大中型飞机分布式通信导航监视系统架构设计*

杨 斌，雷国志

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

机载通信导航监视(Communication,Navigation and Surveillance，CNS)系统是利用无线电技术为大中型飞机提供航行安全支持的重要机载系统，通常包含陆空通信、航路引导和航行监视等功能。因无线电通信导航监视功能有着相似的技术体制架构和相通的业务模型，机载CNS系统经常作为一个整体进行综合设计[1]。随着军民航航行体系的发展和无线电技术的进步，CNS系统架构先后经历分离式、联合式、集中式几个阶段[2]。

随着航空运输总量的持续增长，为支持不断发展的运输需求，2012年国际民航组织推出了一个为期15年的《全球空中航行计划》和航空系统组块升级技术[3]，规划了机载CNS系统的长期目标；另一方面，军航C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance)体系对机载CNS系统的新功能快速插入能力提出了更高的要求。当前广泛应用系统架构中，集中式系统架构面临适航支撑能力弱、系统体积重量功耗(Size Weight and Power，SWaP)收益不高的问题，联合式系统架构则面临适应新功能插入的能力不强的问题，都无法满足军民航发展需求。

目前航电系统架构领域都是围绕各自的问题域开展研究工作。如综合模块化航空电子架构[4]以背板总线、软件架构和网络传输模型为基础，解决了航空计算机领域适航性和开发性问题，并不适合高带宽、低延时、逻辑简单但算法复杂的无线电领域。而在机载无线电领域采用模块化高度综合技术通过公用和共用资源的方式，在少量硬件模块上集成多个无线电功能的方式，提高产品的体积、重量、功耗和全生命周期成本效益[5]，但因其逻辑功能与物理组成完全解耦，各功能间的独立性无法单独证明，故常应用于战斗机机载系统，并不适用于有适航要求大中型飞机。

为此，本文提出了一种适用于无线电领域并同时具备开放性和适航性的系统架构，使机载CNS系统适应未来民航航行体系和军航C4ISR体系的发展需求。

1 需求分析

1.1 CNS系统架构发展趋势

机载CNS系统随着新技术和新管理方式出现而不断演进，应用场景作为外因牵引着CNS系统的发展方向，技术产业作为内因影响的CNS系统的设计方向。图1展示了机载CNS系统在外因和内因共同作用下由简单到复杂的变化过程，各阶段CNS系统架构都与其应用背景和技术背景紧密相关[6-7]。

图1 机载CNS系统发展路线图

通过对比分析可以看出CNS系统架构在历经分离式、联合式、集中式体系架构后正在向分布式架构变迁。分布式CNS系统架构具备如下特征：

(1)架构具备开放性，应能适应航空运输体系和C4ISR体系的快速升级，通过软硬件组件的快速变更和插入，减少产品全生命周期成本；

(2)产品具备适航性，具备适航性即是运输类飞机要求，也是确保大中型飞机安全性和可靠性的有效手段；

(3)演进具备稳定性，技术架构应能兼容当前的产业体系发展方向，系统架构的在一段时间内保持稳定。

1.2 系统架构对比分析

随着电子技术的快速发展，电子系统的综合程度越来越高，系统结构越来越复杂。通过开放式体系架构满足系统结构升级和功能扩展的需要，是解决系统升级扩展、新技术插入、元器件停产、经济可承受性等问题的有效方法[8]。

目前航空电子领域的系统架构的需求来源有两类:一类基于防务系统如HOST、FACE、SOSA、JCA等注重开放性以期在快速对抗过程中获得时间优势；另一类基于民航系统如ARINC651、ARINC678等注重适航性以期获得在高安全性领域的应用。系统架构一般从航电系统功能、应用软件模块、计算环境、数据接口、硬件模块和物理接口进行定义，从图 2可看出不同系统架构因其不同应用领域而有不同的适用范围。表1进一步从开发目标、发起者、应用领域、产品领域等维度对6种架构进行了对比分析。

图2 6种系统架构特征比较

表1 6种系统架构应用对比

通过分析可以看出：

(1) 硬件开放系统技术(Hybrid Open Systems Technology,HOST)是NAVAIR针对航电领域中嵌入式计算机硬件提出的可重用架构，架构由顶层框架、工业标准和推荐设计三层组成，可作为其他架构的基础组件[9]；

(2)未来机载能力环境( Future Airborne Capability Environment,FACE)是NAVAIR为解决航空电子系统软件跨平台移植性和复用性问题提出的可重用框架，采用了分段设计的理念，针对航空电子系统实时性和嵌入式的特点，将航空电子系统中可变元素抽离，并在段与段之间定义了标准化接口，提供段之间的通信和数据传输[10]；

(3)传感器开放系统架构(Sensor Open Systems Architecture,SOSA)是NAVAIR为跨军种和平台环境的各种C4ISR平台开发的系列模块化开放系统架构，通过定义软件接口、硬件接口和封装标准标准以支持实时、任务和安全系统，可以与FACE实现无缝衔接[11]；

(4) 联合通用架构(Joint Common Architecture,JCA)是AMRDEC针对飞机任务计算中的可复用软件组件开发的一种概念框架，通过数据权限、平台抽象、语义精度和功能分配的结合，规划硬件和软件在未来垂直起降系统簇中的复用性，从而满足作战飞机的经济可承受性，支持与FACE进行互换和互操作[12]；

(5)综合模块化航空电子设计指南(ARINC651)是AEEC基于含操作系统的计算机系统提出的涵盖操作对象、容错、软硬件接口和认证要求的架构，其认证支持可按照DO-297实施[13]，主要的产品应用都集中在航电计算机领域[14]；

(6)分布式无线电架构指南(ARINC678)是AEEC基于飞机无线电收发系统提出的涵盖系统功能、安装、维护、软硬件模块定义和认证要求的架构，其认证支持可按照DO-297实施，将成为航空无线电领域的实施指南[15]。

对比分析发现6种系统架构有着不同的适用场景和应用范围，架构相互之间也具备兼容性和互补性。因此分布式CNS系统架构可以HOST、FACE、SOSA和JCA等架构为基础开展开放性设计，以ARINC651和ARINC678为基础开展适航性设计。

2 CNS系统架构设计

基于前面的分析下面从分布式CNS系统的顶层架构、主要技术路径选择、系统工程方法、产业分工模式等维度开展架构设计。

2.1 顶层架构

结构决定功能是系统科学的基本观点[16]。系统架构设计的主要目标是系统功能的划分、功能到实体的映射、实体间的交互以及功能实体的实现。分布式CNS系统架构由功能架构、资源管理、适航支持三部分组成。

(1)以ARINC678为基础完成CNS系统功能定义、功能到实体的分配，将收发机内部进行数字分割，形成天线、靠近天线部署的射频前端和部署在机架的信号处理后端三层功能架构，详见图3。

图3 分布式CNS系统架构——功能架构图

功能架构图中AMP(Amplification)实现发射信号功率放大、接收低噪声信号放大和天线接口保护和匹配；ASP(Analogue Signal Processing)完成射频信号的变频、滤波、自动增益控制等功能预处理，以及模拟域的加解密处理；DSP(Digital Signal Processing)通过AD/DA完成射频信号模拟域和数字域的转换，数字域的滤波和重采样，数字域加解密处理；F/NP(Line/Network Protocols)通过信号的调制/解调实现预期的无线电功能；RIM(Radio Integration Management) 通过无线电综合管理技术完成内部分布式资源的管理、功能任务的协同、信息融合和AI处理，并为航电系统提供统一访问接口。

(2)选取SOSA架构中资源管理架构，通过软件、硬件、计算、服务等资源标准化定义，构建模块、系统、任务管理框架，最大可能采用商用货架(Commercial Off-the-Shelf,COST)产品以减少产品全生命周期成本，详见图4。

图4 分布式CNS系统架构——资源管理图

(3)从适航性维度构建系统工程实施方法，以MBSE(Model-Based Systems Engineering)为核心，综合安全性设计ARP4761、系统设计ARP4754、软件设计DO-178、硬件设计DO-254等技术，形成分布式CNS系统适航支持流程，详见图5。

图5 分布式CNS系统架构——适航支持图

2.2 关键技术及实施途径

2.2.1 分布式部署

机载无线电设备由天线、信号接收和收发装置、计算机系统和人机交互装置组成。一般人机交互装置部署在驾驶舱，信号接收和发射装置以及计算机系统部署在设备舱，而天线部署在飞机蒙皮外成为飞机机壳的一部分。在空间上构成了形成了天线、现场可更换单元(Line Replaceable Unit,LRU)、人机交换面板的网络拓扑G=〈E,V〉，其中E为天线/LRU/面板等机载设备，V为连接设备的互联电缆，系统的收益F(G)=∑F(E)+∑F(V)，其中F={功能，性能，体积，重量，功耗，…}。提高系统收益可通过提升机载成品和机载电缆两种方式：当飞机尺寸小时，提升电缆∑F(V)的收益不明显，可以通过资源综合等技术提升机载设备收益[17]；当飞机尺寸大时，应重点提升电缆∑F(V)的收益。

图6(a)和(b)分别为联合式和分布式架构下CNS系统成品在机上的布置，可以看出天线的最优位置由飞机外形决定，人机面板的最优位置由机组工作站位决定。这个网络拓扑中天线布局与飞机外形紧密相关且最优位置固定后很难改变，人机交互面板与驾驶员人机操作相关因此位置基本不变，因此机载设备位置和互联电缆特性将成为提升系统收益的关键。表2为机上信号交联主要采用的互联电缆特征。

(a)联合式互联拓扑图

表2 机上3种常见电缆特性对比

从图6可以看出射频电缆过长是当前CNS系统架构的主要问题，而采用同轴电缆的射频电缆也是导致系统电缆重量重、抗干扰能力不强的原因。采用分布式架构通过数字分割技术将原先通过单一收发机实现的功能拆分成两部分，其中远端无线电单元(Remote Radio Unit，RRU)靠近天线布置，中央处理单元(Radio Center Unit，RCU)安装于设备柜，RRU通过数字光纤与RCU相连接，可以大幅减少系统重量，提升抗干扰能力。

2.2.2 远端无线电单元设计

通过上一节分析可知，高可靠、小型化是远端无线电单元(RRU)设计的核心需求，可以从功能简化、封装设计和RRU的射频架构设计等角度开展设计。

(1)简化设计

由于AMP可以由有源天线实现，F/NP可以部署在RCU中，那么尽可能将功能/网络协议处理部分和功率放大部分从RRU设备中移除是简化RRU功能主要方式，同时通过单一RRU承载多天线功能的方式等效减少电路规模以提高RRU的可靠性。

(2)封装设计

分布式CNS系统的一个主要特征是靠近天线布置远端无线电单元设备如图 7所示。拱顶区域空间狭小，自然环境恶劣，设备维护不方便，与设备舱内的传统航空电子设备相比，这一区域设备的包装和安装要求更为苛刻，设备需权衡体积、结构安装性能、热性能、电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)以及安装维护因素。通过对比ARINC600的封装标准[18]和ARINC836A封装标准[19]可知，后者可以作为分布式CNS系统中远端无线电单元的封装标准。

图7 远端无线电单元RRU的安装部署示意图

(3)射频架构选择

射频架构选择时除SWaP因素外应重点考虑因素还包括频率范围(工作频率范围、瞬时带宽)、接收机灵敏度(噪声系数、检测信噪比)、带内干扰抑制能力(双/多音动态、交调抑制、邻道抑制)和带外干扰抑制能力(输入电平范围、同时收发隔离度、降灵要求)。通过对比超外差、零中频、射频直采三种当前已有工业实践的无线电架构可以看出，三种架构都能满足CNS系统的频率范围为2 MHz～5 GHz，通过合理的设计系统噪声系数也能满足系统需求。为进一步对比CNS系统功能的符合性，表3选取抗干扰能力和瞬时动态两类指标进行对比，可以发现超外差架构和零中频架构能够满足CNS系统功能需求，而射频直采不能满足VHF等功能需求。

表3 三种无线电架构典型CNS功能符合性表

2.2.3 无线电综合管理

无线电综合管理主要包括三方面内容：资源管理，实现电源、时钟源、频率源、加解密资源、信号处理资源、信道处理资源等资源的统一管理；任务管理，实现单天线多功能承载任务、单功能多天线协同任务、多功能多域协同任务、系统健康状态监控等功能任务的集中管理；系统管理，实现多链路信息处理、传感器数据融合、音频交换等系统综合功能的管理。

无线电任务管理需要在信号处理层面实现协同，这对数据处理的带宽、时延、抖动都有严格的要求，需要中央无线电单元按照实时性要求以数据最短路径进行处理。下面以天线与功能的信号协同为例，阐述无线电任务管理必要性。

(1)多天线单功能场景

以空中交通管制(Air Traffic Controll,ATC)航管应答功能为例，为保证应答机天线对地面二次雷达询问信号的全空域接收，机载ATC功能一般配置上下两个L频段天线，通过双天线分集接收不仅有利于接收信号处理，也使发射时不会出现天线方向图的畸变[20]，这需要RCU对来自RRU采集的上下天线信号进行能量判决并选择合适的天线应答。

(2)单天线多功能场景

分布式CNS系统架构下，单天线承载多功能有两种实现方式的管理有两种方式：一种是通过单RRU实现多功能承载，此时RCU仅需功能参数进行管理即可；另一种是L频段天线同时承载数字航空通信功能(L-band Digital Aeronautical Communication System 1,L-DACS1)和无线电测距功能时[21]，由于测距仪信号频谱与宽带航空数据链频谱存在部分重叠，且测距仪以突发脉冲方式工作，因此不可避免出现测距仪发射的脉冲信号干扰宽带航空数据链接收机的问题，这需要RCU从时间、频率和能量三个维度对脉冲干扰进行精确抑制。

2.3 非功能产品符合性验证方法

CNS系统验证包括设备验证、系统验证和变更验证[22]。采用分布式CNS系统架构后，功能被分散在不同的LRU中，产生许多无法按照单一CTSO(Chinese Technical Standards Orders)功能进行符合性验证的非功能设备。将CNS系统作为单一实体，通过申明多CTSO功能，按照相应的工业标准进行符合性验证的方式技术上可行，但由于申明后的产品不再具有独立取证的优势，无法获得市场上的成功，这是射频集中式架构未被民航工业界采用的原因。为此，我们提出基于MBSE的系统工程采用形式化的方法建立CTSO功能与非功能产品(如RRU设备)间的映射，分离不同LRU设备(如RRU与RCU)之间的关联，使非功能设备能够单独表明符合性的方法。图8以支持VHF电台功能的RRU设备设计为例阐述了非功能设备(如RRU)的产品研制流程，具体如下：

图8 基于MBSE的系统的非功能产品研制流程

(1)将CTSO-C169功能需求和(飞机和CNS)系统需求作为研制RRU设备的需求；

(2)基于MBSE开展需求分析、功能分析、架构设计，形成可复用的VHF模型和需求库，以及传递给下层(如RRU设备)的形式化需求和逻辑ICD(Interface Control Document)[23]；

(3)RRU设备已上层形式化的需求和逻辑ICD按照DO-178C开展软件设计和DO-254开展硬件设计并完成产品加工制造。

当符合CTSO-169的VHF功能完成全部验证和合规审查后，说明VHF模型、RRU产品、RCU产品均已表明符合性。由于VHF模式本身已经通过形式化验证的方式表明了RRU与RCU无关，当RRU(或RCU)这类非功能产品进行符合性验证时，VHF模型与RCU(或RRU)产品数据可作为重用数据单独表明符合性。

2.4 产业分工模式

分布式CNS系统与其对应的产业链构成一个大型复杂体系，系统内不仅包含机载成品间的电子、电气、机械等技术接口，还包括产业链成员间的生产、交付、服务等管理接口，与产业链分工模型相匹配是机载系统架构具备长期演进特性的关键[24]。由于复杂体系具有动态性，时刻处于生长演化之中，而电子产业链为提升创新能力，正在围绕产业链部署创新链，以创新链布局产业链[25]，因此分布式CNS系统的产业分工也应与这种趋势相匹配。

因为技术创新高度集中，创新态势具有幂律分布特征[26]，分布上具有离散特性[27]，所以分布式CNS系统相关创新技术集合S存在一组正交投影矩阵P=S(STS)-1ST，使得任意创新s∈S在STS的划分非0即1。图 9为一个包含16个技术创新点向创新链和产业链的一个正交投影，从图中可以看出产业链上RCU设计、系统设计、RRU设计的产业划分能使每个产品都独立包含创新点，产业成员能够依靠创新点完成产品革新；同时创新链上人工智能、微系统、新航行规则的创新划分使得每个项技术革新对产业链的影响仅集中在少量产品中。

图9 技术创新点在产业链和创新链上的映射

3 符合性评估

3.1 功能性能评估

在机载CNS系统设计过程中，与飞行器相关的需求(如装机适应性、环境适应性等)一般作为设计约束进行管理，系统的功能性能作为系统设计输入进行管理，是任何架构都必须满足的，无法作为架构是否优秀的评判标准，因此选择与系统架构紧密相关的安全性、可靠性、适航性和体系接入能力开展分析评估。通过对联合式、集中式和分布式三种CNS系统架构的对比分析可知，分布式架构在安全性适航性和体系接入能力与联合式相当，优于集中式系统架构[28-29]。

3.2 装机特性评估

综合选取AG600和某运输机两型机CN系统中相同功能产品，分别采用联合式、集中式和分布式架构进行设计，从体积、重量、功耗(SWaP)三个维度进行对比，结果如表4所示。其中，电缆质量参考AG600飞机尺寸进行评估，而分布式架构尚无公开数据，故选择将集中式架构组成部件按照分布式架构重新设计后的预计值。

表4 三种架构SWaP对比[29-30]

从表4中可以看出，分布式架构与联合式相比，质量减轻40%(含电缆减轻49%)，体积减少42%，功耗降低44%；与集中式架构相比，质量减轻19%(含电缆减轻45%)，体积减少36%，功耗降低27%：整体上分布式架构的SWaP收益明显。

3.3 开放性评估

当飞机由于需求变更或增加新功能时需要从适航性、成本、周期进行评估，系统架构具备良好的开放性能够降低变更的成本，缩短变更的周期。表5对比了四种不同技术架构的CNS系统对于新功能的变更的实施方式，可以看出，分离式和联合式增加新功能的成本高和时间长，正逐渐被新一代的集中式架构取代。在集中式架构下通过构建一个综合管理资源环境，为功能线程提供统一的运行环境，使得新功能变更和增加不依赖与物理环境，极大地降低了变更成本和时间。但统一的资源管理架构也使得功能所需的软件硬件资源被紧耦合在单一LRU中，降低了系统的安全性和适航性，因此该架构主要应用于军机，民机仍然使用联合式架构。分布式架构一方面继承集中式架构的同时打破单一物理机架，将综合管理的内容由软件资源和硬件资源拓展到空间位置；另一方面将资源管理由运行时动态分配过程修改为设计时系统资源最优求解过程，提升系统架构对安全性和适航性支撑能力。

表5 新功能影响分析表

4 结束语

本文提出的分布式CNS系统架构具有良好的适航性，能够满足军民航航行体系所需的功能性能需求，与联合式和集中式系统架构相比SWaP收益更高；具有良好的开放性，系统变更和新功能插入的影响范围最小，能够降低系统全生命周期成本。

面对来自军民航航行体系的发展需求、大中型飞机的装机需求以及电子行业发展带来的问题和挑战，可以通过微系统、零中频收发机等技术突破微小型化设计，通过基于MBSE的系统工程技术解决非功能产品符合性验证问题，通过围绕创新链部署产业链的方式确保产品长期演进，最终创建满足下一代大中型飞机需求的分布式CNS系统架构模型，为研制下一代CNS系统奠定基础。