核运行于单个处理器上的一个小而有效进行时间和空间分割的
10、操作系统的核心软件管理分区内各功能之间的通信。体系结构特别包含一个运行于管理 员模式的分区操作系统即分区核,它 为存储器空间、时间和资源提供坚实可靠的分区,为应用提供完全操作系统服 务和基本底层硬件支持在每一分区内,运 行 于用户模式的应用与其他应用完全隔离。这种带存储 器管理单元、基于时间空间分割的操作系统完全支持基一块硬件平 台运行多个应用的思想,使每一应用好似运行专用平台上,事实上是与 许多其他应用 共享该平台的。空间分空间分割采用一种空 间分配方法,使并行年月第卷第期总第期作于同一处理平台通常称核心模块上的多个应用相互隔离。该结构保证运行于一个分区上的应用的地址必须不能被使用共享资源的
11、另一个应用占用,也不会被实时操作系统内核用。空间分割大部分通过使用不 同的虚拟存储器地址实现,由处理器内的强制实施存储器地址是遵循标准的分区,其上包含动态分配存储空间堆阵的应用程序和用于存放进程的堆栈,影响着内核和编程语言运行时间系统的设计和实施。一种支持的内核体系结构实现了一种基于单一内核、满足标准的高灵活性和 可扩展性解决方案。如 图所不。图采用空间分割的体系结构核心模块直接与处理平台核心模块对话,用于全局资源管理、工作调度和对分区的完好性监视,包括使用一块允许使用不同处理器和其他硬件配置的专用硬件配置的分区在每一分区内通过分区核实现作调度和资源管理,它与核心模块之间的通信是通过一条专用信
12、令传输接口来实现的。该范例还提供了一种处理应用需用 的应用程序界面接口。每一分区采用了保护 内存的“保护域”技术,即 由强制在分区内存放进程、对象和资源数据。这样,每一分区拥有了白身的堆栈和堆阵,不会被分区内运行的其他应用用,并阻卜了由于其他分区内应用非法存取数据而带来的干扰。时间分割 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/航空电子技 术时间分割采用一种时间分配的方法,使并发工作于同一处理平台上的多个应用相互隔离。该结构可保证一个占用处理器时间的应用的工作时间
13、不会挤占其他应用的工作时间。致力于基于工作调度的方法解决问题,即每个分区被事先安排一个规定宽度的时间槽,不同分区被分配的时间槽宽度可不同。在时间槽内,每个分区可以拥有自身的调度政策,但在时间槽末端,调度程序强制施行地址的转换,转移至预定的下一个分区。该模型具有充分的灵活性,可使用各种宿主于核心模块、现有联合式结构下开发的应用或独立开发的新应用,当然,由于它增加了分区内的工作调度进程、边界与制定计划之间的无冲突检验以及需采取的正当补救措施,从而提高了复杂性。图采用时间分割的解决方案图所示为一种时间分区的解决方案。其中,核心模块负责每个分区内的标准调度分区负责在每一时间槽内的占先调度,并全面实施优
14、先权上限规定,防止无限度地优先级逆转。该方案还可扩展内容,适应不同的飞行模式预先定义多达个工作调度。各种妞行模式之间的转换可通过一种限定性调用实现,一般在下一主要结构、下一分区窗口或下一计时器的起点处转换。标准的应用开发的即应用运行程序用于在操作系统和应用程序之间提供一个通用接口。提供了一个抽象层,在应用层与底层核心模块层之间隐藏的具体细节,便于与其他标准平台上的应用相互接口,它是安全关键性系统需要重点考虑的一项因素。提供了一套静态系统配置和初始化模型,为安全关键性应用和 明确、固定用途资源提供一组受控、确定性的启动序列。还提供了分区内和分区间极好的通信机构,使用遵循的黑板系统和缓冲器辅助分区
15、的通信功能。黑板系统提供了一种方便的“写一次、读多次”机制缓冲器提供了收发信令的功能,一般按先进先出次序存储信令,按或优先级次序接收信令。可采用旗语和触发方式保持同步。孙更便于分区内的通信。采用相同的命名机制命名宿主于同一处理器、同一体系中另一核心模块上或另一体系中的端口,可防止各个应用之 间存在体系相关和 或配置相关,提高系统的可移植性,便于系统集成商的系统重构。支持异构的应用尽管系统的应用开发正处于起步阶段,但尚存在着大量丰富、联合式系统下开发的应用资源。这些资源可能采用不同的编程语言和不同的调度模式,但在环境下,需要能够进行相互间的通信。图异构空间分割的体系结构图所示为一种在每个分区内支
16、持异构应用运行的解决方案。图中,一个采用操作系统的应用止在执行一项保密性任务,而采用操作系统的应用在另一个分区正以类似的方式运行着,这些应用之间的通信通过又 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/高速发展的新一代综合模块化航空电了系统诸葛卉接口实现。配置机制体系结构使用“系统和分区配置记录”即系统蓝印来保证资源 的可用性。系统配置的日标是使系统集成商能够使用多个由一或多个研制的、基于共享平台的应用。分区配置记录定义了每个应用的存储器需求、处理器需求和端口使用特
17、征,系统配置记录定义了平台的功能和性能、各分区配置记录的参数和验证情况。该机制确保了系统集成商对每个应用提出的要求与平台的工作性能一致,在应用运行过程中不会发生超额使用所分配资源的情况。系统系统定义了一种完好性监视的思想,负责监视硬件、应用和操作系统的故障和失效,有助于隔离故障和阻止失效的扩散。尽管概念看起来一 目了然,实际实现起来却很复杂,对高级、系统全局的要求是跟踪故障,实现对系统的重构和修复。对每一故障的响应能力取决故障 白身及其严重性、系统集成商制定的故障管理政策。结构还提供对核心模块的保障功能。该结构是 由系统全局服务器和代理服务器即进程级处理器组成的,后者位于各个分区内部。网络化系
18、统的防护性考虑防护 性正在成为航空 电子系统中一个日益被关注的方面,匕机系统级的防护性可通过限制不同类型子系统之 间互连的防火墙,以及将飞行系统与应用程序和航线管理系统相互隔离而实现。但随着系统 的出现,采用 认 证方式可使这些领域之间的网络连通性能提高,为系统集成商提出了一些更具吸引力的解决方案。及其相关网络协议的认证需付出大量的努力,系统设计人员必须在系统性能与适认证性之 间加以权衡,特别是携带完全协议栈的一级认证。系统防护性由系统的价值核心核心模块级实现,应用分区则不能完成。此外,如果分区不能提供应用所需的调用,年月第卷第期总第期则转交核心模块确认并执行,确认内容包括由分区覆盖的存储器地
19、址 生效边界检查赋予核心模块的目标存取权限和数据结构完整性一致性检查。该防护性设计还可提供一种可伸缩的系统优先级调用机制,因此,某一分区可比其他分区拥有更多的管理权限,并满足一标准的更高要求。体系结构的应用体系结构能大大减小新一代商用客机重量、降低维护成本、节约燃油用量由于它采用允许使用通用软件的开放式体系结构,故能更经济、更方便地实现系统的升级和更换,未来拥有厂阔的应用前景。例如,新客机由于采用了系统结构,比其之前的飞机节省了大约磅的航空电子设备又如,客机采用系统结构后,大约减少了一半航空 电子处理组件。但 是,虽然和均基于资源共享的设计思想及机身和机载计算机中广泛使用专用,但它们却使用不同
20、的方法。的综合“梦想航班”航空电子系统的核心是一部史密斯航宇公司的中央处理系统,又称通用核心系统,它由通用处理模块和远距数据集中器组成,替代了传统地综合了远距探测器模拟和数字信号的有线设备通用数据网络 占组件 中的,采用光纤以太网将全部需要与通信的系统连接起来。已选用了“风河”系统公司遵循标准的操作系统通用 网络是 由遵循标准协议的外部开关组成。现已削减了各类至少部。的开放式“超级庞 然大物”航空电子系统的方法依赖于个处理模块,有的模块是为专门用途定制的,但这些模块全部由一条遵循标准的互连在一起,其中个标准机匣 尺寸计算 机是核心处 理输入输出模 块 1994-2010 China Acade
21、mic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/航空电子技术爪尹,第个为输入输出模块。这种结构计算机的存储器和电源板都是通用的,唯一不同之处是,根据与计算机互连系统的类型不同而接口卡有所不同。上的个功能区是座舱包括电传飞行控制、通信和告警系统、设备舱环境控制和气动控制和公用 设备区包括能源、燃油和起落架控制。该系统包含个全部为外场可更换模块,宿主于平台上其中有种的软件功能宿主于上,全部由法国泰莱斯航空电子公司研制。多独立防护级操作系统随着和一指导性标准的制定完成,高匕行性能下资源共享应用间的隔离己渐渐成为现实,
22、但在数据防护领域 尚有很多工作要做。在军用领域,一种基于多独立防护级比结构的软件数据 防护系统正在加紧开发之中,以使处于多个防护级的数据处理性能具有更高的经济可承受性和作效率。目前,操作系统及其中间件开发人员、系统集成商和软件测试人员正在加紧作,制造、测试和实施支持兼容的部件,并验证其彼此间的合作是否能够防卜数据泄漏和数据损毁。比是满足一和一屹机需要的产品之一,并将应用于联合战术无线电系统及其他多种匕机的现代化改进中。体系结构设计的重点是考虑分配不同安全级软件的防护职责,并在己分类和未分类信息之间存储和传输数据。模块化防护结构分为层操作系统的核心模块即独立内核、中间件和从高防护级“降”至低级的
23、防护程序,如“卫兵”和“数据降级”程序。该独立内核为应 用和中间件软件创造了坚实可靠的分区,以控制分区间的信息流,防止数据泄漏和任何损毁情况的发生,通过一种数学验证方法国际计算机防护指南规定的最高一保密级予以保证,可达到具有基于共享硬件资源上处理或个以上隔离数据级的能力。独立内核拥有“特权”或能无任何约束地运行,其规模受到严格的限制,给定的尺寸一般为行源代码,如设备驱动程序置于中间件内,可对其性能加 以改善。中间件软件可提供一种专用通信工具,如将独立内核控制功能扩展至内部系统间通信的分区通信系统、通用 目标要求代理结构和数据分布服务程序。结束语体系结构正向着不断满足安全性和防护性需要的方向发展
24、。设计己不再主要是满足安全性的需要,还可大大减少飞机重量、提高可移植性和降低维护成本现正在扩展应用于满足日益增长的防护性需求方面,其中的独立内核将是未来航空电子系统设计的基础,并将很可能得益于航空电子系统外其他应用的发展而发展。目前,安全关键性和防护性体系结构的开发主要应遵循描述系统安全性要求的心通用标准以及描述 系统 防护性要求的通用标准。此外,架构采用了允许使用通用软件的开放式体系结构,可更经济、更方便地实现系统的升级和更换作。随着机载计算机功能变得越来越强大,一吃机正获得越来越多基于软件开发的功能,每当增加一项新的性能或功能时主要通过共享计算机的资源实现,而无须增加机匣。这一思想现已体现
25、于波音、一改进型和运输机中,可以预见,将成为未来机载航空电子发展的一个主要方向。参考文献汇诸葛卉国外航空机载计算机技术发展综述北京中国航空下业发展研究中心研究报 告,卜转第页 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/空投鱼雷蛇形搜索攻击有利提前角模型研究梅凤华等潜寻深段到达设定深度开始按设定方式搜索目标。在仿真中应对各阶段详细分析以建立各个阶段的运动模型。这一部分 内容与具体的鱼 雷技术性能有关,在此不作详细展开。潜艇机动模型仿真计算中假 设潜艇清况 下以经济速
26、度直航,情况下机动,加速到节。机动时航向在鱼雷一潜艇视线方 向,均方差为的正态分布。检测模型仿真 中采用扇面检测模型,即以自导用距离为半径,接收波束的一分贝处宽度为扇面角。目标连续次进入此扇面即认为检测到目标。仿真计算程序简介计算程序由参数输入模块、鱼雷发射参数计算模块、鱼雷日标运动模块、鱼雷检测目标模块、命中概率计算模块及鱼雷攻潜轨迹演示模块构成。其程序如图所示。修正后的有利提前角计算模型对仿真计算所得的数据用公式作为母型,进行多元非线性回归,得到有利提前角计算模型,一会,一,一,加年月第卷第期,第期图仿真程序二,口用目标舷角弧度目标速度节鱼雷目标的距离米,凡,凡,朴为回归后得出的系数,与具
27、体的鱼雷技术性能有关。式中结论本文提出的将蛇形搜索等效为沿蛇形主航 向上的直航搜索的方法来求解的悬停攻击有利提前角计算模型,经仿真修证后,能够使空投蛇形搜索航行的鱼雷达到最大命中概率。参 考文 献江顺玉,陈秋农对几种自导鱼雷射击提前角计算方法的分析鱼雷,一袁富宇关于自导鱼雷有利提前角的讨论所学报,一,收稿日期一一作者简介梅风华】一,男,加年于海军装备论证中心硕士毕业,工程师。现研究方向航空火控上接第页霍曼模块化航空电子综合系统结构及其应用北京中国航空工业发展研究中心研究报告,】石以心人一吹肠邵扭浏田曰,】【一,一收稿日期一一修回日期一一作者简介诸葛卉一,女。毕业于北京航空航天大学 自动控制系。硕士,副研究员。现主要从事军、民用飞机航空电子领域的研究,特别是座舱显示与控制、机载计算机、光电探测、火控技术方面。