大中型飛機(jī)分布式通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)*

楊 斌，雷國(guó)志

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

機(jī)載通信導(dǎo)航監(jiān)視(Communication,Navigation and Surveillance，CNS)系統(tǒng)是利用無(wú)線電技術(shù)為大中型飛機(jī)提供航行安全支持的重要機(jī)載系統(tǒng)，通常包含陸空通信、航路引導(dǎo)和航行監(jiān)視等功能。因無(wú)線電通信導(dǎo)航監(jiān)視功能有著相似的技術(shù)體制架構(gòu)和相通的業(yè)務(wù)模型，機(jī)載CNS系統(tǒng)經(jīng)常作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)[1]。隨著軍民航航行體系的發(fā)展和無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)步，CNS系統(tǒng)架構(gòu)先后經(jīng)歷分離式、聯(lián)合式、集中式幾個(gè)階段[2]。

隨著航空運(yùn)輸總量的持續(xù)增長(zhǎng)，為支持不斷發(fā)展的運(yùn)輸需求，2012年國(guó)際民航組織推出了一個(gè)為期15年的《全球空中航行計(jì)劃》和航空系統(tǒng)組塊升級(jí)技術(shù)[3]，規(guī)劃了機(jī)載CNS系統(tǒng)的長(zhǎng)期目標(biāo)；另一方面，軍航C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance)體系對(duì)機(jī)載CNS系統(tǒng)的新功能快速插入能力提出了更高的要求。當(dāng)前廣泛應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)中，集中式系統(tǒng)架構(gòu)面臨適航支撐能力弱、系統(tǒng)體積重量功耗(Size Weight and Power，SWaP)收益不高的問(wèn)題，聯(lián)合式系統(tǒng)架構(gòu)則面臨適應(yīng)新功能插入的能力不強(qiáng)的問(wèn)題，都無(wú)法滿足軍民航發(fā)展需求。

目前航電系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域都是圍繞各自的問(wèn)題域開(kāi)展研究工作。如綜合模塊化航空電子架構(gòu)[4]以背板總線、軟件架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)傳輸模型為基礎(chǔ)，解決了航空計(jì)算機(jī)領(lǐng)域適航性和開(kāi)發(fā)性問(wèn)題，并不適合高帶寬、低延時(shí)、邏輯簡(jiǎn)單但算法復(fù)雜的無(wú)線電領(lǐng)域。而在機(jī)載無(wú)線電領(lǐng)域采用模塊化高度綜合技術(shù)通過(guò)公用和共用資源的方式，在少量硬件模塊上集成多個(gè)無(wú)線電功能的方式，提高產(chǎn)品的體積、重量、功耗和全生命周期成本效益[5]，但因其邏輯功能與物理組成完全解耦，各功能間的獨(dú)立性無(wú)法單獨(dú)證明，故常應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載系統(tǒng)，并不適用于有適航要求大中型飛機(jī)。

為此，本文提出了一種適用于無(wú)線電領(lǐng)域并同時(shí)具備開(kāi)放性和適航性的系統(tǒng)架構(gòu)，使機(jī)載CNS系統(tǒng)適應(yīng)未來(lái)民航航行體系和軍航C4ISR體系的發(fā)展需求。

1 需求分析

1.1 CNS系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)載CNS系統(tǒng)隨著新技術(shù)和新管理方式出現(xiàn)而不斷演進(jìn)，應(yīng)用場(chǎng)景作為外因牽引著CNS系統(tǒng)的發(fā)展方向，技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為內(nèi)因影響的CNS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向。圖1展示了機(jī)載CNS系統(tǒng)在外因和內(nèi)因共同作用下由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的變化過(guò)程，各階段CNS系統(tǒng)架構(gòu)都與其應(yīng)用背景和技術(shù)背景緊密相關(guān)[6-7]。

圖1 機(jī)載CNS系統(tǒng)發(fā)展路線圖

通過(guò)對(duì)比分析可以看出CNS系統(tǒng)架構(gòu)在歷經(jīng)分離式、聯(lián)合式、集中式體系架構(gòu)后正在向分布式架構(gòu)變遷。分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)具備如下特征：

(1)架構(gòu)具備開(kāi)放性，應(yīng)能適應(yīng)航空運(yùn)輸體系和C4ISR體系的快速升級(jí)，通過(guò)軟硬件組件的快速變更和插入，減少產(chǎn)品全生命周期成本；

(2)產(chǎn)品具備適航性，具備適航性即是運(yùn)輸類飛機(jī)要求，也是確保大中型飛機(jī)安全性和可靠性的有效手段；

(3)演進(jìn)具備穩(wěn)定性，技術(shù)架構(gòu)應(yīng)能兼容當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展方向，系統(tǒng)架構(gòu)的在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比分析

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子系統(tǒng)的綜合程度越來(lái)越高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。通過(guò)開(kāi)放式體系架構(gòu)滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)升級(jí)和功能擴(kuò)展的需要，是解決系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展、新技術(shù)插入、元器件停產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)可承受性等問(wèn)題的有效方法[8]。

目前航空電子領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)的需求來(lái)源有兩類:一類基于防務(wù)系統(tǒng)如HOST、FACE、SOSA、JCA等注重開(kāi)放性以期在快速對(duì)抗過(guò)程中獲得時(shí)間優(yōu)勢(shì)；另一類基于民航系統(tǒng)如ARINC651、ARINC678等注重適航性以期獲得在高安全性領(lǐng)域的應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)一般從航電系統(tǒng)功能、應(yīng)用軟件模塊、計(jì)算環(huán)境、數(shù)據(jù)接口、硬件模塊和物理接口進(jìn)行定義，從圖 2可看出不同系統(tǒng)架構(gòu)因其不同應(yīng)用領(lǐng)域而有不同的適用范圍。表1進(jìn)一步從開(kāi)發(fā)目標(biāo)、發(fā)起者、應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)品領(lǐng)域等維度對(duì)6種架構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖2 6種系統(tǒng)架構(gòu)特征比較

表1 6種系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用對(duì)比

通過(guò)分析可以看出：

(1) 硬件開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)(Hybrid Open Systems Technology,HOST)是NAVAIR針對(duì)航電領(lǐng)域中嵌入式計(jì)算機(jī)硬件提出的可重用架構(gòu)，架構(gòu)由頂層框架、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和推薦設(shè)計(jì)三層組成，可作為其他架構(gòu)的基礎(chǔ)組件[9]；

(2)未來(lái)機(jī)載能力環(huán)境( Future Airborne Capability Environment,FACE)是NAVAIR為解決航空電子系統(tǒng)軟件跨平臺(tái)移植性和復(fù)用性問(wèn)題提出的可重用框架，采用了分段設(shè)計(jì)的理念，針對(duì)航空電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和嵌入式的特點(diǎn)，將航空電子系統(tǒng)中可變?cè)爻殡x，并在段與段之間定義了標(biāo)準(zhǔn)化接口，提供段之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸[10]；

(3)傳感器開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)(Sensor Open Systems Architecture,SOSA)是NAVAIR為跨軍種和平臺(tái)環(huán)境的各種C4ISR平臺(tái)開(kāi)發(fā)的系列模塊化開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)定義軟件接口、硬件接口和封裝標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以支持實(shí)時(shí)、任務(wù)和安全系統(tǒng)，可以與FACE實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接[11]；

(4) 聯(lián)合通用架構(gòu)(Joint Common Architecture,JCA)是AMRDEC針對(duì)飛機(jī)任務(wù)計(jì)算中的可復(fù)用軟件組件開(kāi)發(fā)的一種概念框架，通過(guò)數(shù)據(jù)權(quán)限、平臺(tái)抽象、語(yǔ)義精度和功能分配的結(jié)合，規(guī)劃硬件和軟件在未來(lái)垂直起降系統(tǒng)簇中的復(fù)用性，從而滿足作戰(zhàn)飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性，支持與FACE進(jìn)行互換和互操作[12]；

(5)綜合模塊化航空電子設(shè)計(jì)指南(ARINC651)是AEEC基于含操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出的涵蓋操作對(duì)象、容錯(cuò)、軟硬件接口和認(rèn)證要求的架構(gòu)，其認(rèn)證支持可按照DO-297實(shí)施[13]，主要的產(chǎn)品應(yīng)用都集中在航電計(jì)算機(jī)領(lǐng)域[14]；

(6)分布式無(wú)線電架構(gòu)指南(ARINC678)是AEEC基于飛機(jī)無(wú)線電收發(fā)系統(tǒng)提出的涵蓋系統(tǒng)功能、安裝、維護(hù)、軟硬件模塊定義和認(rèn)證要求的架構(gòu)，其認(rèn)證支持可按照DO-297實(shí)施，將成為航空無(wú)線電領(lǐng)域的實(shí)施指南[15]。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)6種系統(tǒng)架構(gòu)有著不同的適用場(chǎng)景和應(yīng)用范圍，架構(gòu)相互之間也具備兼容性和互補(bǔ)性。因此分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)可以HOST、FACE、SOSA和JCA等架構(gòu)為基礎(chǔ)開(kāi)展開(kāi)放性設(shè)計(jì)，以ARINC651和ARINC678為基礎(chǔ)開(kāi)展適航性設(shè)計(jì)。

2 CNS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前面的分析下面從分布式CNS系統(tǒng)的頂層架構(gòu)、主要技術(shù)路徑選擇、系統(tǒng)工程方法、產(chǎn)業(yè)分工模式等維度開(kāi)展架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 頂層架構(gòu)

結(jié)構(gòu)決定功能是系統(tǒng)科學(xué)的基本觀點(diǎn)[16]。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是系統(tǒng)功能的劃分、功能到實(shí)體的映射、實(shí)體間的交互以及功能實(shí)體的實(shí)現(xiàn)。分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)由功能架構(gòu)、資源管理、適航支持三部分組成。

(1)以ARINC678為基礎(chǔ)完成CNS系統(tǒng)功能定義、功能到實(shí)體的分配，將收發(fā)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字分割，形成天線、靠近天線部署的射頻前端和部署在機(jī)架的信號(hào)處理后端三層功能架構(gòu)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)——功能架構(gòu)圖

功能架構(gòu)圖中AMP(Amplification)實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)功率放大、接收低噪聲信號(hào)放大和天線接口保護(hù)和匹配；ASP(Analogue Signal Processing)完成射頻信號(hào)的變頻、濾波、自動(dòng)增益控制等功能預(yù)處理，以及模擬域的加解密處理；DSP(Digital Signal Processing)通過(guò)AD/DA完成射頻信號(hào)模擬域和數(shù)字域的轉(zhuǎn)換，數(shù)字域的濾波和重采樣，數(shù)字域加解密處理；F/NP(Line/Network Protocols)通過(guò)信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的無(wú)線電功能；RIM(Radio Integration Management) 通過(guò)無(wú)線電綜合管理技術(shù)完成內(nèi)部分布式資源的管理、功能任務(wù)的協(xié)同、信息融合和AI處理，并為航電系統(tǒng)提供統(tǒng)一訪問(wèn)接口。

(2)選取SOSA架構(gòu)中資源管理架構(gòu)，通過(guò)軟件、硬件、計(jì)算、服務(wù)等資源標(biāo)準(zhǔn)化定義，構(gòu)建模塊、系統(tǒng)、任務(wù)管理框架，最大可能采用商用貨架(Commercial Off-the-Shelf,COST)產(chǎn)品以減少產(chǎn)品全生命周期成本，詳見(jiàn)圖4。

圖4 分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)——資源管理圖

(3)從適航性維度構(gòu)建系統(tǒng)工程實(shí)施方法，以MBSE(Model-Based Systems Engineering)為核心，綜合安全性設(shè)計(jì)ARP4761、系統(tǒng)設(shè)計(jì)ARP4754、軟件設(shè)計(jì)DO-178、硬件設(shè)計(jì)DO-254等技術(shù)，形成分布式CNS系統(tǒng)適航支持流程，詳見(jiàn)圖5。

圖5 分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)——適航支持圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施途徑

2.2.1 分布式部署

機(jī)載無(wú)線電設(shè)備由天線、信號(hào)接收和收發(fā)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和人機(jī)交互裝置組成。一般人機(jī)交互裝置部署在駕駛艙，信號(hào)接收和發(fā)射裝置以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)部署在設(shè)備艙，而天線部署在飛機(jī)蒙皮外成為飛機(jī)機(jī)殼的一部分。在空間上構(gòu)成了形成了天線、現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit,LRU)、人機(jī)交換面板的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰=〈E,V〉，其中E為天線/LRU/面板等機(jī)載設(shè)備，V為連接設(shè)備的互聯(lián)電纜，系統(tǒng)的收益F(G)=∑F(E)+∑F(V)，其中F={功能，性能，體積，重量，功耗，…}。提高系統(tǒng)收益可通過(guò)提升機(jī)載成品和機(jī)載電纜兩種方式：當(dāng)飛機(jī)尺寸小時(shí)，提升電纜∑F(V)的收益不明顯，可以通過(guò)資源綜合等技術(shù)提升機(jī)載設(shè)備收益[17]；當(dāng)飛機(jī)尺寸大時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)提升電纜∑F(V)的收益。

圖6(a)和(b)分別為聯(lián)合式和分布式架構(gòu)下CNS系統(tǒng)成品在機(jī)上的布置，可以看出天線的最優(yōu)位置由飛機(jī)外形決定，人機(jī)面板的最優(yōu)位置由機(jī)組工作站位決定。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刑炀€布局與飛機(jī)外形緊密相關(guān)且最優(yōu)位置固定后很難改變，人機(jī)交互面板與駕駛員人機(jī)操作相關(guān)因此位置基本不變，因此機(jī)載設(shè)備位置和互聯(lián)電纜特性將成為提升系統(tǒng)收益的關(guān)鍵。表2為機(jī)上信號(hào)交聯(lián)主要采用的互聯(lián)電纜特征。

(a)聯(lián)合式互聯(lián)拓?fù)鋱D

表2 機(jī)上3種常見(jiàn)電纜特性對(duì)比

從圖6可以看出射頻電纜過(guò)長(zhǎng)是當(dāng)前CNS系統(tǒng)架構(gòu)的主要問(wèn)題，而采用同軸電纜的射頻電纜也是導(dǎo)致系統(tǒng)電纜重量重、抗干擾能力不強(qiáng)的原因。采用分布式架構(gòu)通過(guò)數(shù)字分割技術(shù)將原先通過(guò)單一收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能拆分成兩部分，其中遠(yuǎn)端無(wú)線電單元(Remote Radio Unit，RRU)靠近天線布置，中央處理單元(Radio Center Unit，RCU)安裝于設(shè)備柜，RRU通過(guò)數(shù)字光纖與RCU相連接，可以大幅減少系統(tǒng)重量，提升抗干擾能力。

2.2.2 遠(yuǎn)端無(wú)線電單元設(shè)計(jì)

通過(guò)上一節(jié)分析可知，高可靠、小型化是遠(yuǎn)端無(wú)線電單元(RRU)設(shè)計(jì)的核心需求，可以從功能簡(jiǎn)化、封裝設(shè)計(jì)和RRU的射頻架構(gòu)設(shè)計(jì)等角度開(kāi)展設(shè)計(jì)。

(1)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

由于AMP可以由有源天線實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)/NP可以部署在RCU中，那么盡可能將功能/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理部分和功率放大部分從RRU設(shè)備中移除是簡(jiǎn)化RRU功能主要方式，同時(shí)通過(guò)單一RRU承載多天線功能的方式等效減少電路規(guī)模以提高RRU的可靠性。

(2)封裝設(shè)計(jì)

分布式CNS系統(tǒng)的一個(gè)主要特征是靠近天線布置遠(yuǎn)端無(wú)線電單元設(shè)備如圖 7所示。拱頂區(qū)域空間狹小，自然環(huán)境惡劣，設(shè)備維護(hù)不方便，與設(shè)備艙內(nèi)的傳統(tǒng)航空電子設(shè)備相比，這一區(qū)域設(shè)備的包裝和安裝要求更為苛刻，設(shè)備需權(quán)衡體積、結(jié)構(gòu)安裝性能、熱性能、電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)以及安裝維護(hù)因素。通過(guò)對(duì)比ARINC600的封裝標(biāo)準(zhǔn)[18]和ARINC836A封裝標(biāo)準(zhǔn)[19]可知，后者可以作為分布式CNS系統(tǒng)中遠(yuǎn)端無(wú)線電單元的封裝標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 遠(yuǎn)端無(wú)線電單元RRU的安裝部署示意圖

(3)射頻架構(gòu)選擇

射頻架構(gòu)選擇時(shí)除SWaP因素外應(yīng)重點(diǎn)考慮因素還包括頻率范圍(工作頻率范圍、瞬時(shí)帶寬)、接收機(jī)靈敏度(噪聲系數(shù)、檢測(cè)信噪比)、帶內(nèi)干擾抑制能力(雙/多音動(dòng)態(tài)、交調(diào)抑制、鄰道抑制)和帶外干擾抑制能力(輸入電平范圍、同時(shí)收發(fā)隔離度、降靈要求)。通過(guò)對(duì)比超外差、零中頻、射頻直采三種當(dāng)前已有工業(yè)實(shí)踐的無(wú)線電架構(gòu)可以看出，三種架構(gòu)都能滿足CNS系統(tǒng)的頻率范圍為2 MHz～5 GHz，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)也能滿足系統(tǒng)需求。為進(jìn)一步對(duì)比CNS系統(tǒng)功能的符合性，表3選取抗干擾能力和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)兩類指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)超外差架構(gòu)和零中頻架構(gòu)能夠滿足CNS系統(tǒng)功能需求，而射頻直采不能滿足VHF等功能需求。

表3 三種無(wú)線電架構(gòu)典型CNS功能符合性表

2.2.3 無(wú)線電綜合管理

無(wú)線電綜合管理主要包括三方面內(nèi)容：資源管理，實(shí)現(xiàn)電源、時(shí)鐘源、頻率源、加解密資源、信號(hào)處理資源、信道處理資源等資源的統(tǒng)一管理；任務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)單天線多功能承載任務(wù)、單功能多天線協(xié)同任務(wù)、多功能多域協(xié)同任務(wù)、系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控等功能任務(wù)的集中管理；系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)多鏈路信息處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、音頻交換等系統(tǒng)綜合功能的管理。

無(wú)線電任務(wù)管理需要在信號(hào)處理層面實(shí)現(xiàn)協(xié)同，這對(duì)數(shù)據(jù)處理的帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求，需要中央無(wú)線電單元按照實(shí)時(shí)性要求以數(shù)據(jù)最短路徑進(jìn)行處理。下面以天線與功能的信號(hào)協(xié)同為例，闡述無(wú)線電任務(wù)管理必要性。

(1)多天線單功能場(chǎng)景

以空中交通管制(Air Traffic Controll,ATC)航管應(yīng)答功能為例，為保證應(yīng)答機(jī)天線對(duì)地面二次雷達(dá)詢問(wèn)信號(hào)的全空域接收，機(jī)載ATC功能一般配置上下兩個(gè)L頻段天線，通過(guò)雙天線分集接收不僅有利于接收信號(hào)處理，也使發(fā)射時(shí)不會(huì)出現(xiàn)天線方向圖的畸變[20]，這需要RCU對(duì)來(lái)自RRU采集的上下天線信號(hào)進(jìn)行能量判決并選擇合適的天線應(yīng)答。

(2)單天線多功能場(chǎng)景

分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)下，單天線承載多功能有兩種實(shí)現(xiàn)方式的管理有兩種方式：一種是通過(guò)單RRU實(shí)現(xiàn)多功能承載，此時(shí)RCU僅需功能參數(shù)進(jìn)行管理即可；另一種是L頻段天線同時(shí)承載數(shù)字航空通信功能(L-band Digital Aeronautical Communication System 1,L-DACS1)和無(wú)線電測(cè)距功能時(shí)[21]，由于測(cè)距儀信號(hào)頻譜與寬帶航空數(shù)據(jù)鏈頻譜存在部分重疊，且測(cè)距儀以突發(fā)脈沖方式工作，因此不可避免出現(xiàn)測(cè)距儀發(fā)射的脈沖信號(hào)干擾寬帶航空數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)的問(wèn)題，這需要RCU從時(shí)間、頻率和能量三個(gè)維度對(duì)脈沖干擾進(jìn)行精確抑制。

2.3 非功能產(chǎn)品符合性驗(yàn)證方法

CNS系統(tǒng)驗(yàn)證包括設(shè)備驗(yàn)證、系統(tǒng)驗(yàn)證和變更驗(yàn)證[22]。采用分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)后，功能被分散在不同的LRU中，產(chǎn)生許多無(wú)法按照單一CTSO(Chinese Technical Standards Orders)功能進(jìn)行符合性驗(yàn)證的非功能設(shè)備。將CNS系統(tǒng)作為單一實(shí)體，通過(guò)申明多CTSO功能，按照相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符合性驗(yàn)證的方式技術(shù)上可行，但由于申明后的產(chǎn)品不再具有獨(dú)立取證的優(yōu)勢(shì)，無(wú)法獲得市場(chǎng)上的成功，這是射頻集中式架構(gòu)未被民航工業(yè)界采用的原因。為此，我們提出基于MBSE的系統(tǒng)工程采用形式化的方法建立CTSO功能與非功能產(chǎn)品(如RRU設(shè)備)間的映射，分離不同LRU設(shè)備(如RRU與RCU)之間的關(guān)聯(lián)，使非功能設(shè)備能夠單獨(dú)表明符合性的方法。圖8以支持VHF電臺(tái)功能的RRU設(shè)備設(shè)計(jì)為例闡述了非功能設(shè)備(如RRU)的產(chǎn)品研制流程，具體如下：

圖8 基于MBSE的系統(tǒng)的非功能產(chǎn)品研制流程

(1)將CTSO-C169功能需求和(飛機(jī)和CNS)系統(tǒng)需求作為研制RRU設(shè)備的需求；

(2)基于MBSE開(kāi)展需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)，形成可復(fù)用的VHF模型和需求庫(kù)，以及傳遞給下層(如RRU設(shè)備)的形式化需求和邏輯ICD(Interface Control Document)[23]；

(3)RRU設(shè)備已上層形式化的需求和邏輯ICD按照DO-178C開(kāi)展軟件設(shè)計(jì)和DO-254開(kāi)展硬件設(shè)計(jì)并完成產(chǎn)品加工制造。

當(dāng)符合CTSO-169的VHF功能完成全部驗(yàn)證和合規(guī)審查后，說(shuō)明VHF模型、RRU產(chǎn)品、RCU產(chǎn)品均已表明符合性。由于VHF模式本身已經(jīng)通過(guò)形式化驗(yàn)證的方式表明了RRU與RCU無(wú)關(guān)，當(dāng)RRU(或RCU)這類非功能產(chǎn)品進(jìn)行符合性驗(yàn)證時(shí)，VHF模型與RCU(或RRU)產(chǎn)品數(shù)據(jù)可作為重用數(shù)據(jù)單獨(dú)表明符合性。

2.4 產(chǎn)業(yè)分工模式

分布式CNS系統(tǒng)與其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成一個(gè)大型復(fù)雜體系，系統(tǒng)內(nèi)不僅包含機(jī)載成品間的電子、電氣、機(jī)械等技術(shù)接口，還包括產(chǎn)業(yè)鏈成員間的生產(chǎn)、交付、服務(wù)等管理接口，與產(chǎn)業(yè)鏈分工模型相匹配是機(jī)載系統(tǒng)架構(gòu)具備長(zhǎng)期演進(jìn)特性的關(guān)鍵[24]。由于復(fù)雜體系具有動(dòng)態(tài)性，時(shí)刻處于生長(zhǎng)演化之中，而電子產(chǎn)業(yè)鏈為提升創(chuàng)新能力，正在圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，以創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈[25]，因此分布式CNS系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)分工也應(yīng)與這種趨勢(shì)相匹配。

因?yàn)榧夹g(shù)創(chuàng)新高度集中，創(chuàng)新態(tài)勢(shì)具有冪律分布特征[26]，分布上具有離散特性[27]，所以分布式CNS系統(tǒng)相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)集合S存在一組正交投影矩陣P=S(STS)-1ST，使得任意創(chuàng)新s∈S在STS的劃分非0即1。圖 9為一個(gè)包含16個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)向創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)正交投影，從圖中可以看出產(chǎn)業(yè)鏈上RCU設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、RRU設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)劃分能使每個(gè)產(chǎn)品都獨(dú)立包含創(chuàng)新點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)成員能夠依靠創(chuàng)新點(diǎn)完成產(chǎn)品革新；同時(shí)創(chuàng)新鏈上人工智能、微系統(tǒng)、新航行規(guī)則的創(chuàng)新劃分使得每個(gè)項(xiàng)技術(shù)革新對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的影響僅集中在少量產(chǎn)品中。

圖9 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈上的映射

3 符合性評(píng)估

3.1 功能性能評(píng)估

在機(jī)載CNS系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，與飛行器相關(guān)的需求(如裝機(jī)適應(yīng)性、環(huán)境適應(yīng)性等)一般作為設(shè)計(jì)約束進(jìn)行管理，系統(tǒng)的功能性能作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行管理，是任何架構(gòu)都必須滿足的，無(wú)法作為架構(gòu)是否優(yōu)秀的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，因此選擇與系統(tǒng)架構(gòu)緊密相關(guān)的安全性、可靠性、適航性和體系接入能力開(kāi)展分析評(píng)估。通過(guò)對(duì)聯(lián)合式、集中式和分布式三種CNS系統(tǒng)架構(gòu)的對(duì)比分析可知，分布式架構(gòu)在安全性適航性和體系接入能力與聯(lián)合式相當(dāng)，優(yōu)于集中式系統(tǒng)架構(gòu)[28-29]。

3.2 裝機(jī)特性評(píng)估

綜合選取AG600和某運(yùn)輸機(jī)兩型機(jī)CN系統(tǒng)中相同功能產(chǎn)品，分別采用聯(lián)合式、集中式和分布式架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從體積、重量、功耗(SWaP)三個(gè)維度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。其中，電纜質(zhì)量參考AG600飛機(jī)尺寸進(jìn)行評(píng)估，而分布式架構(gòu)尚無(wú)公開(kāi)數(shù)據(jù)，故選擇將集中式架構(gòu)組成部件按照分布式架構(gòu)重新設(shè)計(jì)后的預(yù)計(jì)值。

表4 三種架構(gòu)SWaP對(duì)比[29-30]

從表4中可以看出，分布式架構(gòu)與聯(lián)合式相比，質(zhì)量減輕40%(含電纜減輕49%)，體積減少42%，功耗降低44%；與集中式架構(gòu)相比，質(zhì)量減輕19%(含電纜減輕45%)，體積減少36%，功耗降低27%：整體上分布式架構(gòu)的SWaP收益明顯。

3.3 開(kāi)放性評(píng)估

當(dāng)飛機(jī)由于需求變更或增加新功能時(shí)需要從適航性、成本、周期進(jìn)行評(píng)估，系統(tǒng)架構(gòu)具備良好的開(kāi)放性能夠降低變更的成本，縮短變更的周期。表5對(duì)比了四種不同技術(shù)架構(gòu)的CNS系統(tǒng)對(duì)于新功能的變更的實(shí)施方式，可以看出，分離式和聯(lián)合式增加新功能的成本高和時(shí)間長(zhǎng)，正逐漸被新一代的集中式架構(gòu)取代。在集中式架構(gòu)下通過(guò)構(gòu)建一個(gè)綜合管理資源環(huán)境，為功能線程提供統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境，使得新功能變更和增加不依賴與物理環(huán)境，極大地降低了變更成本和時(shí)間。但統(tǒng)一的資源管理架構(gòu)也使得功能所需的軟件硬件資源被緊耦合在單一LRU中，降低了系統(tǒng)的安全性和適航性，因此該架構(gòu)主要應(yīng)用于軍機(jī)，民機(jī)仍然使用聯(lián)合式架構(gòu)。分布式架構(gòu)一方面繼承集中式架構(gòu)的同時(shí)打破單一物理機(jī)架，將綜合管理的內(nèi)容由軟件資源和硬件資源拓展到空間位置；另一方面將資源管理由運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配過(guò)程修改為設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)資源最優(yōu)求解過(guò)程，提升系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)安全性和適航性支撐能力。

表5 新功能影響分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)具有良好的適航性，能夠滿足軍民航航行體系所需的功能性能需求，與聯(lián)合式和集中式系統(tǒng)架構(gòu)相比SWaP收益更高；具有良好的開(kāi)放性，系統(tǒng)變更和新功能插入的影響范圍最小，能夠降低系統(tǒng)全生命周期成本。

面對(duì)來(lái)自軍民航航行體系的發(fā)展需求、大中型飛機(jī)的裝機(jī)需求以及電子行業(yè)發(fā)展帶來(lái)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，可以通過(guò)微系統(tǒng)、零中頻收發(fā)機(jī)等技術(shù)突破微小型化設(shè)計(jì)，通過(guò)基于MBSE的系統(tǒng)工程技術(shù)解決非功能產(chǎn)品符合性驗(yàn)證問(wèn)題，通過(guò)圍繞創(chuàng)新鏈部署產(chǎn)業(yè)鏈的方式確保產(chǎn)品長(zhǎng)期演進(jìn)，最終創(chuàng)建滿足下一代大中型飛機(jī)需求的分布式CNS系統(tǒng)架構(gòu)模型，為研制下一代CNS系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。