綜合模塊化航空電子系統(tǒng)

李林劍

【摘 要】綜合模塊化航空電子系統(tǒng)（ Integrated Modular Avionics，IMA）已成為未來飛機的發(fā)展趨勢，對IMA的研究顯得越來越重要。本文首先綜述了航空電子系統(tǒng)的發(fā)展歷史，然后介紹了綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的基本概念和架構(gòu)，同時介紹了IMA系統(tǒng)的軟件平臺，最后介紹了當(dāng)前最先進(jìn)的兩種IMA架構(gòu)。只有對IMA系統(tǒng)有深刻地理解，才能更好地發(fā)展我國民用客機事業(yè)。

【關(guān)鍵詞】航空電子；IMA；ARINC 653

0 引言

20世紀(jì)90年代，飛機航空電子系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)展為綜合模塊化航空電子系統(tǒng)（Integrated Modular Avionics，IMA），使得飛機進(jìn)入了一個全新時代。IMA 平臺下能夠駐留種類繁多、不同功能、不同安全等級的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的單獨的航空電子系統(tǒng)集中一個通用的平臺上，其具有資源分配最優(yōu)化、最大限度地減小系統(tǒng)體積和重量、降低設(shè)備能源消耗等優(yōu)點。IMA系統(tǒng)是一種開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，平臺軟件和硬件的更新可獨立進(jìn)行，使得修改或升級飛機系統(tǒng)功能都比較容易，滿足了飛機經(jīng)濟性、維修性以及不斷增長的功能需求。當(dāng)前新一代飛機除了將數(shù)據(jù)處理功能和通信、導(dǎo)航和顯示等航電功能綜合進(jìn)IMA平臺外，一些非航電系統(tǒng)功能，如液壓、燃油、電源等系統(tǒng)也被集成到平臺里。因此，綜合模塊化航電系統(tǒng)已經(jīng)成為飛機的發(fā)展趨勢，對IMA系統(tǒng)的研究顯得越來越重要。本文綜述了航空電子系統(tǒng)的發(fā)展歷史和IMA系統(tǒng)的概念、架構(gòu)、軟件平臺以及應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷史

航空電子在早期主要是支持飛機起飛、著陸、導(dǎo)航、通信的電子系統(tǒng)。隨著技術(shù)進(jìn)步，航空電子系統(tǒng)慢慢發(fā)展成包括飛行管理、飛行控制、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)與語音通信、綜合監(jiān)視與機載告警、客艙娛樂、座艙顯示、機內(nèi)通話等主要功能系統(tǒng)。隨著飛機功能、設(shè)計需求的增多以及電子技術(shù)的進(jìn)步，航電系統(tǒng)的重要性得到不斷地提高，并逐步向綜合化、模塊化、開放式的方向發(fā)展。航空電子系統(tǒng)對于飛機的安全性和可靠性越來越重要，同時也不斷地提高飛機的經(jīng)濟性和舒適性，因此航空電子系統(tǒng)在飛機設(shè)計中的重要性不斷提高。先進(jìn)的航空電子系統(tǒng)目前已成為先進(jìn)飛機的一個重要特征。

航空電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式到先進(jìn)綜合式這4個階段。圖1給出了4種航空電子系統(tǒng)的演變。

圖1 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展

1.1 分立式航空電子系統(tǒng)

在分立式航空電子系統(tǒng)時代，所有的航空電子系統(tǒng)都是獨立的，每一個航空電子系統(tǒng)都是單獨完成某個特定的功能，對航空電子系統(tǒng)的操作相當(dāng)復(fù)雜。飛行員需要通過駕駛艙內(nèi)的控制板和儀表盤去分別獲取每個分立的航空電子系統(tǒng)顯示信息，然后完成相應(yīng)的操作與控制。隨著飛機的發(fā)展，飛機中增加了越來越多的系統(tǒng)，飛行員面對的信息量不斷增大，操作的繁瑣性也不斷增加，對飛機的控制要求越來越難。同時，因為增加了大量的飛機航電系統(tǒng)以及相應(yīng)的一對一的線纜，飛機的重量也大大增加，制約了飛機的經(jīng)濟性。

1.2 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

針對分立式航空電子系統(tǒng)線纜的連接方式，美國空軍萊特實驗室采用了數(shù)據(jù)傳輸總線的方式以及各類標(biāo)準(zhǔn)的物理接口，提出了聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)，使得所有的航電系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸，大大降低了線纜的重量和體積，提高了飛機的經(jīng)濟性。同時，聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)將顯示和控制進(jìn)行了綜合，減輕了飛行員負(fù)擔(dān)，提升了飛機性能。不過隨著航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)也出現(xiàn)了局限性，其只是簡單地綜合了顯示控制，同時總線寬帶較低。

1.3 綜合式航空電子系統(tǒng)

針對聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)的局限性，萊特實驗室在20世紀(jì)80年代提出了寶石柱航空電子系統(tǒng)架構(gòu)，即綜合式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)。綜合式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)真正實現(xiàn)了航空電子系統(tǒng)的功能綜合，由通用數(shù)據(jù)處理機組成，將不同系統(tǒng)的信息處理和飛機接口功能綜合起來，完成數(shù)據(jù)處理和任務(wù)管理功能。綜合式航空電子系統(tǒng)是模塊化航空電子系統(tǒng)架構(gòu)，每個模塊都是高度綜合化、通用化。通用模塊的使用提升航空電子系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。

1.4 先進(jìn)綜合式航空電子系統(tǒng)

萊特實驗室在寶石柱航空電子架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在天線孔徑和信號處理領(lǐng)域里使用了綜合化、模塊化的概念，提出了寶石平臺計劃，即先進(jìn)綜合模塊化航空電子IMA架構(gòu)。IMA系統(tǒng)采用商業(yè)貨架產(chǎn)品（COTS）和開放式架構(gòu)等手段大大降低了航空電子系統(tǒng)的成本，提高飛機系統(tǒng)的可靠性，同時由于維修的簡化和通用模塊的易于采購，大大降低了飛機航線的維修成本。

2 綜合模塊化航空電子系統(tǒng)

2.1 IMA系統(tǒng)基本概念

IMA 系統(tǒng)是指先進(jìn)飛機上的實時計算機平臺以及相應(yīng)的分布式網(wǎng)絡(luò)，包括若干個計算處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口，IMA系統(tǒng)上可以駐留不同安全等級的應(yīng)用程序，各種類型的數(shù)據(jù)均可接入IMA網(wǎng)絡(luò)。IMA的核心理念是實現(xiàn)硬件的共享，即多個應(yīng)用程序可以共享同一個硬件單元，這種共享就可以減少處理單元數(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線、I/O接口數(shù)量，同時還可相應(yīng)地減小航空電子系統(tǒng)的重量、體積、功耗等。

2.2 IMA系統(tǒng)基本架構(gòu)

IMA系統(tǒng)的基本架構(gòu)主要由四部分組成，即：IMA機柜、全局?jǐn)?shù)據(jù)總線、與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線連接的設(shè)備以及遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)集中器，與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線相連接的設(shè)備分為可直接與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線連接的設(shè)備和不能與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線直接連接的設(shè)備，如圖2所示。

圖2 IMA系統(tǒng)基本架構(gòu)

IMA機柜主要是用來提供存儲和計算資源，同時為駐留在其中的應(yīng)用程序提供相應(yīng)的接口。IMA機柜由三部分組成：IMA機柜框架、背板和內(nèi)部功能模塊。IMA機柜框架承載了所有機柜內(nèi)部功能模塊，同時為其提供了相應(yīng)的機械和電氣環(huán)境。背板為機柜內(nèi)部功能模塊和機柜外的航電設(shè)備提供接口，背板分為三部分：第一部分是背板總線，是用來為功能模塊之間進(jìn)行信息傳遞；第二部分是用來進(jìn)行電能分配；第三部分是全局?jǐn)?shù)據(jù)總線和背板之間的接口。IMA機柜內(nèi)部功能模塊應(yīng)該被設(shè)計成航線可更換模塊，方便插拔維護(hù)，機柜內(nèi)部功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型的功能，例如數(shù)據(jù)存儲、核心處理器、電源模塊、總線橋、I/O接口、網(wǎng)關(guān)等。

全局?jǐn)?shù)據(jù)總線用于IMA機柜與飛機其他設(shè)備，以及飛機其他設(shè)備之間的相互通信。在ARINC 651報告中將ARINC 629總線規(guī)范定義為全局?jǐn)?shù)據(jù)總線規(guī)范。而實際上，IMA 系統(tǒng)所使用的全局?jǐn)?shù)據(jù)總線并不僅僅限于ARINC 629總線規(guī)范，如空客A380和波音787所使用的全局?jǐn)?shù)據(jù)總線便是符合ARINC 664標(biāo)準(zhǔn)的航電全雙工交換式以太網(wǎng)。

與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線相連的設(shè)備，按照是否與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線兼容分為兩類。如果設(shè)備與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線兼容，則可以直接將其與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線相連，與IMA機柜和其他網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備相互通信。如果設(shè)備與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線不兼容，則需要將其與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器相連，然后通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器轉(zhuǎn)換為與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線相兼容的格式，再與IMA機柜和其他網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備相互通信。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器是為不能直接接入全局?jǐn)?shù)據(jù)總線的設(shè)備服務(wù)，既可以作為輸入設(shè)備也可以作為輸出設(shè)備。當(dāng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器作為輸入設(shè)備時，它將外部設(shè)備的數(shù)據(jù)從離散、模擬或其他總線規(guī)范的格式轉(zhuǎn)換為與全局?jǐn)?shù)據(jù)總線相兼容的數(shù)據(jù)格式。當(dāng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器作為輸出設(shè)備時，它將全局?jǐn)?shù)據(jù)總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為離散、模擬或者其他總線規(guī)范的格式。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器還負(fù)責(zé)監(jiān)控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的健康狀態(tài)。

2.3 IMA軟件平臺

美國ARINC公司在1997年1月發(fā)布了ARINC 653工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是專門針對航空電子系統(tǒng)軟件平臺提出的一系列規(guī)范，是為了確保軟件平臺上的應(yīng)用彼此間不會互相干擾。目前ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已經(jīng)成為大型民用飛機IMA系統(tǒng)中的主流標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只有滿足ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的軟件平臺，才可以在IMA系統(tǒng)中安全穩(wěn)定地運行?？湛虯380和波音787的IMA系統(tǒng)所采用的操作系統(tǒng)平臺均基于ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

Vx Works 653 Platform便是一種基于ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所開發(fā)的操作系統(tǒng)，是由美國風(fēng)河公司研發(fā)的一款專門用于綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)可以支持多種硬件平臺，具有良好的實時性能。它的時間調(diào)度機制為基于優(yōu)先級的搶占式機制和同一優(yōu)先級下的時間片輪流調(diào)度機制，從而保證了實時性要求。同時它支持區(qū)間保護(hù)功能，將硬件平臺虛擬為各種不同安全等級的區(qū)間，確保不同的區(qū)間內(nèi)駐留的軟件互不干擾。每個區(qū)間的運行狀態(tài)對整個IMA系統(tǒng)的影響僅局限于每個區(qū)間內(nèi)部，當(dāng)某一個區(qū)間崩潰，并不會影響到其它區(qū)間的正常運行。圖3是來自風(fēng)河公司官網(wǎng)的Vx Works 653 Platform操作系統(tǒng)的架構(gòu)。

圖3 Vx Works 653 Platform操作系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 主流IMA系統(tǒng)介紹

目前最新主流的IMA系統(tǒng)存在兩種架構(gòu)，分別為分布式IMA架構(gòu)和集中式IMA架構(gòu)，其中空客的A380使用了分布式IMA架構(gòu)，IMA系統(tǒng)被分為三個不同的功能區(qū)域，其數(shù)據(jù)處理通過不同功能類型的IMA機柜執(zhí)行。波音的B787使用了集中式IMA架構(gòu)，公共處理資源在兩個集中的IMA機柜中，這兩個IMA機柜互為備份。同時B787采用了開放式的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計，能方便快捷地對IMA設(shè)備進(jìn)行更換和升級。

3 結(jié)論

當(dāng)前隨著綜合程度越來越高，系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，架構(gòu)越來越復(fù)雜，使用IMA系統(tǒng)已經(jīng)成為未來飛機的發(fā)展必然趨勢。我國想要發(fā)展好自己的民用客機，必然需要采用IMA系統(tǒng)，因此必須對IMA系統(tǒng)進(jìn)行更多更深的了解，必須深刻理解綜合化、模塊化以及開放式架構(gòu)的理念，使得IMA系統(tǒng)在國產(chǎn)民機中得到更好的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：張濤]