先进战斗机的综合飞行器管理系统综述

张喜民，徐 奡

(中国航空工业计算技术研究所，西安 710068)

0 引言

随着电子技术、计算机技术的发展，先进战斗机的航空电子系统发生根本性的变化，综合化模块化的航空电子系统被广泛采用。先进战斗机设计对飞机气动性能和功能综合的更高要求，促使飞机飞行平台概念的建立，从以往单一的飞行控制系统发展成为集飞行控制、推力控制、公共设备管理(Utilities and Subsystem Management)等功能为一体的飞机飞行平台控制、监测、配置系统［1］，最终形成了综合飞行器管理系统(Integrated Vehicle Management System，IVMS)［2－5］。先进战斗机采用IVMS提高了飞机的性能、可靠性、维修性，减轻了飞行员操纵负担，减小了系统的重量、体积，布线的复杂性，降低了系统全寿命周期费用［6］。

IVMS是现代战斗机先进性的重要表现，目前，美国和欧洲的IVMS的研制水平仍处于领先地位。为便于借鉴国外先进技术，对美国研制的F－22“猛禽”战斗机、欧洲联合设计的EF－2000“台风”战斗机和美国主导设计的F－35“闪电Ⅱ”战斗机的IVMS进行了综述，对新一代综合飞行器管理系统发展提出了建议。

1 F－22的综合飞行器管理系统

F－22“猛禽”战斗机(简称 F－22)是20世纪80年代美空军先进战术战斗机(ATF)设计计划中YF－22和 YF－23竞争的产物［3］，1990年，洛克希德·马丁公司的YF－22验证机方案获胜，并开始进入工程制造和研发阶段，F－22于2005年开始正式装备美空军。

1.1 系统架构

F－22的IVMS由BAE公司提供，其系统架构如图1所示，它由综合飞行推进控制(IFPC)系统和综合飞行器子系统控制(IVSC)系统构成［7］，系统采用同步工作方式。

图1 F－22IVMS系统架构Fig.1 F-22IVMS system architecture

IFPC系统主要完成飞行控制和推力控制功能;IVSC系统主要完成对辅助动力、供电、环境控制、燃油管理、液压监控等子系统的监测和管理。IFPC系统是三余度无硬件或软件备份系统［3］，推力控制为双－双余度配置。IVSC系统采用双余度配置。

1.2 计算机

F－22的IVMS的核心是计算机机架，其内部组成如图2所示。

图2 F－22IVMC机架组成Fig.2 F-22IVMC common module rack

IVMS计算机机架内包含2块电源模块(PS)，2块处理器、接口控制器以及通信模块(PICC)，1块模拟/离散量输入/输出模块(ADIO)，6块作动器接口模块(AIM)。PICC和PS模块为通用模块，ADIO和AIM是飞行控制专用模块。

PS模块将输入的28 V直流转换为+15 V、+5 V、+2.2 V［2］电压输出，给机架内各模块和背板供电。PS模块还具有过压、欠压、过流监控和过压、过流保护等功能电路。

PICC模块采用军用1750A处理器，工作频率为20 MHz，处理能力约为2.0 MIPS，存储器配置有256 k EEPROM和256 k SRAM，外部接口包括PI总线接口、MILSTD－1553B(简称1553B)总线接口、通道间数据链路(ICDL)、I/O总线，此外还具有12位A/D和D/A，看门狗定时器，测试接口、故障逻辑和温度传感器等功能电路。PICC1模块完成外回路控制律计算、大气数据计算、输入余度管理和与IVSC的接口等功能。

PICC2模块完成作动器监控、输出监控、输出余度管理、机内自测试(BIT)和与航电系统接口等功能。担当飞行数据记录功能的FDR PICC模块实现与IVSC系统的通信。

ADIO模块实现10路差分形式交流模拟量采集、6路差分直流模拟量采集、6路地/开离散量采集功能。飞行器姿态和飞行员指令信号通过硬连线接入ADIO。ADIO模块采集数据通过I/O总线传送给PICC1模块。

AIM模块提供1路直接驱动阀(DDV)舵机驱动输出、2路电液驱动阀(EHV)舵机驱动输出和8路备用离散量输入，作动器通过电缆与AIM连接。AIM模块实现控制模态转换、闭环反馈、DDV和EHV舵机驱动、位置和压力信号采集等功能。AIM模块通过I/O总线接收由PICC2发出的作动器驱动指令。

1.3 总线与接口

IFPC系统总线采用3条1553B总线，大气数据传感器、发动机控制器以及PICC1模块通过该总线互连互通。

IVSC系统总线采用两条1553B总线，与该总线相连的有以下子系统:辅助动力系统、供电系统、环境控制系统、燃油系统、液压系统、防火系统、起落架系统、生命保障系统和FDR PICC模块。FDR PICC模块通过IVSC总线实现了对部分公共设备子系统(Utility Subsystems)的监测和管理。

2 EF－2000的综合飞行器管理系统

EF－2000“台风”战斗机(简称 EF－2000)源于1985年德、英、法等国共同提出的欧洲战斗机计划(EAP)，EAP首次提出并验证公共设备管理系统的概念［8－9］。1994年，对 EAP 简化后设计的 EF －2000 首飞，目前已有少量的EF－2000装备部队。

2.1 系统架构

EF－2000的IVMS由EDAS公司提供，其系统架构如图3所示［9］。系统由数字飞行控制系统(FCS)和公共设备管理系统(UMS)构成，系统也采用同步工作方式。IVMS通过飞控计算机的航电系统总线终端接口实现与航电系统的信息交换。

图3 EF－2000的IVMS系统架构Fig.3 EF-2000 IVMS system architecture

FCS采用四余度配置，主要完成飞行控制和发动机控制功能;UMS采用双余度配置，主要完成对以下公共设备子系统的控制和管理。FCS和UMS间通过飞控计算机的UMS总线终端接口实现信息的交互。

2.2 计算机

EF－2000的飞行控制计算机(FCC)的结构如图4所示，FCC由5个模块构成，分别是电源模块、处理器模块、通信接口模块、I/O模块和作动器驱动模块。

图4 EF－2000的FCC结构Fig.4 EF-2000 FCC architecture

电源模块将外部输入的28 V直流电源转化为两路电源输出，一路给FCC内各模块供电;另一路输出到外部，给杆传感器和接口控制组件(SSICA)、惯性测量单元(IMU)、大气数据传感器组件(ADT)等供电。

处理器模块内包括4个MC68882处理器，工作频率为20 MHz，它们分别是:I/O微处理器、控制律计算微处理器、大气数据微处理器和作动器微处理器。处理器模块的存贮器容量大于733 kBytes。处理器模块主要完成输入采集、大气数据解算、控制率解算、作动器闭环数字控制和系统管理，如:同步、余度管理、BIT等功能。

通信接口模块包括FCS系统总线控制器、航电系统总线终端接口、UMS总线终端接口和交叉通道间数据链路(CCDL)通信部分，通信接口模块负责FCC间和FCC同外部单元间的数字通信。

I/O模块包括模拟量输入、外部离散量接口、I/O Sequencer等部分，主要实现对输入FCC的模拟量、离散量信号的调理。

作动器驱动模块包括模拟量输出(DDV舵机、EHSV舵机等)功能电路和离散量输出，负责执行作动器微处理器的作动器驱动指令，实现对飞机各活动舵面的控制。

EF－2000的UMS主要由4台计算机组成，燃油计算机和第二动力(SPS)计算机采用双余度配置，每台计算机包括电源模块、处理器模块和功能接口模块。EF－2000的UMS替代了原来传统系统中使用的20～25个专用控制器和6个电源转换继电器单元。系统实现的几个新的特性有:发动机控制和显示;燃油管理和燃油测定显示;液压系统的控制和显示、起落架的显示、监测刹车装置;环境控制系统、舱内温度控制和后来的机载氧气产生系统;二次能源系统;液氧部分、供电和电池监测、探针加热、紧急能源单元。

2.3 总线与接口

FCS总线采用四余度1553B总线，IMU、ADT、SSICA作为终端接入飞行控制总线;左、右全权限数字发动机控制器(FADEC)也分别与四余度飞行控制总线中的两条总线互连。

UMS总线采用双余度1553B总线，与该总线相连通信的有以下子系统:辅助动力系统、供电系统、燃油系统、液压系统、起落架系统、生命保障和逃生系统以及FCC。

3 F－35的综合飞行器管理系统

F－35“闪电Ⅱ”战斗机(简称F－35)源于1996年美国防部提出的联合攻击战斗机(JSF)计划［10］，2001年洛克希德·马丁公司的X－35验证机方案战胜了波音公司的X－32方案，同时被正式命名为F－35。F－35的研制采用以美国为主导的多国合作的模式，主要参与国家有英国、意大利、加拿大、土耳其、澳大利亚等，目前F－35正处于定型试飞验证阶段。

3.1 系统架构

F－35的IVMS也由BAE公司提供，是全网络化分布式控制系统，其系统架构类似图 5 所示［11－13］。F－35的IVMS主要包括飞行器管理计算机(VMC)、IEEE 1394B(简称1394B)通信网络和远程输入/输出(RIO)单元。

图5 F－35 IVMS类似架构Fig.5 F-35 IVMS similar system architecture

F－35的IVMS采用三余度配置，系统内有3台VMC，3台VMC同时进行数据处理，随时比较各通道的结果以保证数据的完整性，若计算机结构数据出现分歧，通过表决确定“正确”数据“并发出提示信号，如果一个甚至两个VMC损坏或故障，系统还能继续正常工作［11］。系统中每台VMC都作1394B总线的主控制器(CC);所有的1394B总线配置为环路用以提供冗余，一条电缆失效，总线通信仍能保证。

3.2 计算机

F－35的VMC外形略小于鞋盒的大小，内部构成如图6所示［7］，每台VMC内包含处理模块、I/O接口卡和电源模块等。

图6 F－35 VMC构成Fig.6 Composition of the F-35 VMC

I/O接口卡和电源模块将外部输入28 V直流电源转化为+5 V电源给VMC内部各电路供电，此模块上的I/O接口卡部分包含多路1394B总线接口，1394B总线接口分为两种:一种用于VMC间的CCDL通信;另一种负责VMC同外部RIO设备间的通信。

处理模块包含两个PowerPC处理器［10］，工作频率大于400 MHz，处理能力大于900 MIPS，单个处理器的性能是前一代系统的10倍以上［14］。处理器模块主要完成飞行控制和公共设备(如:燃油、供电、液压系统控制)管理功能的解算和系统管理功能(包括同步、余度管理、BIT等)。

3.3 总线与接口

F－35的IVMS系统总线采用符合AS5643规范的军用版本的1394B总线［13］，系统总线数量约9条左右［12－13，15］，通信速率均采用 400 Mbps。所有部件间的通信都通过该总线完成。AS5643规范对1394B总线的通信时延、数据格式、节点配置都进行了较严格的限制［8］，AS5643/1对总线物理层的铜介质电缆重新定义［11］，可保证在扩展长度严酷的温度、振动环境下正常通信。IVMS的系统总线还提供软件下载功能。

F－35的IVMS系统总线连接超过70个RIO单元，RIO单元采集成百个模拟和离散量信号，将这些数据处理后，通过1394B总线传送给VMC，RIO单元同时接收和执行VMC发布的控制命令。RIO单元主要提供下列服务。1)飞控功能数据输入/输出:有10个RIO，主要为方向舵、襟副翼、水平尾翼、副翼、大气数据传感器、惯性传感器等的接口电子模块。2)机电管理功能数据输入/输出:主要为武器舱门驱动器、供电系统控制器、刹车控制器、动力温度管理系统控制器(Power Thermal Management System Controllers)等。3)推力管理功能数据输入/输出:包括发动机FADEC和预兆健康管理(Prognostics Health Area Managers)。4)任务系统数据输入/输出:包括备用显示器、显示管理计算机、头盔显示管理计算机、综合核心处理器、照明控制器、CNI和全球定位系统(GPS)等。5)飞行测试设备数据输入/输出。

4 比较与分析

现代战争对飞机操作性能、作战性能和综合保障能力提出了新的要求，IVMS将同任务系统和故障诊断与健康监控系统成为战斗机先进性的重要表现。表1是F－22、EF－2000、F－35这几种不同时期先进战斗机的IVMS的计算机、系统架构、容错配置、总线和功能综合等特性的比较。

表1 先进战斗机IVMS特性比较Table 1 Advance fighter IVMS characteristic comparison

从表1可以看出:随着时代的向前发展、更高性能的微处理器的出现，先进战斗机IVMS的综合化水平不断得到提高。20世纪80年代美国最早提出了飞行器管理的概念，在ATF计划的推动下，最终在F－22上通过机架式综合的方式实现了飞行控制和推力控制的功能综合，但系统综合程度有限，而且主要采用军用技术，成本很高。欧洲在20世纪80年代中后期研制的EF－2000的IVMS开始采用分布式结构，不仅实现了飞行控制和推力控制功能的综合，而且实现了公共设备管理系统内部功能的优化和综合，分系统内部通过物理综合，较大幅度地减小了体积、重量和功耗，系统开始部分采用商用技术以降低成本。进入21世纪后，由于嵌入式计算机性能的快速提高、嵌入式操作系统的发展、高速数据总线的应用，飞机机载系统的综合化水平发展到更高的层次，F－35的IVMS是当今高度综合化航空电子系统的代表，它用1394B总线作为系统的统一通信网络，采用全网络化的分布式开放系统架构，广泛应用商用货架产品(COTS)技术，实现了飞行控制功能、推力控制功能、公共设备管理的飞机飞行平台功能的大综合，在性能、体积、重量、全寿命周期费用等方面得到大幅度提升。

通过以上比较分析，可得出:随着电子技术、计算机技术的发展，处理器性能有了显著提高，新一代战斗机的设计将以前相互分离的飞行控制、推力控制和公共设备管理等独立的系统综合成飞机飞行平台管理系统－IVMS，新一代战斗机的IVMS将采用全网络化分布式开放系统架构，广泛采用COTS组件，通过使用符合ARINC 653标准和DO－178B规范的安全实时操作系统，在鲁棒的时间、空间分区保护机制下，实现不同安全级别功能在单处理器模块上的综合，在整个系统中实现功能的多余度配置和故障自动重构，系统的资源利用率、可靠性、生存性得到大幅度提高，系统的体积、重量、功耗、布线复杂度和全寿命周期费用得到大幅度的降低。

5 结论

现代战争对飞机操作性能、作战性能和综合保障能力提出了更高要求，IVMS、任务系统、故障诊断与健康监控系统将是现代战斗机先进性的重要表现。高度的功能综合、网络化、分布式开放系统结构，高速数据总线，高安全实时分区操作系统、COTS的广泛使用是新一代IVMS发展的显著特征。

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