下一代机载软件环境架构概述

拜斌

摘 要：参考美国海军预备在政府实验室建立基于下一代机载软件环境2.0（Future Airborne Capability Environment，FACE）标准的未来开放式航电架构原型。由Open Group发布的FACE标准定义了通用的操作环境，采用模块化的开发方式，实现了航空软件功能模块在不同平台间的移植插入和重用，从而缩减了开发成本，节省了开发时间。FACE 2.0标准进一步增强了软件模块间数据接口的要求，更好地提升了平台间的互操作性和可移植性。文中同时对FACE 2.0标准提出的FACE架构进行了概述。

关键词：可移植性 ；软件架构；数据分发服务；平台服务

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

FACE软件架构是建立在操作系统上的一个三维架构，如图1所示，该架构由操作系统、I/O服务、特定的平台服务（PSS）、传输服务（TSS）、可移植组件五部分组成[1]。该软件架构能够更好的将关注点分离，软件功能能够重用，旨在实现FACE的目标——降低研发和集成的成本。

1 可移植性组件层

可移植性组件层主要有两种比较常见的可移植性组件：FACE应用和公共服务。FACE应用主要包括一些能够提供具体性能或功能的软件组件，例如移动地图应用程序，利用图形表示具体的位置，这个位置能够通过公共服务提供给移动地图应用。公共服务由能够支持FACE复杂应用的功能性软件组件组成。

可移植性组件层所有数据可通过传输服务层（TSS）进行路由分发，将路由功能分为三部分传输：数据分发服务（DDS）、公共对象请求代理体系结构（CORBA）和Web服务。采用适配器设计模式为路由功能提供一致性的数据接口。

PSS层的大部分组件可模拟物理硬件设备，并对其接口控制文件（ICD）打包。图中实例包括GPS、嵌入式GPS/惯性导航系统（EGI）、雷达高度计以及通往未指定OFP设备的入口等[2]。除了这些特殊的组件外，也有一些公共的平台设备服务，如状况监测/故障管理（HMFM）、配置服务。还提供了图像服务，将图像输出到特定平台的显示设备上。

I/O服务层将软件组件与设备驱动之间的输入输出提取出来，采用的也是适配器设计模式，不仅能够缩减时间和成本，而且供应商在不增加其它FACE接口的条件下能够创建、修改和替换他们的设备驱动程序。

2 FACE架构的组成

2.1 操作系统层

操作系统支持并控制FACE计算机平台的其他部分，提供执行多功能的软件应用标准环境和一系列的软件服务。操作系统的应用（如适用性）、处理器控制机制（如存储管理单元）以及注册限制着FACE对计算机平台资源和操作能力的需求。

操作系统层也包括I/O API（如网络系统，文件系统），为了满足平台接口的需求，这些API包括已发布的基于标准的操作系统接口、运行时接口和框架接口。

2.2 I/O服务层

I/O服务层是操作系统设备与特定平台服务（PSS）之间进行数据传输的桥梁，例如GPS服务，通过I/O接口（如MIL-STD-1553总线）与操作系统设备连接[3]。I/O服务层以及基于报文的I/O服务API提供了标准化机制，用于PSS层与航电I/O硬件的连接。I/O服务层具有三大功能：

（1）I/O管理：提供I/O设备的初始化和配置功能，确保I/O设备在配置之前已经进行了初始化设置，且配置完成之前禁止I/O报文的传输；

（2）数据传输：使用定义的逻辑端口使得数据在I/O设备和PSS层传输。使用全球唯一标识符（GUID）确保密级数据的安全；

（3）标准化设备驱动适配功能：提供适配器读写非FACE供应商提供的I/O设备及指定接口的数据。

2.3 特定平台服务层

PSS为飞机平台创建特定的基础设施，提供设备数据给移植性组件层的可移植性应用程序。PSS的组件具有可移植性和重用性，平台之间可以共享相应的平台设备。PSS层可以分成三个子层：

（1）特定的平台设备服务；

（2）特定的平台公共服务；

（3）特定的平台图形服务。

从移植性组件层分离出来的特殊平台设备组成了特定的平台设备服务。这些设备充当平台硬件设备的抽象化软件角色，控制并提供数据给可移植性组件。

特定的平台公共服务定义了一系列的服务组件，包括配置服务、平台日志、设备协议中介（DPM）服务、流媒体服务和系统健壮性监控。

特定的平台图像服务为移植性组件段提供一系列的图形服务。这些图形服务随着平台要求的改变而变化。

2.4 传输服务层（TSS）

传输服务层的目的是为TSS软件库提供标准化的、透明的接口，促进移植性航电应用程序与其他架构及航电平台的集成[4]。TSS还为可移植组件层及PSS层的应用组件提供了标准化接口机制，处理航电应用数据的分布、路由、优先级、联系、抽象和转换等问题。

2.5 可移植组件层

当应用程序能够部署在不同的计算机硬件或FACE软件平台，且应用程序不需要重新编译和连接时，这种应用被称为可移植[5]。图2所示是可移植性组件图例。

可移植组件层是用来描述一系列FACE交付产品的架构概念。

软件组件成为可移植组件的一部分需要具有以下属性：

（1）该组件能够提供任务层的功能或公共服务；

（2）该组件在不同的FACE计算机硬件装备和软件环境下能够执行不同的实例；

（3）该组件的外部接口通过传输服务接口与FACE其他组件进行数据交换；

（4）该组件不使用I/O接口；

（5）组件直接使用图形服务。

3 应 用

FACE是开放式、模块化、独立计算环境的标准，具有通用的操作系统环境、快速部署软件、易于升级维护等优点。洛克希德·马丁公司已经开始使用该开放式航电标准，并且美国海军在C-130T项目中采用基于FACE的软件，贯穿整个生产线。罗克韦尔·柯斯林公司也将利用这个开放架构发展下一代项目，例如UH-60L。美国陆军在JMR（“联合多用途旋翼机”）/FVL（“未来垂直起降飞机”）计划中也提出未来航电系统验证子项目的目标是构筑强健、持久、灵活和公开的系统架构即联合共同体结构（JCA） [6]。JCA是基于下一代机载软件环境（FACE）标准而制造的便携式可重复使用软件，并且两家研发团队还需要建造与FACE兼容的联合共同结构实验系统，其第三方软件模块能独立运行，以满足未来垂直起降飞机项目的要求。

4 结 语

FACE是一套开放式、模块化、独立计算环境的标准，具有通用的操作系统环境，可快速部署软件、易于升级维护。其第三方软件模块能独立运行，可以满足未来垂直起降飞机项目的要求。希望通过本文可以让读者对该架构有更深刻的认识，也希望该架构能在未来被不断完善，更多的应用于飞机起降行业中。

参考文献

[1] 涂泽中，雷迅，胡蓉.对新一代综合航电系统发展的探讨[J].航空电子技术，2001，32（4）：11-18.

[2] 陈宗基，孔繁峨，李卫琪，等.先进战斗机的飞行控制计算机系统研究[J].航空学报，2007，28（4）：935-942.

[3] 韦岗，季飞，傅娟.通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] R.C Shah，Alvise Bonivento，D. Petrovic， et al.Joint optimization of a protocol stack for sensor networks[Z].in IEEE Military Communications Comumunications Conference.MILCOM 2004， 1：480-486.

[5] Konstantin Kondak， Markus Bernard ， Nicolas Meyer，et al.Autonomously flying vtol-robots：Modeling andcontrol[Z].in IEEE International Conference on Robotics and Automation，2007：736-741.

[6] 骆光明，杨斌，邱致和，等.数据链—信息系统连接武器系统的捷径[M].北京：国防工业出版社，2008.