开放式系统标准与惯导系统设计

刘 华

（西安飞行自动控制研究所，陕西 西安 710065）

随着电子和信息技术的飞速发展，航空电子（特别是军用航空电子）在全球半导体市场上，已不再是市场技术领先者和技术发展的主要驱动力，多数集成电路制造商已逐步退出了军用航空电子市场，解决航空电子系统的升级扩展问题和军品级元器件因市场容量不大而停产等问题已成为十分严峻的问题。采用民用技术发展成果，保证维持航空装备较长的使用周期，适应产品更改、部件停产及技术老化的问题，成为航空产品必须面对的挑战。同时为缩短航空电子系统采购周期、降低研发成本、降低产品全寿命周期费用、有效应用新技术，开放式系统的概念进入人们的视野。

开放式系统标准具有如下特征[1]：

● 使用明确的、广泛使用的、非专利接口/协议；

● 使用工业界认可的标准机构制定的标准；

● 充分定义系统接口，以在更广泛的应用中增加新的系统功能；

● 通过增加更高性能的组件实现系统的扩展或升级，并且对系统影响最小；

● 系统组件以接口规范为基础实现相互操作，组件的研制遵循接口规范。

开放式系统概念首先在美国进入航空电子领域。先后成立了OS–JTF、SAE ASD MAT、SAE ASD AS5 GOAA 等开放式系统工作组，制定了一系列开放式系统标准和规范，并在F–35、F–18E/F、及C17 等新研制项目或系统升级中应用了开放式航空电子系统[2]。欧洲根据ASAAC(联合标准航空电子系统结构委员会)计划也制定了一系列有关开放式航空电子系统软件、模块、包装及系统结构标准草案，并在A380 及未来的欧洲新一代飞机项目研制过程中执行。

1 开放式系统标准

开放式系统关键特性是它们建立在接口标准的基础之上，这些标准是开放式的并且是切实可用的。它们规范了开放式系统的生成和可移植性。目前开放式航空电子系统应用已经形成了不同的标准系列，如ASAAC 系列标准以及ARINC 653 等。

1.1 ASAAC 标准

英国国防部于2005 年颁布了ASAAC 系列综合化模块化的先进航空电子标准与指南，包括：体系架构、封装、通信网络、通用功能模块、软件等5个建议标准和一个系统要求指南共6 部分。该系列标准与指南覆盖了综合化模块化航空电子系统的总体结构规划，软件设计、通用功能模块开发等诸多方面的内容，是一部综合性的标准。其中：

● 《体系架构标准》规定了开放式模块化航空电子系统结构要求及全套标准草案主要需求，是全套标准的基础和总需求；

● 《软件标准》是系统软件结构、功能、物理接口和逻辑接口的详细标准规定和要求；

● 《通信和网络标准》详细说明了网络功能和基本接口，以保证通用模块的互操作性，并用建议设计帮助网络实现；

● 《通用功能模块（CFM）标准》定义了CFM的功能和基本接口以保证它们的互换性，并为其实现提供了设计建议；

● 《封装标准》为IMA（综合化模块化航空电子系统）核心系统部件建立统一的封装要求，它定义了模块的物理特性、模块物理接口和推荐的IMA机架及操作环境；

● 《系统设计指南标准》定义了系统管理、故障管理、系统初始化和关机、系统配置/重构、时间管理、信息安全问题、安全性等方面管理的详细标准规定和要求，是开放式模块化航空电子系统设计完整的设计指南。

1.2 ARINC 653 标准简介

ARINC 653 在航空计算机操作系统和应用软件之间定义了一个通用的APEX（Application/Executive）接口。该接口为应用程序提供了一系列的服务，包括分区管理、进程管理、时间管理、存储管理、区内通信、区间通信和健康监控等，通过这些接口，应用软件可以得到各种功能服务，也可以对各种服务的属性加以控制，如任务调度、通信和内部状态信息等。目前ARINC 653 由3 部分组成：

● ARINC 653 Part 1：基本服务；

● ARINC 653 Part 2：扩展服务，补充了文件系统、多模块调度、日志服务、服务访问点；

● ARINC 653 Part 3：符合性测试规范。

2 惯导系统技术发展对开放式系统标准的需求

20 世纪80 年代以来惯导系统技术的一个突出变革就是组合导航技术的应用。随着控制理论、微电子技术、计算机技术和智能化信息处理技术的发展，各先进国家纷纷开展了以惯性导航系统为主的多种导航系统的组合研究，把适用范围、实时性、所提供的信息、可靠性、导航精度各不相同的各种导航系统的导航信息用信息融合技术加以综合，从而提高系统的整体精度、可靠性、鲁棒性、抗损性、反电子干扰及反欺骗能力。INS/GPS组合系统是目前导航技术发展的主要方向。按照组合方式可以把INS/GPS 组合系统分为：松组合、紧组合。组合导航对不同信息源之间数据交换的实时性、数据量、数据接口提出要求。随着惯导系统信息综合从系统内信息综合向综合多种飞机导航传感器信息方向发展，系统组成从外场可更换单元向外场可更换模块方向发展，惯导系统需要开放式系统标准对不同信息源进行更好的数据融合与数据交互。

惯性导航系统的设计和发展需要权衡各种指标并满足应用的需求，导航性能和价格成本是首要的2个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护成本和使用寿命。对于很多导航应用，合理的价格仍然被置于应用要求的前面[3]。采用开放式系统标准设计，实现产品模块化标准接口和软件模块化标准接口，可更方便实现航空产品配置变化及硬件更改。惯导系统通过大量使用通用化模块，可大大降低产品的研制与维护成本。

惯性传感器的发展情况直接决定了惯性导航系统的开发和应用。美国对惯性导航与制导技术进行阐述时，提到了一些新型的惯性传感器，如纳机电线性加速度计、超流体量子陀螺仪、原子干涉惯性传感器等[4]。惯性传感器技术是惯性技术发展的关键,这些新型惯性传感器被认为是下一代惯性技术的核心，受到美国和欧洲各国的重视和经费支持，并得以不断发展。采用开放式系统标准实现新型惯性传感器替代现有传感器产品，通过使用软硬件成熟模块，可减少惯导系统开发成本，缩短开发周期，可以很好解决产品升级与降低成本的矛盾。

3 惯导系统应用开放式系统面临的挑战

开放式系统结构实质上提出了一种新的航空电子系统的互联结构。这种互联的接口是开放的，这些标准具有交互性、可移植性和规模可变性等特点。应用开放式系统标准进行惯导系统设计依然面临诸多挑战，归纳如下：

● 现有开放式系统标准能否满足军民用惯导系统用户需求、设计要求对产品性能、硬件接口、数据可靠性、传输总线等要求；

● 采用不同的开放式系统标准在不同的使用环境，能多大程度降低惯导系统的全寿命成本，以利在不同环境有针对性地应用；

● 如何验证与测试惯导系统设计对开放式系统标准的符合性，以及在不同的使用环境实现对惯导系统设计要求的验证；

● 已有不同设计保障等级软硬件模块复用可能引入的风险；

● 标准化接口随着惯导系统产品升级可能面临的扩展要求，以及如何适应惯导系统以及航空电子系统发展的要求。

4 结束语

惯导系统发展的一个方向是与机上传感器数据耦合更加紧密、部件模块化、接口标准化、软件可复用。开放式系统通过定义系统结构各要素的软、硬件和接口标准，达到提高系统任务性能，改进系统的互用性和互换性，降低系统全寿命周期成本等目的。采用开放式系统标准对我国惯导系统发展具有重要意义，因此加强对开放式系统标准的研究是很有必要的。建议惯导系统对开放式系统标准的研究可以从以下几方面入手：

● 对国外现有开放式系统标准进行充分消化；

● 加强对国内外军民用惯导系统开放式系统标准应用的跟踪；

● 通过对开放式系统标准深入理解和应用，总结归纳我国惯导系统研制开放式系统标准应用的指导性步骤方法，逐步在后续惯导系统产品型号研制中应用开放式系统标准，并且在应用中牵引标准的发展创新。

[1]黄永葵，薛秋晖.开放式系统结构及其标准研究[J].航空电子技术，2005， 3 .

[2]顾伟青. 航空电子系统开放式标准与自主创新[J].航空标准化与质量，2008 ，2.

[3]张炎华，王立端. 惯性导航技术的新进展及发展趋势[J].中国造船，2008 ，10.

[4]祝彬，郑娟. 美国惯性导航与制导技术的新发展[J].中国航天，2008 ，1.