基于某型高级教练机的数据加载记录设备设计

宋志宏

（海装西安局， 陕西 西安 710054）

0 引言

高级教练机一般用于高级训练阶段（AJT）和改装训练阶段（LIFT），飞行员经过高级教练机的培训和训练，目标做到能够驾驶同类型的各类型机型的目的， 是飞行员培养的重要工具。高级教练机每次执行任务前，都要预先向各机载电子设备中加载不同用途的数据信息（航路点、燃油、飞行训练、电子地图、IFF、威胁数据等），便于飞行训练人员执行相关的任务和操作，模拟相关实战场景；同时通过对记录的数据进行回放处理后， 便于飞行训练评估和检查， 指导飞行员对相关命令和操作执行， 规范训练，提高飞行技能。

某型高级教练机原配装了飞行数据卡、飞训数据卡、任务数据加载卡、音视频数据卡等多种用途的存储设备，空勤和地勤人员需按不同需求对不同的卡进行不同的处理或操作。

针对该型高级教练机平台， 为提高数据使用的便捷性、集成度，更好实现飞行、音频、SDI 总线视频、LVDS 总、ARINC818 总线等各类型数据的同步性，提出了集合多种类型数据加载、综合数据记录的设计方案和架构，并采用先进视频采集处理架构体系， 实现了SDI 总线、LVDS 总线和ARINC818 总线的多类型视频数据采集和H.265 高性能的视频编码处理， 完成了数据加载记录设备设计和关键技术的验证工作，能够满足高级教练机的使用需求，打造出了能够适用于高级教练机平台的通用型设备。

1 系统架构设计

1.1 任务数据加载架构设计

任务数据包含航路点、燃油、飞行训练、电子地图、IFF、威胁数据等各类型数据。 高级教练机飞行训练中，飞行员通过任务数据地面规划站获取任务数据， 然后在飞行训练起飞前， 将各训练任务相关参数加载到数据加载记录卡中，通过数据加载记录设备加载到任务处理机、导航系统、武器系统等各机载设备；在训练过程中，各系统依据装订的任务参数信息， 提醒和指导飞行员执行相关操作，起到“引导”和“指导”飞行员作用。

基于某型高级教练机的任务加载流程见图1。

图1 任务数据加载架构

任务数据加载过程共包含： 地面数据生成上传模式和全机数据分发模式。 各模式工作流程如下：

（1） 地面数据生成上传模式。 任务数据地面规划站按飞行任务要求完成航路点、飞行计划、飞行参数、燃油、威胁、IFF、 电子战、 电子地图等各类型任务数据的生成（依据训练任务），通过任务数据地面规划站上传至数据加载记录卡。 具备如下特点：①采用图形化界面，能够直观地对各类型参数实现设置，具有量程超限提醒、二维图形化显示（航路点、航线、空域等）、自动校验等功能；②具备多卡同步加载功能， 任务数据地面规划站能够自动识别多个（最多16 个）数据加载记录卡，实现任务编队的任务数据的同步加载，具有高效性；③具备任务编辑快捷功能，能够进行任务复制、删除、在线校验、一键加载等操作。

（2） 全机数据分发模式。 飞机上电后，数据加载记录设备能够从数据加载记录卡中自动获取各任务数据，按类型通过AFDX 总线加载到对应机载设备。

数据加载记录卡设计原理见图2。

图2 加载记录卡原理

数据加载记录卡采用SATA 控制器+NANDFLASH存储芯片阵列架构，具有体积小、 读写速度高等特点，主要由电源转换单元、热插拔识别控制单元、SATA 控制器和存储芯片阵列组成，其实现任务加载数据和记录数据的存储工作，实现数据交互和存储管理，是数据加载记录设备的核心。

1.2 综合数据记录架构设计

基于某型高级教练机实际需求， 数据加载记录设备需通过SDI 总线、LVDS 总线、ARINC818 总线、 千兆以太网总线、RS422 总线、离散量等接口，分别记录飞行数据、总线监控数据、音频数据、视频数据、触发信号数据、GPS时间数据等各类型信息， 并完成数据的统一打包处理和记录，综合数据记录架构设计见图3。

图3 综合数据记录架构

数据处理主要过程如下：

（1）飞行数据接收及处理。 通过以太网总线接收飞行数据，由SoC 处理器打包处理。

（2）总线监控数据接收及处理：通过AFDX 总线接收总线监控数据，由SoC处理器打包处理。

（3）音频数据接收及处理：通过平衡信号接收音频信号， 由海思音视频处理器进行采集编码压缩， 再由PCIe总线传输给SoC 进行打包处理。

（4）视频数据接收及处理：通过SDI 总线、LVDS 总线、ARINC818 总线接收视频信号， 经SoC 处理器完成解析后，由海思音视频处理器完成H.265 压缩，再转入SoC 处理器进行打包处理。

（5）时标处理：通过RS422 总线获取机上GPS 时间，并打包在各类型数据中作为同步时间回放基准源。

（6）数据记录：SoC 处理器将各类型数据统一打包通过NVMe 总线写入到大容量的数据加载记录器卡中。

1.3 主要硬件平台

数据加载记录设备主要选复旦微电子SoC 平台、华为海思的HI3531D 处理器和NVMe 总线接口的数据加载记录卡的硬件平台。 各硬件平台简介如下：

（1）复旦微电子SoC 平台。 该处理器内部分为ARM处理器（PS）和FPGA 逻辑（PL）两部分，其中，ARM 处理器（PS） 为四核处理器。 PS 外挂由2 片DDR3 组成的32 位1GB 内存、2 片QSPI FLASH 组成的32MB 配置FLASH、1片iNAND FLASH。 PS 部分完成以太网通讯、I2C 通讯、RS232 通讯，同时通过内部的AXI 接口与PL 通讯，主要完成外部接口信号的采集处理和总线通讯。

（2）华为海思的HI3531D 处理器。 是针对多路高清（1080p/720p）和多路标清（D1/960H）DVR 产品应用开发的一款专业芯片， 内置ARM A9 双核处理器和高性能的H.265 视频编解码引擎，集成了包含多项复杂图像处理算法的高性能视频/图像处理引擎，提供HDMI/VGA 高清显示输出能力，同时还集成了丰富的外围接口，主要完成音视频的解析和压缩。

（3）NVMe 总线接口的数据加载记录卡。其包括NVME控制器和SSD 存储阵列，能够向下兼容PCIE 3.0×4，PCIE 2.0×4，PCIE 1.0×4，同时支持PCIe×2，PCIe×1，具备S.M.A.R.T 和TRIM 功能，并采用了包括AES、国密标准SM2/3/4、SHA、RSA、ECC、CRC 和终端数据通路保护在内的多重数据加密和保护机制， 实现了最高级别的安全性能。 采用SOC 平台及国产天脉操作系统通过NVME 总线接口实现存储空间的线性存储管理。

1.4 操作系统平台

随着国内军工产业的发展和自主研发能力的增强，国内操作系统研发技术的发展以及国家和行业对基础技术的大力投入， 天脉实时操作系统是专为机载领域需求研发的操作系统， 自2002 年开始研发，2008 年操作系统得到总装独立软件型号立项，并于2014 年7 月通过航空军工产品定型委员会的设计定型， 目前已经在多个飞机系统的多类系统中得到广泛应用。天脉实时（ACoreOS）操作系统主要特点如下：①提供任务调度、任务通信、故障处理、设备管理等功能，任务可抢占，具备实时特征；②具备存储保护和资源确定性分配，保证资源可用性；③提供了文件系统、图形、网络协议栈等支持，组件可剪裁配置，支持多类第三方组件；④支持多种处理器平台，支持单核和部分处理器的多核能力（AMP），具有丰富的调试组件。

天脉实时系列操作系统主要实现总线通讯管理、采集/记录任务调度、数据打包、存储系统文件管理等工作。

1.5 多源多类型数据时间同步处理的系统架构

为达到各类型数据的时间同步， 数据加载记录设备采用典型的“软件授时、硬件同步”的机制。

数据同步记录流程见图4。

图4 数据同步记录流程

机载时间同步处理过程：所有数据源文件采用来自飞行参数采集设备的统一时间生成履历， 并将全机GPS 时间和相对时间信息置入自采集数据包中。

地面数据回放同步机制处理过程： 地面数据处理回放软件包含飞行数据回放模块、总线数据回放模块、 音频数据通道、 视频数据通道， 回放过程中， 根据需要选择相应数据类型，通过计算各通道数据记录的起止时间，选择记录时长最长的数据或通道作为基准通道， 其他模块或通道被动接收来自基准通道的时标，并定位自身的播放进度。非基准模块或通道定时获取基准通道的时标， 用于调整自身播放进度， 减少累积误差， 从而实现多源数据的同步回放，同时也支持随机播放。

具有特点：①实现多类型数据快速检索定位，飞行、音视频、总监控等多源数据同步播放；②软件界面根据用户需求可自由拖动组合， 实现多源数据集中在同一界面展示，也可单独显示，显示模式可任意定制切换。

1.6 文件系统设计

为了对满足数据的快速解码、易于分类检索管理、易于分区存储、高时间相关性要求，采用了通用性、扩展性、兼容性的一种文件组织方式。

文件系统架构： 将所有文件数据分成若干个文件子队列， 每个文件子队列包含一个文件头和若干不同类型的数据包，其中文件头包含文件头标志、文件类型、时间履历和配置信息；数据包中包含包头、包体、包校验，其中包头包含包同步字、类型标识、数据长度和一级时标，包体包含二级时标、包计数、故障字和数据。

2 产品特点

数据加载记录设备主要特点如下：①综合化程度高，实现集成多类型数据加载和综合记录功能， 实现了数据卡轻小型设计；②多源多类型时间同步，实现了来自不同设备的飞行、音视频等数据的同步处理；③完成了海量数据存储管理架构验证，实现了海量量数据卡快速检索、快速定位、配置信息自动化更新等存储架构设计和实现。

3 结束语

目前，各类型记录设备采用分布独立存储模式，即采集设备将采集的数据通过总线发送至记录设备，或直接通过目标源接收数据， 记录设备按照一定存储格式进行记录，并针对每型记录设备需单独开发软件。 为提高数据记录设备消除大量冗余的数据复制操作，减少了数据跨层转移的时延， 使系统能够腾出总线空间和CPU 周期用于改进应用系统性能，节省了大量的内存带宽，提高了CPU 处理器的利用率， 降低了时延， 推荐和建议后续采用基于RDMA 的云存储系统，充分体现机载云存储系统的“服务化”和“去中心化”特点，实现多类型数据的综合记录。

该型数据加载记录设备， 能够满足某型高级教练机的机上使用需求，实现了轻小型、高速加卸载、多路视频采集、时间同步处理、海量数据处理、新数据存储架构等关键技术的突破，具有体积小、性能稳定、记录时间长等特点， 相关技术要求能够覆盖目前高级教练机系列发展的需求。 同时提出了后续基于RDMA 的云存储系统建议，提高数据记录的实时和高效性。