大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)應(yīng)用分析及發(fā)展建議

尤海峰 ,劉 煜

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

航空電子系統(tǒng)關(guān)系到飛機(jī)的安全性、可靠性、先進(jìn)性和成本,是飛機(jī)上最重要的子系統(tǒng)之一。我國(guó)大型飛機(jī)的研制已經(jīng)正式啟動(dòng),在研發(fā)大型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的過(guò)程中,為了避免閉門造車和多走彎路,我們可以借鑒和參考國(guó)際上的主流大型民用飛機(jī)的航空電子系統(tǒng),然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新,形成自己的特色。

隨著微電子技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展,航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已從傳統(tǒng)的分立式、聯(lián)合式向綜合化、高度綜合化發(fā)展。第一個(gè)應(yīng)用綜合模塊化航空電子系統(tǒng)(IntegratedModular Avionics,IMA)的大型民用飛機(jī)是波音公司于1995年正式推出的波音777飛機(jī),該飛機(jī)采用飛機(jī)信息管理系統(tǒng)(Airplane Information Management System,AIMS)來(lái)綜合多個(gè)航空電子子系統(tǒng)的功能[1-2]。波音787飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)在波音777的基礎(chǔ)上綜合程度進(jìn)一步提升,不僅綜合了傳統(tǒng)的航電功能,而且將許多非傳統(tǒng)航電功能也綜合進(jìn)來(lái)[3]。空中客車公司最新推出的A380飛機(jī)采用了具有自身特色的綜合模塊化結(jié)構(gòu),與波音777和波音787的最大不同是,A380沒(méi)有以機(jī)柜(Cabinet)的形式形成一個(gè)中央處理系統(tǒng),而是將處理模塊以分布式的方式部署在機(jī)身的各個(gè)地方[4]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)大型民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了跟蹤,并對(duì)我國(guó)大型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的發(fā)展提出了有益的建議[1,5-7]。但是,相關(guān)文獻(xiàn)沒(méi)有對(duì)典型大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和具體技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析。本文將對(duì)3種典型的大型民用飛機(jī)(波音777、波音787和空客A380)中的IMA系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹和對(duì)比分析,在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出發(fā)展IMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)并給出大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的發(fā)展建議。

2 綜合模塊化航空電子系統(tǒng)

2.1 IMA系統(tǒng)的基本概念

IMA系統(tǒng)是指飛機(jī)上的一個(gè)分布式實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包含若干個(gè)計(jì)算模塊,且每個(gè)計(jì)算模塊能夠運(yùn)行多個(gè)不同安全關(guān)鍵級(jí)別的應(yīng)用程序。IMA的核心理念是硬件共享,即多個(gè)應(yīng)用程序共享同一個(gè)處理單元,這樣就能減少處理器、配線、I/O的成本,此外,還能減小航空電子系統(tǒng)的重量、體積、能耗等[5]。

2.2 IMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)IMA系統(tǒng)由4個(gè)部分構(gòu)成:機(jī)柜(Cabinet)、全局?jǐn)?shù)據(jù)總線、與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線兼容的設(shè)備和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)集中器(Remote Data Concentrator,RDC)[8]。IMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 IMA′s system architecture

機(jī)柜用來(lái)提供計(jì)算資源,并為其中的應(yīng)用程序提供必要的接口。機(jī)柜由3個(gè)部分構(gòu)成:機(jī)柜框架、背板和功能模塊[8]。其中,機(jī)柜框架為機(jī)柜內(nèi)部的功能模塊提供了機(jī)械和電氣環(huán)境。背板為功能模塊和外部航電設(shè)備提供接口,背板分為3個(gè)區(qū)域:第一個(gè)區(qū)域是飛機(jī)配線和背板之間的接口;第二個(gè)區(qū)域?yàn)楸嘲蹇偩€,用于功能模塊之間的信息傳遞;第三個(gè)區(qū)域用于電能分配。IMA系統(tǒng)中的功能模塊應(yīng)該被設(shè)計(jì)成外場(chǎng)可更換模塊(Line Replaceable Module,LRM),按照功能可分為多種不同的類型,例如核心處理器、標(biāo)準(zhǔn)I/O、特殊I/O、電能供給模塊、總線橋、網(wǎng)關(guān)、塊存儲(chǔ)器等。

全局?jǐn)?shù)據(jù)總線用于機(jī)柜、RDC以及總線上的其他掛載設(shè)備之間的通信。ARINC Report 651中指明ARINC 629為全局?jǐn)?shù)據(jù)總線,實(shí)際上,IMA系統(tǒng)中的全局?jǐn)?shù)據(jù)總線不限于ARINC 629總線,例如,波音787和空客A380采用的全局?jǐn)?shù)據(jù)總線是符合ARINC 664標(biāo)準(zhǔn)的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switched Ethernet,AFDX)。

機(jī)柜之外的設(shè)備,按照與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線是否兼容可分為兩類。如果與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線兼容,則可以直接接入全局?jǐn)?shù)據(jù)總線,與總線上掛載的機(jī)柜和其他設(shè)備通信。如果與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線不兼容,則需要先與RDC連接,然后通過(guò)RDC接入全局?jǐn)?shù)據(jù)總線。RDC可以為許多簡(jiǎn)單設(shè)備服務(wù),其作為數(shù)據(jù)輸入設(shè)備時(shí),將數(shù)據(jù)從模擬、離散或者其他格式轉(zhuǎn)換為與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線兼容的格式;當(dāng)其作為一種輸出設(shè)備時(shí),將全局?jǐn)?shù)據(jù)總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬、離散或者其他格式[8]。RDC還負(fù)責(zé)管理與之相連的簡(jiǎn)單設(shè)備的健康狀態(tài)。

2.3 IMA系統(tǒng)的特點(diǎn)

相對(duì)傳統(tǒng)的獨(dú)立式、聯(lián)合式航空電子系統(tǒng),IMA系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行綜合,包括網(wǎng)絡(luò)、模塊和I/O設(shè)備;

(2)采用分層體系結(jié)構(gòu),利用標(biāo)準(zhǔn)的編程接口使硬件與應(yīng)用軟件彼此獨(dú)立;

(3)采用分區(qū)操作系統(tǒng)來(lái)管理同一模塊中的多個(gè)應(yīng)用程序,操作系統(tǒng)必須采取保護(hù)機(jī)制來(lái)確保同一硬件模塊中的多個(gè)應(yīng)用程序之間不會(huì)相互影響,并且能以適當(dāng)?shù)恼{(diào)度策略對(duì)多個(gè)不同的應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)度;

(4)模塊上的應(yīng)用程序能夠進(jìn)行靜態(tài)重構(gòu)(飛機(jī)未使用時(shí))或動(dòng)態(tài)重構(gòu)(飛機(jī)處于飛行階段時(shí))。

3 大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)典型應(yīng)用

3.1 波音777

1995年,波音公司正式推出波音 777飛機(jī)。Honeywell公司為其提供了飛機(jī)信息管理系統(tǒng)(AIMS),該系統(tǒng)采用了綜合模塊化結(jié)構(gòu),是IMA系統(tǒng)在商用飛機(jī)中的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例[1]。AIMS為飛機(jī)中的7個(gè)子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理能力,包括主顯示系統(tǒng)(PDS)、中央維護(hù)計(jì)算系統(tǒng)(CMCS)、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(ACMS)、飛行數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)(FDRS)、數(shù)據(jù)通信管理系統(tǒng)(DCMS)、飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(FMCS)和推理管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(TMCS),其余子系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的聯(lián)合式結(jié)構(gòu)[9]。

AIMS安裝于兩個(gè)機(jī)柜之中,并通過(guò)ARINC 629總線、ARINC 429總線以及離散I/O通道與飛機(jī)其他系統(tǒng)相連接。每個(gè)機(jī)柜內(nèi)安插了8個(gè)外場(chǎng)可更換模塊(LRM),包括4個(gè)核心處理模塊(Core Processor Module,CPM)和 4個(gè)輸入輸出模塊(Input Output Module,IOM),此外,考慮到未來(lái)功能擴(kuò)展的需要,還預(yù)留了1個(gè)CPM和2個(gè)IOM的插槽[2]。CPM負(fù)責(zé)AIMS中各種功能的運(yùn)算,共有4種類型:CPM/COMM(中央處理/通信模塊)、CPM/ACMF(中央處理/飛行狀態(tài)監(jiān)控功能模塊)、CPM/BASIC(中央處理/基本模塊)和CPM/GG(中央處理/圖像產(chǎn)生器模塊)[10]。所有IOM具有相同的硬件和軟件,它們負(fù)責(zé)傳送CPM中的數(shù)據(jù)到其他機(jī)載系統(tǒng),并從其他機(jī)載系統(tǒng)接收傳送至CPM的數(shù)據(jù)。在機(jī)柜內(nèi)部,模塊之間的信息傳遞由高速背板總線SAFEbus提供,這種總線標(biāo)準(zhǔn)之后被發(fā)展為ARINC 659標(biāo)準(zhǔn)[11]。AIMS機(jī)柜的結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。

圖2 AIMS機(jī)柜結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of the AIMS cabinets

每個(gè)CPM中均部署了多個(gè)不同關(guān)鍵級(jí)別應(yīng)用程序,如表1所示[9]。為了能夠?qū)Σ煌P(guān)鍵級(jí)別的應(yīng)用程序進(jìn)行獨(dú)立的認(rèn)證,并且使不同的應(yīng)用程序之間不相互破壞數(shù)據(jù),Honeywell公司開(kāi)發(fā)了Apex操作系統(tǒng),這種操作系統(tǒng)成為了ARINC 653操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)[11]。Apex操作系統(tǒng)采用了“健壯分區(qū)(Robust Partitioning)”的方法來(lái)對(duì)運(yùn)行在同一處理器中的不同應(yīng)用程序進(jìn)行隔離。這種隔離措施要求不僅在空間上,而且在時(shí)間上對(duì)不同的應(yīng)用程序進(jìn)行劃分。應(yīng)用程序的存儲(chǔ)器空間在運(yùn)行之前就被分配好,每個(gè)應(yīng)用程序均不能破壞其他應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間內(nèi)的數(shù)據(jù),對(duì)于任意的存儲(chǔ)頁(yè)面,最多只有一個(gè)應(yīng)用分區(qū)對(duì)其進(jìn)行寫訪問(wèn)。應(yīng)用程序的處理器資源調(diào)度通過(guò)一組調(diào)度規(guī)則表來(lái)控制,調(diào)度規(guī)則表在運(yùn)行前確定,并可以加載至模塊中。每個(gè)應(yīng)用程序在分配的處理器時(shí)間內(nèi)占用處理器資源,其他應(yīng)用程序在此時(shí)間段內(nèi)不能搶占。

表1 波音777中的CPM包含的功能Table 1 Functions allocated in CPMs of Boeing 777

隨著航空電子技術(shù)的進(jìn)步,Honeywell公司后來(lái)又對(duì)波音777的航空電子設(shè)備進(jìn)行了升級(jí),在每個(gè)機(jī)柜中安裝的模塊數(shù)增加至10個(gè),但其重量卻比原來(lái)的AIMS減輕14.5 kg,功耗減少39%[10]。

3.2 波音787

波音787的航空電子系統(tǒng)主要由通用核心系統(tǒng)(Common Core System,CCS)組成。CCS由Smiths公司(已被GE收購(gòu))提供,它被稱為波音787的中央神經(jīng)系統(tǒng)。CCS不但綜合了傳統(tǒng)意義的航空電子系統(tǒng)功能,還綜合了燃油系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、艙門系統(tǒng)等非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理和控制功能[3]。波音787的航空電子系統(tǒng)在波音777的基礎(chǔ)上進(jìn)一步綜合化而來(lái),波音777飛機(jī)采用了近80個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)滿足約100種不同設(shè)備的應(yīng)用需求,而波音787飛機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則減少至30部[13]。波音777與波音787航空電子系統(tǒng)的關(guān)系如圖3所示[14]。

CCS由公共計(jì)算資源(Common Computing Resource,CCR)、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Common Data Network,CDN)和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)集中器(RDC)三部分組成。CCR安裝在兩個(gè)機(jī)柜中,機(jī)柜之間通過(guò)CDN(AFDX數(shù)據(jù)總線)連接。與AFDX數(shù)據(jù)總線兼容的LRU通過(guò)AFDX交換機(jī)直接接入CDN。此外,對(duì)于擁有模擬信號(hào)輸出或者ARINC 429信號(hào)輸出的LRU,必須先將其與RDC連接,然后接入CDN。

圖3 波音777與波音787航空電子系統(tǒng)的關(guān)系Fig.3 Relationship between Boeing 777 and 787′s avionics system

CCR為波音787飛機(jī)提供了計(jì)算資源,從圖3中可以看出,與波音777飛機(jī)的AIMS相比,CCR綜合了更多的功能。兩個(gè)CCR機(jī)柜中共裝載了16個(gè)LRM,有5種不同的類型,分別是8個(gè)通用處理模塊(General Processing Module,GPM)、2個(gè)能源控制模塊、2個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)光纖轉(zhuǎn)換模塊和2個(gè)圖像產(chǎn)生器模塊[2]。每個(gè)GPM都使用Wind River公司的VxWorks653分區(qū)操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)除了為應(yīng)用程序提供必需的服務(wù)外,還提供了健壯的分區(qū)機(jī)制用以支持不同安全關(guān)鍵級(jí)別的軟件在同一個(gè)處理器上運(yùn)行。

CDN是CCS的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),提供了銅介質(zhì)接口和光纖接口。CDN由Rockwell Collins公司提供,采用的是符合ARINC 664標(biāo)準(zhǔn)的AFDX網(wǎng)絡(luò),能支持10～100 Mb/s的傳輸速率,并且有增長(zhǎng)至1 Gb/s的潛力,是商用飛機(jī)通信帶寬的巨大飛躍。AFDX是在標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)和IEEE 802.3協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái),其最大的特點(diǎn)是“確定性”和“可靠性”。CDN中的核心節(jié)點(diǎn)是AFDX交換機(jī),每個(gè)交換機(jī)具有24個(gè)全雙工端口。這些交換機(jī)沿機(jī)身的左右兩側(cè)布置,每一側(cè)都采用雙冗余備份連接。單個(gè)交換機(jī)故障,甚至不同的區(qū)域內(nèi)存在第二個(gè)故障的情況下,AFDX網(wǎng)絡(luò)仍然可以正常通信。

波音787的CCS中共有21個(gè)RDC。RDC被用來(lái)替換傳統(tǒng)的專用信號(hào)配線,將來(lái)自遠(yuǎn)端傳感器和受動(dòng)器的模擬和數(shù)字信號(hào)集中起來(lái)并傳輸至CDN中。RDC可以通過(guò)配置文件進(jìn)行配置,配置文件中可以指定特定I/O連接類型的處理模塊,還能指定更新速率和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式。

3.3 空客A380

空客A380的航空電子系統(tǒng)采用了開(kāi)放式IMA技術(shù),其IMA系統(tǒng)包含兩個(gè)主要組成部分:AFDX數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和IMA模塊。與波音777和波音787的綜合航空電子系統(tǒng)不同,A380的航空電子系統(tǒng)沒(méi)有采用機(jī)柜的形式來(lái)組成類似AIMS或者CCR的中央處理系統(tǒng),而是將處理模塊分散放置于機(jī)身各處,并且通過(guò)AFDX交換機(jī)接入通信網(wǎng)絡(luò)[4]。A380的IMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示(只列出了AFDX網(wǎng)絡(luò)和IMA模塊的布局情況,以分立設(shè)備的形式存在的系統(tǒng)未在圖中列出)[15-16]。

圖4 A380 IMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Architecture of A380′s IMA system

A380的航空電子系統(tǒng)中共有30個(gè)LRM,所有模塊均符合ARINC 600規(guī)范,尺寸為3 MCU,重量約為4.2 kg。這些LRM可分為8種不同的類型,包括7種核心處理輸入/輸出模塊(Core Processing&IO Module,CPIOM)和 1種輸入/輸出模塊(Input/Out Module,IOM)[4]。7種CPIOM中部署了22種不同功能,共計(jì)70種應(yīng)用軟件,這些應(yīng)用軟件由11個(gè)不同的供應(yīng)商提供[4]。表2列出了每種LRM的數(shù)量以及模塊中部署的應(yīng)用。

表2 A380中的LRMTable 2 LR Ms in A380

IMA硬件模塊由Thales公司和空中客車公司提供,兩者提供的硬件模塊采用不同的硬件實(shí)現(xiàn)。Thales公司提供了其中的18個(gè)IMA模塊:4個(gè)用于起落架裝置,4個(gè)用于燃油管理系統(tǒng),4個(gè)用于客艙功能,4個(gè)用于空氣管理,2個(gè)用于電氣系統(tǒng)。空中客車公司提供的IMA模塊則用于輸入/輸出、飛行告警、ATC通信功能和航空電子通信路由[17-18]。但是,并非所有的航空電子功能都被綜合為IMA模塊,一些飛行關(guān)鍵系統(tǒng),例如飛機(jī)環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)和大氣數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)仍然以分立設(shè)備的形式存在[17-18]。IMA模塊中的操作系統(tǒng)也由Thales公司開(kāi)發(fā),該操作系統(tǒng)提供基于ARINC 653規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口,能夠在不同的應(yīng)用程序之間提供分區(qū)支持。標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口使得硬件能夠在不影響應(yīng)用軟件的前提下更新,也允許系統(tǒng)供應(yīng)商開(kāi)發(fā)獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件。

由于A380航空電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信交換機(jī)和IMA模塊都是根據(jù)通用的ARINC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì),因此A380的航空電子系統(tǒng)對(duì)于潛在的航空電子制造商來(lái)說(shuō)是開(kāi)放的[16]。開(kāi)放式IMA技術(shù)帶來(lái)的好處是飛機(jī)制造商可以通過(guò)第三方航空電子供應(yīng)商獲取模塊和通信設(shè)備,從而為開(kāi)放式IMA標(biāo)準(zhǔn)培育一個(gè)市場(chǎng),并通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)控制成本。

3.4 三種機(jī)型IMA系統(tǒng)對(duì)比分析

下面從功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)總線和操作系統(tǒng)等四個(gè)方面對(duì)上述3種機(jī)型的IMA系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)功能

波音777飛機(jī)的AIMS中包含的7個(gè)子系統(tǒng)均屬于航空電子系統(tǒng)功能,而波音787和空客A380的IMA系統(tǒng)中不僅綜合了傳統(tǒng)意義的航空電子系統(tǒng)功能,還綜合若干非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理和控制功能。一般而言,IMA系統(tǒng)綜合的功能越多,則系統(tǒng)的綜合化程度越高。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述3種機(jī)型的IMA系統(tǒng)均采用了分布式結(jié)構(gòu)。波音777和787的IMA系統(tǒng)中采用了機(jī)柜來(lái)安裝LRM,機(jī)柜內(nèi)不同LRM之間通過(guò)背板總線進(jìn)行通信。采用機(jī)柜來(lái)集中安裝LRM可以在LRM之間共享硬件資源,如背板總線、供電模塊、I/O模塊等?？湛虯380的IMA系統(tǒng)沒(méi)有采用機(jī)柜,而是將LRM分散放置于機(jī)身各處,通過(guò)全局?jǐn)?shù)據(jù)總線AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。采用這種結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),既不用設(shè)計(jì)機(jī)柜和背板總線,也能減輕由于模塊集中而帶來(lái)的散熱壓力。

(3)全局?jǐn)?shù)據(jù)總線

波音777采用ARINC 629全局總線,該數(shù)據(jù)總線為波音公司針對(duì)波音777項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的技術(shù),它是一種雙向總線,可支持最多120個(gè)數(shù)據(jù)終端以及高達(dá)2 Mb/s的數(shù)據(jù)率。由于該技術(shù)需要定制硬件支持,并且沒(méi)有得到其他飛機(jī)制造廠商的認(rèn)可,因此會(huì)增加生產(chǎn)成本。波音787和空客A380采用符合ARINC664規(guī)范的AFDX網(wǎng)絡(luò)作為其全局?jǐn)?shù)據(jù)總線。AFDX網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信協(xié)議經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)而來(lái),具有相對(duì)更高的可靠性、適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性,傳輸速率可達(dá)10～100 Mb/s。

(4)操作系統(tǒng)

波音777采用Honeywell公司開(kāi)發(fā)的Apex操作系統(tǒng),ARINC 653規(guī)范即在該操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。波音787和空客A380的IMA系統(tǒng)分別采用了Wind River和Thales公司開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng),兩種操作系統(tǒng)均提供基于ARINC 653規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口。可見(jiàn),ARINC 653規(guī)范已經(jīng)成為大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)中使用的主流標(biāo)準(zhǔn)。

4 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展建議

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)的聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)相比,采用IMA技術(shù)能夠減輕重量、減小體積、降低維護(hù)成本等諸多優(yōu)勢(shì)。波音777、波音787和空客A380等新一代大型民用飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)均采用了IMA技術(shù),因此IMA技術(shù)的應(yīng)用是大型民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。為了使大型民用飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)聯(lián)合式向IMA的轉(zhuǎn)變,需要突破以下多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):

(1)系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵技術(shù),包括IMA系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與綜合技術(shù)、高可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)、適航認(rèn)證等;

(2)硬件技術(shù),包括結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、小型化電路設(shè)計(jì)、全局?jǐn)?shù)據(jù)總線、背板總線等;

(3)軟件技術(shù),包括支持多分區(qū)應(yīng)用的操作系統(tǒng)、多分區(qū)環(huán)境下的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)及測(cè)試技術(shù)等。

4.2 發(fā)展建議

通過(guò)分析大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的典型應(yīng)用并梳理其關(guān)鍵技術(shù),對(duì)大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的研制給出以下幾點(diǎn)建議。

(1)逐步提升綜合化程度

目前,大型民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的綜合主要體現(xiàn)在座艙綜合顯示控制、綜合數(shù)據(jù)處理、綜合導(dǎo)航引導(dǎo)、綜合監(jiān)視與告警等方面[6]。綜合化設(shè)計(jì)能壓縮航空電子系統(tǒng)的體積和重量,減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)的可靠性,降低飛機(jī)的全壽命周期費(fèi)用。但是,從傳統(tǒng)的聯(lián)合式航空電子向IMA過(guò)渡是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,需要多方面的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的積累,不能一味追求最大程度的綜合化,應(yīng)該在各方面條件成熟的前提下推進(jìn)系統(tǒng)的綜合化。

(2)采用通用化、模塊化硬件

集成電路和軟件技術(shù)的高速發(fā)展使得將多個(gè)不同的功能集中于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電子模塊中成為可能。通用化、模塊化的硬件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和綜合化的基礎(chǔ)。應(yīng)該盡量采用通用的、標(biāo)準(zhǔn)的LRM來(lái)實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)的各種功能,避免或者盡量減少專用LRM在系統(tǒng)中的使用。

(3)采用開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)可以定義為:將符合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的不同部件連接在一起而構(gòu)成的系統(tǒng)[19]。實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是要制定和貫徹各種標(biāo)準(zhǔn)接口,使不同的產(chǎn)品研制、生產(chǎn)單位都遵循相同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。對(duì)于硬件而言,應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊機(jī)械接口、標(biāo)準(zhǔn)電氣特性、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)總線接口、標(biāo)準(zhǔn)并行/底板總線特性、標(biāo)準(zhǔn)模擬和離散信號(hào)接口等;對(duì)于軟件而言,需要對(duì)軟件按層次劃分,各層次之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口。采用開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得能夠獨(dú)立地對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)部件進(jìn)行研發(fā)、維護(hù)和改進(jìn)升級(jí),而不用擔(dān)心影響到系統(tǒng)中的其他部件,因此能大大降低航空電子系統(tǒng)的研發(fā)和維護(hù)成本。

(4)采用高安全性、高可靠性設(shè)計(jì)

民用飛機(jī)對(duì)安全性和可靠性有很高的要求,民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的研制過(guò)程必須嚴(yán)格遵循適航認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),在系統(tǒng)或設(shè)備中采用容錯(cuò)設(shè)計(jì),并且對(duì)重要的功能進(jìn)行多重冗余備份。

(5)采用商用貨架產(chǎn)品技術(shù)

美國(guó)國(guó)防部把商用貨架產(chǎn)品技術(shù)(Commercial off the Shelf,COTS)定義為在市場(chǎng)上銷售的產(chǎn)品,并在制造商的產(chǎn)品目錄中以確定的價(jià)格出現(xiàn),而且可以直接從制造商或通過(guò)制造商的銷售網(wǎng)供應(yīng)給任何公司或個(gè)人使用[20]。采用COTS技術(shù)可以減少航空電子系統(tǒng)中專用元器件和專用軟件的數(shù)量,從而降低研發(fā)成本,而且COTS產(chǎn)品具有良好的技術(shù)支持,便于擴(kuò)充和升級(jí)。

(6)采用高速數(shù)據(jù)總線

機(jī)載高速數(shù)據(jù)總線是新一代綜合航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,它直接決定了綜合航空電子系統(tǒng)集成化程度的高低。傳統(tǒng)的機(jī)載總線架構(gòu)面臨著布線復(fù)雜、重量過(guò)重、維護(hù)及改型困難等缺點(diǎn)。AFDX的出現(xiàn)克服了這些缺點(diǎn),成為目前主流大型民用飛機(jī)航空電子網(wǎng)絡(luò)的互連基礎(chǔ),在大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的研制時(shí)可以參考或直接選用之。

5 結(jié)束語(yǔ)

波音777、波音787和空客A380均屬于新一代的大型民用飛機(jī),它們的航空電子系統(tǒng)均采用了IMA技術(shù),因此IMA技術(shù)代表了大型民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文對(duì)上述3種典型大型民用飛機(jī)的IMA系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)了大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)大型民用飛機(jī)IMA系統(tǒng)的發(fā)展給出了若干建議,希望能為我國(guó)大型飛機(jī)IMA系統(tǒng)的研制提供一定的參考價(jià)值。

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