分布式航电系统通用开放式软件架构设计研究

刘美山，王勃

（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）

0 引言

如今航空电子系统经历了三次发展以及改革，第一代DIMA是各子系统的单一功能可以有规范的机箱来进行完成，各分系统可以独立安装和供电，并且可以径直连接到驾驶员的控制面板上。第二代升级实现了航空电子系统中的信息供销，各分系统都会安装输出板卡。而第三代航电系统，各个分系统通过大数据总线进行连接，各分系统之间的数据经过总线进行送出和接收。由于传统的航电系统没有软件架构，软件的应用以及操作系统的耦合非常深，如果进行系统升级、软件的日常升级和维护对整个航电都会造成影响的。电子信息技术和计算机技术的快速发展，航空电子系统也逐渐从首要的实时嵌入式系统往嵌入式综合化信息系统的方向进行蜕变。

1 散布式航电系统通用开放式软件架构设计研究

随着科学技术越来越发达，航电系统软件架构出现了越来越多的问题，问题主要是:第一点是科技在快速发展的同时，航电系统的设计也随之变得复杂与困难，难点主要是系统设计、架构、技术支持与日常维护:第二是在对飞机进行研究与服役时时间过于漫长，而零部件进行服役的时间相对较短，由此导致在开发研制某些系统时可能会发生系统过时的现象；第三点是机载杭电软件与硬件通常会绑定牢靠，导致软件系统在进行升级时会出现应用性与实用性差升级困难的问题；最后一个问题是在对航电系统软件架构进行建立日常维护和技术支持时将会形成比较高的费用度。

为了将以上问题得到更加完美解决，在研究分布式航空电子系统时应该朝着综合性、专业性、开放式的研究方向发展，将提升航空电子系统的软件架构当做主要任务，比如在兼容性、可维修性、可移植性、可靠性等方面。分布式航空电子系统能够将零部件停产的问题进行完美解决，并可以高效带进全新技术、确保系统的升级基础、减少软件的过程成本等方面的实用性技术与发展可承受经济发展实力方面的问题，是开放式软件架构正常运行的基路径。中国自20世纪就开始对分布式航电系统软件架构进行了相关研究，并且开始对系统软件与硬件部分开展基础研究工作，虽然还没中国自20世纪就开始对分布式航电系统软件架构进行了相关研究，并目开始对系统软件与硬件部分开展基础研究工作，虽然还没有完全形成属于自身的分布式航空电子系统相关指标体系，但从整体而言，它为我国研究与开发航空电子系统攻克比较稳固的基础。开放式软件框架具有效率较高、比较容易开展、维护成本较低等方面的优点，而且伴随着科学技术的快速发展，航空电子系统中的作用会逐渐的移交给软件以表现出最终效果。而为了使航空电子系统符合整体发展需求，通用式软件架构也应该满足开放式、分布式、安全性能好等方面的特点，并且应该在维护性能、配置性能、安全可靠性、开放式等上面实现更高的标准。

2 国内外航空电子软件体系结构现状

主模块所支持的航电相关部件的精确应用软件，以及主解决方案软件层需要为应用软件提供相应的环境，还可以操作系统和硬件接口主模块所支持的航电相关部件的精确应用软件，以及主解决方案软件层需要为应用软件提供相应的环境，还可以操作系统和硬件接口主模块所支持的航电相关部件的精确应用软件，以及主解决方案软件层需要为应用软件提供相应的环境，还可以操作系统和硬件接口。

主模块所支持的航电相关部件的精确应用软件，以及主解决方案软件层需要为应用软件提供相应的环境，还可以操作系统和硬件接口。

图1 ASAAC软件构架

2.1 ARINC653系统软件的结构

ARINC65是专门为航空电子系统应用设计的标准软件接口，此标准是安全体系统供给执行平台。核心就是把空间和实践实行了分割，ARINC653系统架构把计算机系统分为两个部分分别为核心以及应用两个软件层。主模块所支持的航电相关部件的精确应用软件，以及主解决方案软件层需要为应用软件提供相应的环境，还可以操作系统和硬件接口，这两个都是很重要的部分。ARINC653架构在航空系统和应用软件中界说了通用的接口。

2.2 ASAAC软件系统框架

由于开放航电系统结构研发在美国的成功实施，欧洲各国纷纷成立了标准航电系统结构联合委员会，并且实施了ASAAC计划，以开展下一代飞机ima的研究。初步制定了软件、通信网络、通用功能模块、封装和系统结构等等的一系列标准。ASAAC将软件体系结构分为应用层、操作系统层和模块支持层。只有采用标准的层间接口，这就保证了各层间的独立性。图2可以看到，应用层中包含了应用功能与应用的管理，操作系统层简单地定义了操作系统，模块支持层定义了硬件资源的基本驱动管理。

图2 ASAAC软件分层结构

2.3 ARINC653和ASAAC软件架构的对比

通过对ARINC653和ASAAC软件体系结构的分析，ARINC653主要触及时间和空间的划分、应用软件接口等的内容，没有进一步规范体系结构。例如，硬件抽象层接口还没有理清。另外，ARINC653只安排单机系统，不支持多模块容错系统的应用。提出了标准化工作的阶段性规范方法，充分反映标准化工作的持续性和扩展性。ASAAC软件标准对系统软件体系结构进行了详细而清晰的划分，比现行的ARINC653标准更具系统性、开放性和完整性。然而，该标准仍处于起步阶段，即将形成的正式标准nato4626尚未公布。在一些技术方面，描述过于简单，如资源分区管理、蓝图库方面等；另外，ASAAC软件规范技术较新，标准化程度较高，实现的难度较大。目前，这个项目没有成功的理由。

3 分布式航空电子系统结构

3.1 联合式

联合式航电系统结构，它是由一台或多台性能优良的中央计算机和若干专用子系统计算机组成的体系结构，称为航空电子系统，航空电子系统的中央计算机功能是帮助完成飞机作战任务的计算和计算机对各子系统的管理和控制，完成对各分系统数据和信号的处理。在这个航空电子系统中，各子系统的独立性很强，通过各子系统的结合来帮助完成最终的航空飞天任务。联合式系统结构拥有很多相对独立的子系统，互相间的作用较小，耦合程度也相对较低，所发生的故障在子系统之间的传播可能性也很小。在每个子系统中，及时同时拥有多个不同安全级别的问题，各个子系统中也是按照最高级别来进行安全性的解决。各分系统间的调动比较独立，实时性会比较容易实现。联合式航电系统结构缺点就是共享程度极低，并且每个功能都有属于自己的系统，这会导致以后的成本上升。随着功能的增加，采购、空间、动力、重量、制冷/安装和维护的成本将随之变高，因此飞机将无法承受负担。

3.2 IMA

IMA计算机平台是由实时的计算机网络组成的，它是由多个计算模块组成的，它是可以维护各种应用的安全级别，在这个平台上，所有的资源都是共享的，应用软件之间也是分开隔离的，由ABINC653制定的各标准进行划分。IMA结构最为显著的特点为利用高性能的处理器以及高速的网络来为航空电子系统提供通信以及计算。机载传感器通过进行采集消息后通过网络来传送给处理器来进行处理，每个系统之间的指令都利用高速网络来进行传输，实现了计算机共享资源。这样的结构不仅充分的利用了资源，高速工作效率也会使其避免出现故障，提供了可靠性和安全性，系统的整体可用性也得到了升华。

3.3 DIMA

IMA目前正在把DIMA系统发展，从核心集中式处理变为分布式处理。此转型是通过最初的核心系统结构采用网络互换和分区运营连接各种的计算机资源，完成广泛的的资源和整合，进一步为航电系统的信息功能进行了完善，功能性得到了大幅度的提升，DIMA是物理上分布、功能上概括的IMA结构，它具有组合结构和IMA结构的共同优点，把综合模块进行物理分布，充分利用了自然故障壁垒以及物理上位置可以选择的好处。