新一代直升機(jī)綜合核心處理機(jī)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)*

李成文，楊軍祥，王純委，陳 國，何小亞，劉 宇

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119）

0 引言

以科曼奇為代表的直升機(jī)航電系統(tǒng)采用了高度綜合化技術(shù)，綜合了航電任務(wù)系統(tǒng)、座艙顯示系統(tǒng)、設(shè)備管理、傳感器信號處理等，體現(xiàn)了高性能的特征；采用模塊化來解決航電系統(tǒng)在維護(hù)性、保障性和全壽命周期成本方面的問題。綜合化航電系統(tǒng)提高了系統(tǒng)任務(wù)能力，減輕了重量體積，又縮短研制周期、降低了成本。

目前我國大部分的直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的發(fā)展水平有限，通用化、系列化和模塊化的程度很低，不僅影響了直升機(jī)的可靠性、維護(hù)性和保障性，還導(dǎo)致了航空電子系統(tǒng)在直升機(jī)全壽命費(fèi)用中的比例越來越高。因此，本文針對新一代直升機(jī)航電系統(tǒng)綜合化處理需求，開展了適用于直升機(jī)應(yīng)用環(huán)境綜合核心處理機(jī)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)航電系統(tǒng)信息綜合化處理。

1 直升機(jī)航空電子系統(tǒng)發(fā)展分析

直升機(jī)航空電子系統(tǒng)開始向綜合化發(fā)展，比較典型的直升機(jī)綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)有科曼奇的綜合化航空電子系統(tǒng)MEP、科林斯公司的綜合處理中心IPC、瑞典SAAB公司的分布式模塊化航空電子系統(tǒng)DIMA以及霍尼威爾公司的Primus Epic/Apex航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此外，一些舊機(jī)型航電系統(tǒng)的更新?lián)Q代也向綜合化模塊化的方向發(fā)展，如在黑鷹、支努干等多種直升機(jī)上使用的通用航空電子結(jié)構(gòu)體系CAAS、AH-64D長弓阿帕奇的旋翼機(jī)開放式航空電子系統(tǒng)ROSA等。

MEP[1]的核心由兩臺結(jié)構(gòu)相同而任務(wù)不同的計(jì)算機(jī)、存儲設(shè)備和顯示控制系統(tǒng)構(gòu)成，與其他設(shè)備通過HSDB、1553B等總線進(jìn)行互連。其特點(diǎn)是對航電任務(wù)處理、座艙顯示、設(shè)備管理、信號處理等進(jìn)行了高度綜合化。

ROSA系統(tǒng)通過FC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了顯示控制計(jì)算機(jī)、任務(wù)計(jì)算機(jī)與雷達(dá)、傳感器之間的互連，將一些分散在各子系統(tǒng)的處理能力綜合到任務(wù)計(jì)算機(jī)中。ROSA特點(diǎn)是對原有航電系統(tǒng)的升級，通過局部綜合，既提高了操作性能、減輕了重量體積，又縮短研制周期、降低了成本。

IPC由于研發(fā)的年代較早，起初主要通過采用模塊化來解決航電系統(tǒng)維護(hù)性、保障性和全壽命周期成本方面的問題，在后期改進(jìn)中才逐步采用了綜合化措施，如數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用了AFDX，操作系統(tǒng)選用了與ARINC653分層結(jié)構(gòu)兼容的Posix系統(tǒng)。

CAAS[2-3]是由科林斯公司針對直升機(jī)特點(diǎn)開發(fā)的。它構(gòu)建了一個(gè)規(guī)?？缮炜s的、適用于多種型號的系統(tǒng)，并通過開放式模塊化通用化的設(shè)計(jì)，降低全壽命周期成本。CAAS對航電任務(wù)處理、座艙顯示系統(tǒng)進(jìn)行了綜合，其特點(diǎn)是采用分布式綜合化模塊化的方式降低成本，提高系統(tǒng)的靈活性，以適應(yīng)多種機(jī)型的需要。

Primus Epic/Apex采用了集成機(jī)架和現(xiàn)場可更換模塊，實(shí)現(xiàn)了模塊航空電子單元，使用了一種航空電子標(biāo)準(zhǔn)通信總線作為虛擬底板總線實(shí)現(xiàn)模塊的互聯(lián)。Primus Epic/Apex的特點(diǎn)是將飛行器管理系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的物理綜合。

DIMA[4]是瑞典的SAAB公司提出的。它使用AFDX作為互聯(lián)總線，連接分散在不同位置上的現(xiàn)場可更換模塊。同時(shí)也允許使用1553B數(shù)據(jù)總線將核心航空電子系統(tǒng)與其他任務(wù)系統(tǒng)連接在一起，實(shí)現(xiàn)低速率設(shè)備的信息傳輸。它主要對航電任務(wù)計(jì)算、座艙顯示和設(shè)備管理進(jìn)行綜合，其特點(diǎn)是邏輯上綜合，物理上分布。

2 直升機(jī)航電綜合處理系統(tǒng)架構(gòu)考慮

新一代直升機(jī)綜合化航空電子系統(tǒng)[5]需要實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)的綜合控制與管理、總線網(wǎng)絡(luò)管理、任務(wù)綜合處理、傳感器信號及數(shù)據(jù)綜合處理、通信管理、懸掛物管理、人-機(jī)接口控制和管理、數(shù)字地圖生成、視頻交換、音頻視頻壓縮與記錄控制、任務(wù)/維護(hù)數(shù)據(jù)的加卸載控制等功能綜合。綜合處理系統(tǒng)輸入為前端傳感器信息以及圖像圖形信息，傳輸信息量非常大，需要高速通信網(wǎng)絡(luò)；另一方面系統(tǒng)信號處理量比較大，要求浮點(diǎn)處理能力高，需要很高的信號和數(shù)據(jù)處理性能。

圖1 綜合核心處理系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。該處理系統(tǒng)架構(gòu)中，HICP是直升機(jī)綜合航電任務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，具備數(shù)據(jù)、圖形圖像和視頻的綜合處理能力以及系統(tǒng)存儲能力，并為整個(gè)航空電子系統(tǒng)提供時(shí)間服務(wù)。直升機(jī)航電系統(tǒng)以HICP為核心，通過高速FC網(wǎng)絡(luò)和1553B總線實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)通信，使得航電系統(tǒng)具有強(qiáng)壯性和可擴(kuò)展性。高頻機(jī)架、低頻機(jī)架、光電設(shè)備、氣象雷達(dá)、信號傳感器和面板控制等系統(tǒng)設(shè)備要求提供高帶寬、低延遲、大數(shù)據(jù)塊傳輸服務(wù)，通過高速FC網(wǎng)絡(luò)互連傳輸數(shù)據(jù)；而低速設(shè)備和原有成熟的關(guān)鍵系統(tǒng)(如外掛系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)等)采用1553B總線傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?qiáng)壯性的同時(shí)，降低系統(tǒng)成本；與座艙多功能顯示器間通過DVI、1553B總線相連。

3 綜合處理機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)容錯(cuò)重構(gòu)技術(shù)

HICP通過硬件、軟件、應(yīng)用三級容錯(cuò)措施來提高系統(tǒng)的可靠性。(1)硬件級容錯(cuò)：電路上采用可靠性高的大規(guī)模集成電路、校驗(yàn)電路，關(guān)鍵功能模塊(如電源、網(wǎng)絡(luò)、處理器模塊)備份。HICP通過電源、網(wǎng)絡(luò)、模塊等各元素的備份和容錯(cuò)保證系統(tǒng)的可靠性。HICP采用余度供電體系保證當(dāng)一塊電源模塊出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行；采用容錯(cuò)的FC通信網(wǎng)絡(luò)，能夠保證模塊、傳輸、交換機(jī)任一處出現(xiàn)故障時(shí)通信的正常進(jìn)行；處理模塊采用備份方式，并根據(jù)系統(tǒng)的需要，采取熱備份、溫備份或冷備份的備份方案。(2)軟件級容錯(cuò)：HICP通過系統(tǒng)管理的健康監(jiān)控服務(wù)監(jiān)控軟件模塊的運(yùn)行，對故障的軟件模塊進(jìn)行定位、分析和處理，并記錄故障現(xiàn)場，供軟件人員分析。當(dāng)出現(xiàn)功能模塊故障、軟件故障等情況時(shí)，就需要對出現(xiàn)的故障的模塊或分區(qū)中運(yùn)行的任務(wù)進(jìn)行容錯(cuò)重構(gòu)的處理，該處理是在分布式操作系統(tǒng)的綜合管理下進(jìn)行的。(3)應(yīng)用級容錯(cuò)采用應(yīng)用分區(qū)備份，在不同模塊上備份一個(gè)完全相同的分區(qū)。

3.2 高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

直升機(jī)綜合處理系統(tǒng)采用高速FC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。光纖通道提供一種通用網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制，定義各種高層通信協(xié)議到光纖通道的映射方法。提供一套完整故障檢測手段和流量控制方法，保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。光纖通道支持3種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)。每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都適用于不同的目的，并且這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能夠組合起來構(gòu)成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。FC網(wǎng)絡(luò)具有以下技術(shù)特點(diǎn)[6]：

(1)全雙工：發(fā)送通路與接收通路獨(dú)立，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；

(2)傳輸速率高：支持1 Gb/s、2 Gb/s傳輸速率；

(3)高可靠：物理鏈路傳輸誤碼率 BER＜10-12；

(4)傳輸距離遠(yuǎn)，采用單模光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)時(shí)，傳輸距離可高達(dá)10 km；

(5)可擴(kuò)展性好：支持點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可采用多個(gè)交換機(jī)集連構(gòu)建更大的網(wǎng)絡(luò)；

(6)多種傳輸介質(zhì)：支持銅纜、光纜等多種傳輸介質(zhì)；

(7)標(biāo)準(zhǔn)化：FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有完整標(biāo)準(zhǔn)體系，支持開放式系統(tǒng)互連。

3.3 高分辨率圖形圖像處理技術(shù)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)1 024×768高分辨率圖形圖像處理，支持2D/3D硬件加速和OpenGL標(biāo)準(zhǔn)圖形接口，完成二維/三維圖形的生成、圖像疊加和圖像壓縮功能，涉及到二維/三維圖形顯示、多路圖像疊加和多路圖像壓縮等技術(shù)[7]。

采用圖形加速芯片實(shí)現(xiàn)二維/三維的圖形加速功能，應(yīng)用跨平臺的開放式圖形庫OpenGL1.3實(shí)現(xiàn)圖形應(yīng)用接口，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks5.5實(shí)現(xiàn)圖形處理任務(wù)的管理。圖形顯示接口采用DVI視頻接口，單個(gè)圖形處理器芯片配置為同時(shí)輸出DVI視頻信號，分辨率支持 1 024×768，刷新頻率為 60 Hz。

多路圖像疊加采用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像疊加的邏輯運(yùn)算，以像素行為單位實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的緩存，而前景圖像和背景圖像進(jìn)行疊加時(shí)運(yùn)用ALPHA疊加算法，通過配置前景圖像和背景圖像的疊加系數(shù)方法，實(shí)現(xiàn)半透明疊加和覆蓋疊加。FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)對DDR2 SDRAM控制器，運(yùn)用乒乓方式來訪問DDR2 SDRAM，在往DDR2 SDRAM控制器1的DDR2 SDRAM寫圖像數(shù)據(jù)時(shí)，能夠同時(shí)從DDR2 SDRAM控制器2的DDR2 SDRAM讀取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，保證了圖像疊加時(shí)不丟棄任何圖像幀。視頻疊加原理如圖2所示。

圖2 視頻疊加原理圖

多路圖像壓縮采用完全自主的H.264壓縮算法[8]，使用FPGA硬邏輯實(shí)現(xiàn)H.264算法，并針對航空畫面復(fù)雜的特點(diǎn)，提出最佳的壓縮策略，在顯著提高畫面清晰度的同時(shí)，減少數(shù)據(jù)存儲量。壓縮算法采用硬邏輯實(shí)現(xiàn)，保證了圖像壓縮的實(shí)時(shí)性，同時(shí)采用DDR2 SDRAM實(shí)現(xiàn)圖像原始數(shù)據(jù)的緩存和壓縮中間數(shù)據(jù)的緩存。

3.4 獨(dú)立可控安全供電技術(shù)

HICP各功能模塊采取獨(dú)立供電，使得模塊內(nèi)的電源故障不向其他模塊蔓延傳遞，實(shí)現(xiàn)電源故障隔離[9]，如圖3所示。

HICP通過主控模塊對其他功能模塊實(shí)施上下電控制。每個(gè)功能模塊的28 V轉(zhuǎn)內(nèi)部5 V模塊帶有控制端，低電平使能5 V輸出，高電平關(guān)閉5 V電源輸出，控制信號來自主控模塊。

3.5 自主分布式系統(tǒng)軟件技術(shù)

圖3 獨(dú)立電源供電結(jié)構(gòu)

HICP軟件由航電綜合任務(wù)軟件、系統(tǒng)管理軟件、嵌入式核心操作系統(tǒng)、模塊支持層軟件組成。該體系結(jié)構(gòu)充分考慮了各子功能系統(tǒng)間、各層間的安全隔離，以防止故障蔓延。操作系統(tǒng)代碼的可浮動、可重載使操作系統(tǒng)可動態(tài)引導(dǎo)和重加載。系統(tǒng)管理軟件通過健康監(jiān)控、故障管理、配置管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的監(jiān)視、濾波、定位、恢復(fù)及重構(gòu)。機(jī)載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過藍(lán)圖管理航電軟件的運(yùn)行，在藍(lán)圖中給出系統(tǒng)資源的配額使用和分區(qū)/進(jìn)程調(diào)度、系統(tǒng)容錯(cuò)/重構(gòu)的策略定義。

HICP采用天脈2和天脈1兩種自主知識產(chǎn)權(quán)核心操作系統(tǒng)。

天脈2操作系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)了ARINC653要求[10]的分區(qū)管理、進(jìn)程管理、時(shí)間管理、存儲管理、分區(qū)內(nèi)通信、分區(qū)間通信及健康監(jiān)控服務(wù)；對下實(shí)現(xiàn)了模塊支持層的剝離，使得硬件模塊支持層具有強(qiáng)獨(dú)立性，能夠滿足不同應(yīng)用需求和升級需要。

天脈1是一個(gè)針對航空應(yīng)用需求設(shè)計(jì)的機(jī)載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠完全滿足機(jī)載環(huán)境所提出的強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠、可裁剪性、可升級性等特殊要求。

3.6 開放式機(jī)架抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)

直升機(jī)中沒有液冷，也沒有環(huán)控風(fēng)，產(chǎn)品散熱需要自帶風(fēng)機(jī)解決。風(fēng)機(jī)冷卻利用風(fēng)機(jī)驅(qū)動冷卻空氣流經(jīng)電子設(shè)備把熱量帶走，其冷卻能力約為自然風(fēng)冷的10倍。

HICP開放式風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)如圖4所示，風(fēng)機(jī)驅(qū)動冷卻風(fēng)直接吹過器件表面散熱器換熱，有效縮短散熱路徑，大幅提高散熱能力。

圖4 HICP開放式風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)

HICP電磁防護(hù)采用安裝風(fēng)壓損失較小的金屬發(fā)泡網(wǎng)方法來處理通風(fēng)散熱孔，由于金屬發(fā)泡網(wǎng)不能直接裸露，所以在發(fā)泡網(wǎng)增加金屬打孔板，在保護(hù)金屬發(fā)泡網(wǎng)的同時(shí)提高電磁密封性能。

HICP防塵部件選擇鋁制發(fā)泡金屬網(wǎng)，發(fā)泡金屬網(wǎng)是一種經(jīng)特殊工藝制成的帶有大量層疊微孔的鎳鐵等金屬支撐的既能屏蔽輻射干擾又能通風(fēng)的材料。

4 綜合核心處理機(jī)實(shí)現(xiàn)

新一代直升機(jī)綜合核心處理機(jī)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理模塊、信號處理模塊、圖形圖像模塊、大容量存儲器模塊、網(wǎng)絡(luò)支持模塊及電源模塊等高度通用化LRM模塊組成，模塊功能和數(shù)量配置如下：

(1)數(shù)據(jù)處理模塊：2塊，負(fù)責(zé)任務(wù)計(jì)算、數(shù)據(jù)融合和系統(tǒng)控制管理等任務(wù)以及1553B總線通信、IO信號處理，其中1塊作為備份；

(2)信號處理模塊：3塊，負(fù)責(zé)高頻機(jī)架、低頻機(jī)架、光電設(shè)備的傳感器信號處理；

(3)圖形圖像模塊：1塊，負(fù)責(zé)有關(guān)多功能顯示器、備份顯示器的圖像生成與處理；

(4)大容量存儲器模塊：1塊，負(fù)責(zé)數(shù)字地圖、大容量數(shù)據(jù)存儲與管理、任務(wù)數(shù)據(jù)加卸載；

(5)視頻處理模塊：1塊，負(fù)責(zé)傳感器圖像生成與處理、視頻交換，視頻/音頻的壓縮與記錄傳輸控制，人-機(jī)接口控制和管理；

(6)網(wǎng)絡(luò)支持模塊：2塊，負(fù)責(zé)HICP內(nèi)各模塊之間以及與前端傳感器間高速數(shù)據(jù)傳輸；

(7)電源模塊：2塊，負(fù)責(zé)電源處理和各個(gè)模塊上/下電的管理，采用余度供電方式。

5 結(jié)束語

新一代直升機(jī)綜合核心處理機(jī)采用綜合化、模塊化、開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有數(shù)據(jù)、信號、圖形、視頻處理能力和大容量存儲、高速網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)容錯(cuò)重構(gòu)能力，具有技術(shù)先進(jìn)、性能高、重量輕、體積小、功耗低的特點(diǎn)。與直升機(jī)現(xiàn)有先進(jìn)航電處理系統(tǒng)相比，新一代直升機(jī)綜合核心處理機(jī)的重量、功耗和體積均減少30%以上，性能提高4倍以上。

[1]諸葛卉.直升機(jī)航空電子系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2006，24(5)：25-27.

[2]BERGEY J.The U.S.army′s common avionics architecture system[C].Technical Report，2005：1-6.

[3]SKAGGS M.Sikorsky avionics integration on the UH-60M[Z].Sikorsky Pilot′s Office，2004.

[4]GERMANETTI S.Common core avionics architecture for tactical and navy version benefits of open system approach for future needs[C].Military Avionics Conference，28th&29th October2004-London，UK，2004.

[5]MOIR I，SEABRIDGE A.Civil avionics systems[M].Professional Engineering Publishing，UK，2003.

[6]熊華鋼，周貴榮，李峭.機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)及其發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，2006，27(6)：1135-1144.

[7]孔淵.機(jī)載高性能圖形引擎技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.

[8]宋青.基于IDATA的高級座艙顯示界面設(shè)計(jì)方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[9]孟穎悟.新型機(jī)載計(jì)算機(jī)電源架構(gòu)的研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2007，37(5)：63-65.

[10]ARINC specification 653：avionics application software standard interface，part 1-required services[Z].2005.