航空电子处理模块“三化”研究

胡 辛 沈 华

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710119）

随着微电子、信息和计算机技术的快速发展，航空电子系统对军用飞机完成作战训练任务的作用愈发重要；其体系结构也从最初的分立式航空电子系统、联合式航空电子系统到综合式航空电子系统加速转变。在一定意义上，综合式航空电子系统已成为国外新一代战斗机的主要特征。

美国在F/A-22（简称F22）和F35的研制中，以综合核心处理平台为中心的综合化航空电子系统，基于模块化和结构化技术（被称为综合模块化航空电子系统，简称IMA），实现了将故障隔离到模块的机内自检能力，大幅提高系统的可用性，同时降低全寿命周期成本。鉴于美国在综合模块化航空电子系统（IMA）方面的成功实践，欧洲成立了“联合标准航空电子系统结构委员会（ASAAC）”，研究新一代战机的综合模块化航空电子系统结构，并制定了系列规范。

作为综合核心处理平台的重要组成单元，处理模块呈现通用化、系列化及组合化（以下简称“三化”）的趋势。在新型军用飞机研制中，对航空电子处理模块进行“三化”研究，对于减少模块种类、控制研制风险、降低研制费用、提高产品质量，以较少的备件和检测设备保障使用维护，从而提升飞机的作战效能有着非常重要的意义。

本文以航空电子处理模块为对象进行“三化”研究，通过对国外先进技术的分析和总结，提出国内军用飞机研制中可参考的成果和应关注的内容；同时，以点代面，为整个航空电子系统贯彻“三化”要求、实现标准化目标给出研究方向和参考。

1 国外航空电子处理系统的现状与发展

F22“猛禽”和F35 联合攻击机（JSF）是美国最新研制的两种主力战斗机，其先进的航空电子系统成为世界关注的焦点。

F22航空电子系统的特征是，广泛使用了超高速集成电路（VHSIC）技术、通用模块和高速数据总线。F22上采用的新技术之一为通用综合处理器（CIP），3台CIP与数据传输设备/大容量存储器通过高速数据总线连接（其中第3台供发展用）。CIP1机箱中留有66个模块插槽，插有19个模块；CIP2有66个模块插槽，插有22个模块。在系统硬件设计上采用了外场可更换模块（LRM），LRM是一种新的发展方向，模块为独立功能单元，同时也是机内自检（BIT）、容错重构、二级维护以及资源共享等新概念和新技术的硬件基础，突出特点是易于维修。

F35航空电子系统的特征是，主要基于F22的结构设计，以经济可负担性为前提，在综合核心处理器（ICP）中提出了“即插即用”的硬件和软件模块化方法。整个ICP只有7种22个模块实现，分别是4个通用处理模块（GPP）、2个通用处理IO模块（GPIO），2个高性能信号处理模块（SP），5个信号处理IO模块（SPIO），2个图像处理模块（GP），2个网络开关模块（Switch）以及5个电源模块。这些模块采用边缘液冷方式，安装在两个液冷机架上。两台ICP通过高速数据传输网络与传感器区、飞行员座舱、外挂系统及飞行器管理系统相连。系统确立统一的编程语言、实时操作系统和软件开发环境。

虽然两种核心处理机中模块总数较多，但总的原则是尽可能减少模块种类，如F35中ICP只有7种模块类型，采用通用的模块，不同组合来构建不同的功能平台，同时，采用了更为广泛的商用货架（COTS）标准，如商业C++高级程序语言和操作系统；另一关键是采用了新的软件结构。尽管新处理器不断面市，但这种软件结构仍可保证将同一软件可移植到新的硬件上。

欧洲成立了ASAAC（联合标准航空电子系统结构委员会），定义了一套先进的航空电子结构的标准。以硬件为例，确定了6种CFM（共用功能模块）：数据处理模块（DPM）、信号处理模块（SPM）、图形处理模块（GPM）、大容量存储模块（MMM）、网络支持模块（NSM）、电源转换模块（PCM）。

2 航空电子处理模块“三化”要素

综合航空电子处理平台（如ICP，CIP）的模块集中安装于集成机架中，模块要满足一系列的通用要求。这些要求首先应包括模块的尺寸、物理接口、连接器的类型、散热方式等物理特性。

相对于其它模块，处理模块还需要配置软件和选择处理器，因此在制定通用要求时应考虑处理模块的特殊要求。这些关于模块的通用和特殊的要求都可以划分到模块的“三化”要求中，如模块组成、模块物理特性、冷却接口的通用化，模块尺寸、模块连接器、模块冷却方式、处理器选择的系列化，模块功能的扩展性和互换性的组合化等。

通过对通用化、系列化、组合化分析以及考虑到处理模块的特殊要求，可以把影响综合化航空电子系统中航空电子处理模块的“三化”要素总结为：模块功能单元的划分，模块通信接口，模块封装，模块软件，模块供电。

3 航空电子处理模块的“三化”内容

3.1 模块功能单元的划分

从获取的有关信息来看，关于模块功能单元的划分方面，ASAAC进行了一系列的试分类和验证，ASAAC标准中对通用处理模块的定义为：每一种通用处理模块其内部结构由一系列的功能单元组成，处理单元、网络接口单元、供电单元、模块支持单元、路由单元。通用处理模块的功能结构如图1所示。在所有的处理模块中，除处理单元（PU）外，其他功能元件是完全相同的。

ASAAC所定义的处理模块由硬件单元和软件单元组成，硬件单元实现机械、电子功能和通用处理模块的物理接口，软件单元全体被称作“模块支持层（MSL）”。MSL和硬件一起提供ASAAC标准规定的功能和逻辑接口。目前ASAAC标准已经作为欧洲军用行业标准。国内尚没有该方面的标准，就处理模块功能单元的划分，可参照该标准。

图1 处理模块的功能示意图

3.2 模块封装

F22的CIP计算机采用了MIL-STD-1389D《标准电子模块设计要求》中的SEM-E模块尺寸，其尺寸为169.67mm×149.35mm×9.625mm，采用贯通式液冷对模块进行冷却。该模块主要由液体散热腔体、盖板、印制板、连接器、锁紧块和快速接头组成。

F35的ICP计算机采用了152.4mm×228.5mm模块尺寸，采用传导冷却方式进行模块散热。该模块主要由传导冷却腔体、盖板、印制板、连接器和锁紧块组成。目前，该计算机模块的封装规范还未公开。

1989年3月，美国国防部发布了MIL-STD-1389D。标准电子模块共分为4类，5个尺寸系列，主要应用在舰载和机载的环境中。其中，SEM-E模块在F22飞机的CIP处理机上进行应用。

1994年6月，ARINC公布了ARINC-650《综合化模块化航空电子的封装与接口》。该规范定义了10种尺寸系列的LRM模块的封装，满足该规范的模块在民机上应用，在军机上应用的并没有见到相关的报道。

2005年1月，NATO公布了ASAAC规范的第一部分《封装的提议规范》。该规范定义了一种尺寸的模块和4种不同冷却接口的模块。不过，截止目前，还没有看到满足该规范模块的使用报道。

从国外已经公布的规范可以发现，模块封装都满足或者部分满足“三化”的要求。如模块封装的通用化主要表现在模块组成、模块物理特性、模块连接器、模块冷却接口、模块拔插、锁紧装置、模块插槽结构的通用化、模块使用环境的通用化；模块封装的系列化主要表现在模块封装尺寸、模块采用的连接器、冷却方式、环境等级等；模块封装组合化主要表现在模块各个部件的组合。

综合对比来看，ASAAC规范的封装部分考虑了目前的微电子发展水平和一系列工业级板卡广泛应用的实际情况，也比较符合我国的机载计算机发展的实际情况。

3.3 模块通信网络接口

传统三代机机载通信总线包括MIL-STD-1553B、ARINC429、ARINC629、RS422、RS232等总线，采用线性、点对点连接方式，其带宽在几十Kbps～2Mbps，无法满足新一代飞机的高带宽、分布式通信要求。新一代战机航空电子系统的通信网络，需要采用分布式、统一化、数字化、高性能、实时数据传输网络。

新一代综合航空电子系统的处理模块LRM朝着通用化、系列化及组合化的方向发展，尽可能在外型、装配、功能和接口保证一致性。LRM模块内部网络接口单元（NIU）负责连接模块外部网络与内部数据通路，完成CFM与外部的通信功能。NIU支持MLI的通信协议部分与网络特性部分。LRM模块要实现通用、互换等特性，每个LRM模块的NIU的“三化”研究非常关键，必须遵从统一的通信协议与电气接口标准，才能使LRM满足“三化”要求。

网络技术的迅速发展为机载高速总线提供了多种选择，包括AFDX、FC-AE、RapidIO、StarFabric、SCI、千兆以太网（GE）等高速网络技术等，均为通用、协议开放、有良好的商用应用背景。近年来国外对机载高速总线技术展开了大量的研究，力求在目前成熟的商用网络中，寻找一种满足机载高速网络的发展要求的通用高速网络。

通过比较千兆以太网、AFDX、FC-AE、StarFabric、RapidIO、SCI的特点，再从实际飞机应用角度分析，我国新一代航空电子统一网络研究应重点关注FC、AFDX。

3.4 模块软件配置

新一代综合化航空电子系统从软件结构上划分为应用层、操作系统层和模块支持层，称为三层栈（TLS）结构。美国的ARINC653标准和NATO STANAG 4626规范都给出了软件三层结构的要求，如图2所示。其中，应用程序与操作系统接口为APEX或APOS（按ARINC653标准为APEX接口，按NATO STANAG 4626规范为APOS接口），操作系统与硬件模块支持层之间接口为MOS。采用TLS结构使应用、操作系统与硬件模块相互隔离，便于各部分的独立升级。

图2 航空电子软件三层栈（TLS）结构

软件三层栈结构的思想使新一代航空软件设计发生了革命性的变化，它解决了降低软件成本，减少程序代码的重复编写、重复验证，提高了软件的可靠性和安全性等关键问题，充分体现了“三化”的理念。

图3是ASAAC综合化航空电子系统软件结构模型简介。充分体现了ASAAC规定的航空电子系统软件的层次化、模块化的要求。

ASAAC规范、ARINC653标准以及GJB 5357-2005《航空电子应用软件接口要求》可作为研究的重要参考。

3.5 模块供电

图3 综合化航空电子系统软件结构模型示意图

综合化航空电子系统信息处理量剧增、用电量也增大。传统的集中式电源供电架构已不能满足新一代航空电子系统处理机的低压/大电流、大功率用电需求，航空电子处理模块的供电在由过去的集中式供电向多级供电发展。航空电子处理机中的第一级电源将飞机上的270V高压直流转换为48V（或28VDC）中等电压，分布在集成机架上，向各航空电子处理模块供电。此外，在航空电子处理模块上分布有第二级电源转换，它将48V（或28VDC）中等电压变换为处理器所需的低压大电流直流电，或变换为5V（或12V）的中间总线电压输入到分布在处理器等负载旁的电压调节模块将其转换为低压大电流。

美国F22上的通用综合处理机（CIP）和F35上的综合核心处理机（ICP）采用了270V高压直流供电系统，据分析计算机系统内部的处理模块供电是采用多级电源供电架构。

俄罗斯的新型战机苏-30飞机供电系统仍采用115V400Hz交流电供电、28V低压直流供电体制。在美国的某些民航机的通用航空电子系统结构中，采用115V400Hz交流电供电、24V低压直流供电体制，而且这两种电压为综合化航空电子兼容供电。

为了实现航空电子处理模块供电的通用化设计，分布在其上的二次DC/DC模块或组件可采用两种供电系列即：48V和28V。这两种电压各有优缺点，前者具有前瞻性，后者具有继承性。从“三化”研究出发，航空电子处理模块供电可采用这两种系列。

4 “三化”效益的分析

从F22的研制、生产已经暴露出其开发、采购及寿命支持等成本达到难以接受的程度。按1996年币值F22 研制费用近200亿美元，飞机出厂价9 870万美元。而采取了“三化”等措施后，F35的价格控制在2 800万美元～3 500万美元。可以预期的是，在我国军用飞机研制中，实行“三化”后形成系列化，通用化，模块化的产品，军事效益，经济效益，社会效益明显提高。

[1]霍曼.综合航空电子技术发展展望[J].航空电子技术，2000年第3期.

[2]霍曼，邓中卫.国外军用飞机航空电子系统发展趋势[J].航空电子技术，2004年第4期.