面向切面思想的無線電通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

雷國(guó)志

(西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引言

機(jī)載CNS系統(tǒng)是飛機(jī)接入新航行系統(tǒng)所必須的機(jī)載系統(tǒng)，涉及的機(jī)上操作與通信導(dǎo)航監(jiān)視業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)度高，其核心的無線電收發(fā)信機(jī)也有著相似的信號(hào)處理架構(gòu)和相同的發(fā)展趨勢(shì)，因此機(jī)載CNS系統(tǒng)經(jīng)常作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)[1]。機(jī)載CNS系統(tǒng)的綜合化方法隨著電子技術(shù)發(fā)展階段而有所變化，目前綜合化方法是通過公用和共用資源在少量硬件模塊上集成多個(gè)無線電功能。這種方式已經(jīng)在軍機(jī)綜合射頻和軍艦綜合射頻領(lǐng)域取得了一定成果[2-3]，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能性能，但由于系統(tǒng)過于復(fù)雜，內(nèi)部功能的耦合度高，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)性差，適航審查困難。

另一方面，軟件工程領(lǐng)域也存在“代碼分散”和“代碼糾纏”使得系統(tǒng)變得復(fù)雜、難以擴(kuò)展和難以重用的問題。為解決此類問題，很多研究者提出采用面向切面的編程技術(shù)[4]，通過“關(guān)注點(diǎn)分離”將系統(tǒng)功能劃分為功能性需求和非功能性需求兩類，并分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，從而保證了系統(tǒng)功能與非功能的獨(dú)立，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)模塊的獨(dú)立重用[5-7]。

傳統(tǒng)的機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)都圍繞產(chǎn)品的功能需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8]，與非功能需求相關(guān)的設(shè)計(jì)研究都集中在可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[9]，對(duì)于“參數(shù)修改功能”這類與系統(tǒng)功能相關(guān)但不直接實(shí)現(xiàn)功能的非功能性需求研究甚少，這導(dǎo)致這類非功能性需求的設(shè)計(jì)分散在不同功能模塊中，成為導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)模塊功能耦合度高，系統(tǒng)維護(hù)性差的主要原因。因此本文以典型機(jī)載CNS系統(tǒng)的綜合化設(shè)計(jì)為背景，提出面向切面思想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，解決由于資源高度復(fù)用、需求交叉依賴、功能模塊耦合度高的問題，提高系統(tǒng)的維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

1 機(jī)載CNS設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

為了使系統(tǒng)綜合效益最大，系統(tǒng)集成功能的領(lǐng)域模型、業(yè)務(wù)模型和方法學(xué)應(yīng)盡可能一致，使被綜合功能在關(guān)注點(diǎn)分離后，各功能之間具有一致的“相關(guān)性”和“形式規(guī)范性”[10]。其中，相關(guān)性一致能夠使得被綜合的各功能的業(yè)務(wù)流圖的復(fù)雜度基本一致，形式規(guī)范性一致使得關(guān)注點(diǎn)分離后的功能能夠再次編織成功。因此面向切面思想的需求分析，建立領(lǐng)域模型和業(yè)務(wù)模式是基礎(chǔ)，關(guān)注點(diǎn)分離是關(guān)鍵。下面重點(diǎn)從領(lǐng)域模型、業(yè)務(wù)模型以及關(guān)注點(diǎn)分離3個(gè)方面進(jìn)行機(jī)載CNS系統(tǒng)需求分析。

1.1.1 領(lǐng)域模型

機(jī)載CNS系統(tǒng)領(lǐng)域模型分析，主要確定系統(tǒng)的功能、配置、操作和設(shè)計(jì)約束。領(lǐng)域模型分析過程與飛行器航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，典型CNS系統(tǒng)一般有2部甚高頻電臺(tái)(VHF)、2部?jī)x表著陸設(shè)備(LOC/GS)、1部無線電測(cè)距(DME)和1部航管應(yīng)答(ATC)設(shè)備。無線電收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)約束如表1所示，機(jī)載CNS系統(tǒng)通過接收和發(fā)射無線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)空地雙向語音通信，航路輔助導(dǎo)航，機(jī)場(chǎng)輔助著陸以及航管監(jiān)視功能。

表1 收發(fā)信機(jī)特性

1.1.2 業(yè)務(wù)模型

機(jī)載CNS系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型分析，主要確定系統(tǒng)的組成、架構(gòu)、數(shù)據(jù)流和工作原理，數(shù)學(xué)建模是進(jìn)行業(yè)務(wù)模型分析的有效手段。業(yè)務(wù)模型分析過程與具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)相關(guān)，在射頻數(shù)字一體化設(shè)計(jì)架構(gòu)下[11-12]，機(jī)載CNS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以表示為若干個(gè)時(shí)間輸入/輸出自動(dòng)機(jī)(TIOA)的集合[13]，其中TIOA表示為二元組M=(B,H)，B是一個(gè)時(shí)間自動(dòng)機(jī)(TA)可以通過狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖進(jìn)行描述，H=(I,O)是將∑B分為輸入動(dòng)作和輸出動(dòng)作的一個(gè)劃分，因H是一個(gè)典型的線性時(shí)不變系統(tǒng)，可以通過信號(hào)流圖進(jìn)行描述。因此無線電功能M的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示，將來自射頻前端(或航電)的數(shù)據(jù)經(jīng)過若干個(gè)時(shí)間輸入/輸出自動(dòng)機(jī)的處理后輸出至航電(或射頻前端)。

圖1 無線電功能模型

1.1.3 關(guān)注點(diǎn)分離

機(jī)載CNS系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)分離過程是面向切面思想的關(guān)鍵，其核心是將系統(tǒng)需求分割為相互獨(dú)立的功能需求和非功能需求。從前文業(yè)務(wù)模型分析得出機(jī)載CNS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的H和B是相互獨(dú)立的，將H和B分別映射為核心業(yè)務(wù)功能和系統(tǒng)橫切功能，則通過需求分析得到的功能性需求和非功能性需求也是相互獨(dú)立的。

因此基于面向切面思想的機(jī)載CNS系統(tǒng)功能開發(fā)由核心業(yè)務(wù)功能開發(fā)和橫切系統(tǒng)功能開發(fā)兩部分組成。核心業(yè)務(wù)功能開發(fā)包括無線電通信、導(dǎo)航和監(jiān)視等功能的信號(hào)處理；橫切系統(tǒng)功能開發(fā)包括系統(tǒng)集成和系統(tǒng)應(yīng)用。從圖2看出機(jī)載CNS系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)功能為VHF話音發(fā)射、VHF話音接收、LOC航向接收和ATC航管應(yīng)答等功能，橫切系統(tǒng)功能為功能配置、參數(shù)調(diào)諧、自檢維護(hù)、安全隔離、日志管理等功能，橫切系統(tǒng)功能貫穿于全部業(yè)務(wù)功能。

圖2 機(jī)載CNS系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)分離示意圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

需求分析確定了機(jī)載CNS系統(tǒng)的功能、性能、通用質(zhì)量特性和適航性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是開展系統(tǒng)架構(gòu)、組件設(shè)計(jì)、組件編織、運(yùn)行部署等設(shè)計(jì)工作。

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)載綜合CNS系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，由天線、3類6臺(tái)RRU、1臺(tái)CRU組成，其中RRU RRU(remote radio units遠(yuǎn)端無線電單元)靠近天線部署完成射頻信號(hào)的采樣并將數(shù)字信號(hào)生成為射頻信號(hào)，CRU(central radio units中央無線電單元) 部署在設(shè)備柜完成VHF/LOC/GS/DME/ATC等無線電信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)CNS系統(tǒng)功能。

圖3 機(jī)載CNS系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.2 組件設(shè)計(jì)

從需求分析得到的數(shù)學(xué)模型可以看出，機(jī)載CNS系統(tǒng)由若干個(gè)信號(hào)處理模塊組成，每個(gè)信號(hào)處理模塊都是由信號(hào)處理組件加載不同算法(函數(shù))在控制指令和配置參數(shù)下實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，因此組件設(shè)計(jì)的核心就是設(shè)計(jì)信號(hào)處理模塊。

不涉及具體語言，本文采用(OPM)系統(tǒng)建模語言描述的組件信號(hào)處理模塊的結(jié)構(gòu)模型[14-15]，首先采用關(guān)注點(diǎn)分離技術(shù)將信號(hào)處理模塊組件分割為業(yè)務(wù)功能部分和橫切功能兩部分(如圖 4)。其中左側(cè)為業(yè)務(wù)功能部分，由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的緩存、處理和封裝等構(gòu)成，不同的信號(hào)處理模塊通過加載不同的算法實(shí)現(xiàn)；右側(cè)為橫切功能部分，為信號(hào)處理業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中必須和常見功能的集合，其中調(diào)諧功能按照控制指令的要求完成信號(hào)處理算法所需參數(shù)的調(diào)整，重構(gòu)功能按照系統(tǒng)配置更新算法和重置業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，暫停功能按照自檢命令將狀態(tài)機(jī)置于暫停狀態(tài)，啟動(dòng)異常收集功能完成模塊自檢上報(bào)，狀態(tài)收集功能完成模塊當(dāng)前工作參數(shù)和狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的上報(bào)。

圖4 信號(hào)處理模塊OPM模型

1.2.3 組件編織

組件編織將分別實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能組件和系統(tǒng)功能組件通過依賴的方式與接口進(jìn)行連接，確保功能組件與橫切組件的設(shè)計(jì)沒有相互依賴，實(shí)現(xiàn)組件模塊獨(dú)立重用。為避免業(yè)務(wù)功能組件和橫切功能組件在組合過程中產(chǎn)生糾纏，采用如圖5所示的面向方面連接件組裝的模型將模塊級(jí)橫切組件與核心業(yè)務(wù)組件進(jìn)行組裝。同時(shí)參考AspectJ利用面向方面的通知機(jī)制，在連接件的接口處加入切入點(diǎn)和通知，并按照通知類型在連接點(diǎn)調(diào)用通知執(zhí)行模塊級(jí)橫切組件提供的功能，在面向方面連接件中進(jìn)行編織[16]。

圖5 面向方面連接件組裝的模型

1.2.4 集成和部署

系統(tǒng)集成和部署是機(jī)載CNS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的主要活動(dòng)，本文采用加載藍(lán)圖的方式實(shí)現(xiàn)功能部署和系統(tǒng)集成。從圖 6系統(tǒng)集成部署模型可以看出，藍(lán)圖由功能部署圖、信號(hào)流圖和組件裝配圖嵌套組成，其中組件裝配圖描述了組件模型信息和組件編織方式，信號(hào)流圖描述了組成功能線程的組件模塊之間的連接關(guān)系和接口定義，功能部署圖描述了功能線程所需的計(jì)算資源以及資源的物理分布。在系統(tǒng)通過人工(或自動(dòng))藍(lán)圖加載的方式完成系統(tǒng)模型實(shí)例化后，在系統(tǒng)綜合模塊的統(tǒng)一調(diào)度下實(shí)現(xiàn)多個(gè)無線電信號(hào)的處理以及航電系統(tǒng)中業(yè)務(wù)功能和維護(hù)功能的處理。

圖6 系統(tǒng)集成和部署過程OPM模型

1.3 系統(tǒng)變更

變更是機(jī)載CNS系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)過程重要活動(dòng)，本文以圖3中的第2路VHF話音通信功能更改為ACARS波形的數(shù)據(jù)收發(fā)功能為例闡述系統(tǒng)變更過程[17-18]。

根據(jù)前面的分析，實(shí)現(xiàn)ACARS數(shù)據(jù)通信的信號(hào)調(diào)制解調(diào)，僅需要完成新增編碼、解碼和系統(tǒng)藍(lán)圖修改工作。其中波形編解和波形解碼為新開發(fā)的信號(hào)處理模塊，其余信號(hào)處理模塊直接復(fù)用信號(hào)模塊庫，同時(shí)將ACARS數(shù)據(jù)接收/發(fā)射信號(hào)流圖(見圖 7和圖 8)添加到系統(tǒng)藍(lán)圖中即可，而不影響其他功能和非功能模塊，提高了系統(tǒng)的維護(hù)性和健壯性。

圖7 ACARS數(shù)據(jù)接收信號(hào)流圖

圖8 ACARS數(shù)據(jù)發(fā)射信號(hào)流圖

新增的ACARS數(shù)據(jù)波形的正確性可通過文獻(xiàn)18闡述的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

完成機(jī)載CNS系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，在實(shí)驗(yàn)室借助Aeroflex IFR4000導(dǎo)航/通信測(cè)試儀和Aeroflex IFR6000航空應(yīng)答機(jī)測(cè)試儀對(duì)系統(tǒng)的功能性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用本文方法研制的機(jī)載CNS系統(tǒng)功能具備VHF話音/數(shù)據(jù)功能、LOC/GS著落功能、DME測(cè)距功能和ATC應(yīng)答功能，其性能指標(biāo)滿足表1，達(dá)到ICAO附件10的要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

下面從提高維護(hù)性和降低適航難度兩個(gè)方面綜合評(píng)估采用面向切面思想設(shè)計(jì)的機(jī)載CNS系統(tǒng)。

2.1 維護(hù)性分析

為了便于定量評(píng)估系統(tǒng)維護(hù)性，本文按照GB/T29834的建議從易分析性、模塊化、穩(wěn)定性、易改變性、可驗(yàn)證性和規(guī)范性6個(gè)方面建立系統(tǒng)可維護(hù)性的3層指標(biāo)評(píng)估體系(圖9)[19]。通過采用模糊層次分析法(FAHP)完成系統(tǒng)維護(hù)性指標(biāo)評(píng)測(cè)權(quán)重集W(結(jié)果如表2所示)，定義評(píng)價(jià)結(jié)論標(biāo)準(zhǔn)集U={A，B，C}(指標(biāo)選擇見表3)，單因素指標(biāo)權(quán)重R，最后采用模糊綜合評(píng)判模型B=W·R*UT=0.933 1，得出機(jī)載CNS系統(tǒng)得維護(hù)性評(píng)價(jià)為A[20]。

圖9 維護(hù)性指標(biāo)評(píng)估體系

表2 維護(hù)性指標(biāo)權(quán)重表

表3 評(píng)價(jià)結(jié)論表

R={(0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0)}。

2.2 適航符合性分析

復(fù)雜機(jī)載設(shè)備的適航性是通過其過程設(shè)計(jì)的符合性來表明的，ARP SAE4754、DO-178C、DO-254分別規(guī)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)過程所需的符合性材料，其中建立各材料之間的追溯關(guān)系是表明復(fù)雜產(chǎn)品符合性的重要環(huán)節(jié)[21]。由于關(guān)注點(diǎn)分離取消了系統(tǒng)需求間的橫向依賴，將為適航符合性驗(yàn)證過程帶來如下益處：

1)通過將產(chǎn)品設(shè)計(jì)到需求、驗(yàn)證到設(shè)計(jì)、確認(rèn)到需求之間建立追溯矩陣，由多對(duì)多的圖形追溯變更為一對(duì)多的樹形追溯，降低了符合性證明難度；

2)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品需求之間的獨(dú)立性，以及設(shè)計(jì)之間的獨(dú)立性和非相關(guān)性，有助于提高產(chǎn)品的安全性[22-23]；

3)當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生變更時(shí)，根據(jù)CCAR-21.93需重新開展符合性驗(yàn)證，而“修改影響當(dāng)局部化”也能有助于縮小影響范圍，縮短再次取證時(shí)間。

3 結(jié)束語

隨著新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過系統(tǒng)綜合技術(shù)擴(kuò)展系統(tǒng)能力，提升機(jī)載產(chǎn)品SWaP-C(體積、重量、功耗和成本)效益，已形成了一個(gè)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)[24]。綜合化系統(tǒng)的可維護(hù)性和適航符合性設(shè)計(jì)，已成為航電系統(tǒng)研制的關(guān)鍵技術(shù)[25]。

通過實(shí)際綜合化機(jī)載CNS系統(tǒng)研制可以得出，基于面向切面思想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用關(guān)注點(diǎn)分離技術(shù)識(shí)別并分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)VHF話音、ATC航管應(yīng)答等無線電功能和參數(shù)調(diào)諧、日志管理等非功能性需求，再通過組件編制技術(shù)將二者集成為統(tǒng)一的無線電系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試表明，綜合后的CNS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的無線電功能。增加ACARS數(shù)據(jù)鏈功能的變更設(shè)計(jì)過程表明，變更的影響被限制在新增模塊和系統(tǒng)藍(lán)圖這兩個(gè)部分，其余設(shè)計(jì)無需變更。最后通過維護(hù)性和適航性進(jìn)行綜合評(píng)估，可以得出本文提出的方法能夠提升系統(tǒng)的維護(hù)性，有助于產(chǎn)品適航符合性驗(yàn)證，可以為射頻綜合CNS系統(tǒng)適航性研究奠定基礎(chǔ)。