一种机载传感器系统的网络发展构想

顾生辉

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610036）

一种机载传感器系统的网络发展构想

顾生辉

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610036）

机载传感器系统的网络架构总是随着系统架构一起发展的，本文给出了一种网络架构发展的构想，并分析了这种网络架构的特点及其设计为系统性能可能带来的影响，最后分析了实现过程中潜在的技术难点和关键技术。

航空电子系统机载传感器光交换网络

1 引言

航空电子信息系统的综合化经历了分立式、联合式、综合式和高度综合式4个阶段[1]，同样的机载传感器系统的综合化也经历了这几个阶段，对此[2][3]等文献均进行了详细论述。在具体工程化实现的过程中，目前的系统架构正在经历综合化的阶段，并向高度综合化递进，而高度综合化之后，或者高度综合化到什么程度之后，系统的体系架构会有所变化以及预计会向什么方向进行发展变化，这是目前我们需要进行思考的问题，而在这一点上，不论国内还是国外情况都是一样的。

作为复杂电子信息系统的机载传感器系统架构设计过程中，传输网络的设计一直都是核心内容，系统在设计之初就需要决定网络规模，分析传输数据类型和传输带宽需求等方面内容，并结合上述需求分析来决定网络类型、设计网络的拓扑结构并给出网络传输能力分析报告，可以说机载传感器系统网络构型在很大程度上直接决定了整个系统的框架。

本文正是基于对机载传感器系统体系架构发展的思考，提出一种分布式的传感器系统网络传输架构设计，并进行了相应的分析和论述。

2 系统设备组成

在基于分布式的传感器系统设计中，将会对系统设备进行高度通用化的设计，最终使得整个系统中的设备类型将只有三类：

（1）前端智能单元

前端智能单元是集合了有源相控阵收发天线、信道处理、AD采样、DA变换、实时信号处理、高速传输接口等功能的，一体化设计的智能化单元，，单元对外接口为数字化信息的光纤接口。随着研究的深入和技术的不断发展，该单元最终可以与飞机蒙皮进行一体化设计。

（2）交换单元

交换单元是基于全光交换技术的网络交换单元，该单元的输入和输出端口全部是高速光纤接口，为全机所有的另外两类单元的全互联提供通信链路支持。

（3）处理单元

处理单元内部采用通用的高速信号处理和信息处理架构，为全系统提供通用化的后端信号和信息处理，其中包括了：图像处理、协议处理、数据处理、数据库管理、系统资源分配管理、非实时的信号处理算法实现等。

3 网络架构

基于分布式的传感器系统网络架构示意图如下图1所示：

图1 网络架构示意图

上图给出了一种分布连接的网络拓扑结构，图中以16个前端智能单元（按照通用飞机布局设想在前左、前右、后左、后右4个象限各4个单元）、6个交换单元、5个处理单元为例，在连接设计上，每个前端智能单元同时与两个交换单元连接，构成数据端口的1+1备份，每个处理单元也同时与两个交换单元连接，交换单元之间全连接组成交换网络。

这种网络拓扑和连接关系对整个传感器系统的最重要贡献是通过网络架构的设计来提高系统的可靠性，局部的某个单元的故障将不会对系统造成大的影响，以单元故障为例简单分析如下：

（1）前端智能单元故障

如果某个前端智能单元故障，例如图1中单元1故障，使用该单元各种功能线程（例如：无源探测、光电探测、告警、通信侦察等、通信、导航等）对载机后向右侧的探测感知能力不会丧失，但是根据具体的载机布局和系统详细设计，可能会有一些性能指标的下降，例如：如果是多单元拼接覆盖空域，可能会造成载机特定姿态下局部空域覆盖问题；如果是多单元频段拼接，可能会造成特定时间段的频段覆盖问题（信号丢失）。但总的来说，这些都和系统设计中对前端智能单元的具体使用方式有关，而且都可以通过冗余设计、动态重构等一些系统级的可靠性设计措施进行保证，可以事先将发生上述影响的可能性降到最低。

（2）处理单元故障

某个特定处理单元的故障可以通过系统的动态重构恢复原本为该单元分配的处理任务，因为系统中所有的处理单元都是通用的，只是在网络中的接入点不同，而这样一种分布式系统必然是采用软件中间件技术的，以方便系统进行任意的重构。例如图1中，处理单元1故障了，而原本前端智能单元1的相关数据处理任务是在处理单元1中完成，此时前端智能单元1甚至不需要启动备份的端口，而直接使用原通信端口，在系统资源管理和分配软件的调度命令控制下，将数据送往处理单元2进行处理，当然网管软件需要先通知相关节点切换路由。在切换前后，对整个传输过程而言，唯一的变化是数据通道中网络节点多了一级，因为增加了交换节点②，但是对与高速光纤交换网络来说，这种变化的影响微乎其微。

（3）交换单元故障

当交换单元故障的时候，前端智能单元和处理单元一般需要启动备份通信端口，例如图1中当交换单元1故障的时候，前端智能单元需要启动与交换节点②连接的备份端口，系统网管需要重新配置网络路由，原先的路由关系为：前端智能单元1←→交换节点①←→处理单元1，此时由于交换单元1故障被迫中断，于是重新形成了：前端智能单元1←→交换节点②←→交换节点③←→处理单元1，这样一个新的通信链路配置。

4 架构特点分析

（1）系统规模灵活可裁剪

分布式架构的特点之一就是网络节点在网络中的位置与实际装机位置无关，这个与传统的机载传感器系统设计有很大不同。例如本文给出的系统架构，当前端智能单元节点数量增加的时候，相应的处理单元和交换单元相应的增加。当规模不需要这么大的时候，典型的例如无人机应用，则按照相应的比例裁剪三类设备的数量，网络结构不变，网络规模和复杂度降低而已。

（2）多平台架构共用

对于这样一种系统设计和网络架构，由于采用分布式和通用化设计的思路，系统设备的体积、重量、热耗、可靠性等装机敏感指标均大幅优化，同时由于采用全光交换网络的原因，设备的装机对安装位置不再有很高的要求，除了前端智能设备需要靠近机体表面安装外，其余两类设备可以在载机任意位置安装，对载机的安装空间的要求也将大大降低，整个系统将适用于战斗机、轰炸机、无人机、运输机、直升机等多种载机平台。

（3）集成化与小型化

对机载设备来说，设备的重量和体积一直是一个敏感要素，也是系统设备研制过程需要控制的重点，尤其对战斗机等平台，因为直接影响到飞机的作战半径，因此对设备重量要求更高。

本文提出的架构对整个系统重量的降低的贡献主要得益于全光纤网络的采用，因为根据以往的经验，复杂电子信息系统中的射频电缆和低频电缆的总和重量往往与设备的重量接近甚至相当。本系统架构中，智能前端与飞机蒙皮贴合或者进行一体化设计，信道处理后即进行模拟到数字的变化，其后所有的处理都是基于数字的，将射频线缆的长度降到最低，同时光纤替代了传统的低频电缆，整个传感器系统的重量将大幅降低。

随着电子器件设计工艺水平的提高，上述前端智能单元、处理单元、交换单元将越做越小，尤其随着异构多处理器（ASICASSP）、光纤FPGA等革新换代产品的推广和普及，电路规模大幅缩小，三类单元设备小型化的趋势更加明显。

5 关键技术和实现难点

（1）全光交换关键技术

全光交换网络的核心是自动光交换技术，ITU在2000年的时候提出了自动光交换网络（ASON），希望可以直接在光层面上进行数据交换，并在光层上为数据用户提供数据服务。虽然协议标准和规范等均在不断修订和补充中，全光交换技术在控制面、传输面、管理面等仍然还存在一定的关键技术需要被攻克，但是基于电光交换和光突发交换技术的光交换产品已经被研发出来，随着GMPLS等相关具体实施规范、标准的不断完善，最终全光交换技术必将走向成熟和普及。

（2）智能蒙皮一体化设计技术

如前所述，前端智能单元最终将会和飞机蒙皮进行一体化设计，即所谓的智能蒙皮设计技术。智能蒙皮技术是目前各国大力进行预先研究的结合了材料科学、结构设计、工艺设计、天线技术、传感器技术等等多学科的重大研究方向，需求牵引主要还是基于军用飞机设计的军事需求[4]。虽然目前看来预言在某一代飞机上一定会采用智能蒙皮技术为时尚早，但是随着上述各项学科的发展，智能蒙皮研究一定会大力推动机载传感器系统分布式系统体系架构的发展。因为智能蒙皮技术一旦达到技术成熟度要求，可以进行工程化应用的时候，会为整个载机平台和任务系统的性能带来巨大的提升，而且这种变化是结构性的调整，和单纯的器件水平、工艺进步，算法改善等带来的变化不是一个量级，具体包括：

①载机平台和任务系统的可靠性大幅提升

分布式传感器系统的智能蒙皮由于通用性和可重构性，在局部发生故障甚至损伤的情况下，载机平台的管理系统可以迅速感知并进行相应的隔离处理，而对于任务系统而言则可以通过系统重构，采用其它区域的相同部件进行替代，保证传感器系统的感知能力不降低。

②多任务系统的综合化设计程度的提高

智能蒙皮的采用将不会是某个类似雷达、信号侦察、通信的单个功能的应用，而是所有传感器系统的功能线程的共用，蒙皮中的频段规划、天线设计、采集电路设计、信号处理单元、传输单元等设计均会进行一体化设计，综合化的设计的程度将是前所未有的。

③飞机隐身性能的提升

一方面飞机载机平台设计和任务系统将会进行一体化设计，对飞机气动外形的设计是一次性的完成，不再会出现先设计飞机外形后续根据天线等的需要进行修改的情况；另一方面，由于大面积探测单元的使用，使得无源探测的能力大幅提升，根据飞机和系统任务规划，整个平台的有源辐射的时间将会相应的大幅降低，继而降低被敌方侦测的可能性，提高了飞机的隐身性能。

虽然智能蒙皮的整个工程化研究程度还不是很深入，也会面临诸如传感器植入方式、材料科学、电子元器件小型化和埋入等一系列的问题，甚至一定会遇到飞机结构设计、工艺设计与电路系统设计如何一体化设计的工程实际问题，但是随着研究的深入，智能蒙皮的采用和作用凸显是肯定的。

③网络设计

相对于传统常用的双星型1+1备份网络，本文提出的这样一种分布式的机载传感器系统网络设计实际上在实现的时候是比较复杂的，尤其当网络规模较大、节点数目较多的时候。如何最优化网络拓扑结构、最大化交换网络的吞吐量、降低单元设计难度等都是需要预先重点考虑并仔细设计的问题，必要的时候还需要通过专门的网络规划设计工具来进行仿真设计。需要提出的是，在整个系统设计的工作流程中，这些复杂的网络设计工作是在系统设计之初的规划阶段完成，是整个系统设计的基础，一旦网络设计确定，是不希望出现重大修改和反复的，否则，会导致后续系统其它方面设计的一系列连锁反应问题，因此有必要在前期投入较多的精力保证网络设计的合理性。

6 结束语

分布式体系架构是机载传感器的未来的一个重要发展方向，系统传输网络的架构相应的会采用分布式的架构，并广泛采用光纤连接来降低系统重量，提高系统可靠性。本文给出了一种典型的网络架构设计，并讨论了其特点和关键技术，其中一些技术已经开展了预研，相信随着技术的发展和时机的成熟，本架构将会在合适的型号上面进行应用和验证。

[1]车颖秋.航空电子传感器的综合化[J].电讯技术,2002(3): 145-151.

[2]苏连栋.机载传感器综合设计技术特点及应用[J].飞机设计, 2008(1):54-57.

A Network Architecture for Airborne Sensor System

GU Sheng-hui
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

The development of airborne sensor network architecture has always accompanied the development of avionic system architecture.This paper presents a kind of possible network architecture for airborne sensor system,then analyzes its characteristics and influences on whole avionic system,finally discusses the difficulties and key technologies to implement the architecture.

avionic system;airborne sensor;optical switch network

TN971

A

1008-1739（2015）10-67-3

定稿日期：2015-04-26