張喜民，徐 奡

(中國航空工業(yè)計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

0 引言

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的航空電子系統(tǒng)發(fā)生根本性的變化，綜合化模塊化的航空電子系統(tǒng)被廣泛采用。先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能和功能綜合的更高要求，促使飛機(jī)飛行平臺(tái)概念的建立，從以往單一的飛行控制系統(tǒng)發(fā)展成為集飛行控制、推力控制、公共設(shè)備管理(Utilities and Subsystem Management)等功能為一體的飛機(jī)飛行平臺(tái)控制、監(jiān)測(cè)、配置系統(tǒng)［1］，最終形成了綜合飛行器管理系統(tǒng)(Integrated Vehicle Management System，IVMS)［2－5］。先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)采用IVMS提高了飛機(jī)的性能、可靠性、維修性，減輕了飛行員操縱負(fù)擔(dān)，減小了系統(tǒng)的重量、體積，布線的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用［6］。

IVMS是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)先進(jìn)性的重要表現(xiàn)，目前，美國和歐洲的IVMS的研制水平仍處于領(lǐng)先地位。為便于借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)美國研制的F－22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)、歐洲聯(lián)合設(shè)計(jì)的EF－2000“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)和美國主導(dǎo)設(shè)計(jì)的F－35“閃電Ⅱ”戰(zhàn)斗機(jī)的IVMS進(jìn)行了綜述，對(duì)新一代綜合飛行器管理系統(tǒng)發(fā)展提出了建議。

1 F－22的綜合飛行器管理系統(tǒng)

F－22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)(簡稱 F－22)是20世紀(jì)80年代美空軍先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)(ATF)設(shè)計(jì)計(jì)劃中YF－22和 YF－23競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)物［3］，1990年，洛克希德·馬丁公司的YF－22驗(yàn)證機(jī)方案獲勝，并開始進(jìn)入工程制造和研發(fā)階段，F(xiàn)－22于2005年開始正式裝備美空軍。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

F－22的IVMS由BAE公司提供，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，它由綜合飛行推進(jìn)控制(IFPC)系統(tǒng)和綜合飛行器子系統(tǒng)控制(IVSC)系統(tǒng)構(gòu)成［7］，系統(tǒng)采用同步工作方式。

圖1 F－22IVMS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 F-22IVMS system architecture

IFPC系統(tǒng)主要完成飛行控制和推力控制功能;IVSC系統(tǒng)主要完成對(duì)輔助動(dòng)力、供電、環(huán)境控制、燃油管理、液壓監(jiān)控等子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理。IFPC系統(tǒng)是三余度無硬件或軟件備份系統(tǒng)［3］，推力控制為雙－雙余度配置。IVSC系統(tǒng)采用雙余度配置。

1.2 計(jì)算機(jī)

F－22的IVMS的核心是計(jì)算機(jī)機(jī)架，其內(nèi)部組成如圖2所示。

圖2 F－22IVMC機(jī)架組成Fig.2 F-22IVMC common module rack

IVMS計(jì)算機(jī)機(jī)架內(nèi)包含2塊電源模塊(PS)，2塊處理器、接口控制器以及通信模塊(PICC)，1塊模擬/離散量輸入/輸出模塊(ADIO)，6塊作動(dòng)器接口模塊(AIM)。PICC和PS模塊為通用模塊，ADIO和AIM是飛行控制專用模塊。

PS模塊將輸入的28 V直流轉(zhuǎn)換為+15 V、+5 V、+2.2 V［2］電壓輸出，給機(jī)架內(nèi)各模塊和背板供電。PS模塊還具有過壓、欠壓、過流監(jiān)控和過壓、過流保護(hù)等功能電路。

PICC模塊采用軍用1750A處理器，工作頻率為20 MHz，處理能力約為2.0 MIPS，存儲(chǔ)器配置有256 k EEPROM和256 k SRAM，外部接口包括PI總線接口、MILSTD－1553B(簡稱1553B)總線接口、通道間數(shù)據(jù)鏈路(ICDL)、I/O總線，此外還具有12位A/D和D/A，看門狗定時(shí)器，測(cè)試接口、故障邏輯和溫度傳感器等功能電路。PICC1模塊完成外回路控制律計(jì)算、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算、輸入余度管理和與IVSC的接口等功能。

PICC2模塊完成作動(dòng)器監(jiān)控、輸出監(jiān)控、輸出余度管理、機(jī)內(nèi)自測(cè)試(BIT)和與航電系統(tǒng)接口等功能。擔(dān)當(dāng)飛行數(shù)據(jù)記錄功能的FDR PICC模塊實(shí)現(xiàn)與IVSC系統(tǒng)的通信。

ADIO模塊實(shí)現(xiàn)10路差分形式交流模擬量采集、6路差分直流模擬量采集、6路地/開離散量采集功能。飛行器姿態(tài)和飛行員指令信號(hào)通過硬連線接入ADIO。ADIO模塊采集數(shù)據(jù)通過I/O總線傳送給PICC1模塊。

AIM模塊提供1路直接驅(qū)動(dòng)閥(DDV)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出、2路電液驅(qū)動(dòng)閥(EHV)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出和8路備用離散量輸入，作動(dòng)器通過電纜與AIM連接。AIM模塊實(shí)現(xiàn)控制模態(tài)轉(zhuǎn)換、閉環(huán)反饋、DDV和EHV舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置和壓力信號(hào)采集等功能。AIM模塊通過I/O總線接收由PICC2發(fā)出的作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)指令。

1.3 總線與接口

IFPC系統(tǒng)總線采用3條1553B總線，大氣數(shù)據(jù)傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器以及PICC1模塊通過該總線互連互通。

IVSC系統(tǒng)總線采用兩條1553B總線，與該總線相連的有以下子系統(tǒng):輔助動(dòng)力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)和FDR PICC模塊。FDR PICC模塊通過IVSC總線實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分公共設(shè)備子系統(tǒng)(Utility Subsystems)的監(jiān)測(cè)和管理。

2 EF－2000的綜合飛行器管理系統(tǒng)

EF－2000“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)(簡稱 EF－2000)源于1985年德、英、法等國共同提出的歐洲戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃(EAP)，EAP首次提出并驗(yàn)證公共設(shè)備管理系統(tǒng)的概念［8－9］。1994年，對(duì) EAP 簡化后設(shè)計(jì)的 EF －2000 首飛，目前已有少量的EF－2000裝備部隊(duì)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

EF－2000的IVMS由EDAS公司提供，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示［9］。系統(tǒng)由數(shù)字飛行控制系統(tǒng)(FCS)和公共設(shè)備管理系統(tǒng)(UMS)構(gòu)成，系統(tǒng)也采用同步工作方式。IVMS通過飛控計(jì)算機(jī)的航電系統(tǒng)總線終端接口實(shí)現(xiàn)與航電系統(tǒng)的信息交換。

圖3 EF－2000的IVMS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 EF-2000 IVMS system architecture

FCS采用四余度配置，主要完成飛行控制和發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能;UMS采用雙余度配置，主要完成對(duì)以下公共設(shè)備子系統(tǒng)的控制和管理。FCS和UMS間通過飛控計(jì)算機(jī)的UMS總線終端接口實(shí)現(xiàn)信息的交互。

2.2 計(jì)算機(jī)

EF－2000的飛行控制計(jì)算機(jī)(FCC)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，F(xiàn)CC由5個(gè)模塊構(gòu)成，分別是電源模塊、處理器模塊、通信接口模塊、I/O模塊和作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊。

圖4 EF－2000的FCC結(jié)構(gòu)Fig.4 EF-2000 FCC architecture

電源模塊將外部輸入的28 V直流電源轉(zhuǎn)化為兩路電源輸出，一路給FCC內(nèi)各模塊供電;另一路輸出到外部，給桿傳感器和接口控制組件(SSICA)、慣性測(cè)量單元(IMU)、大氣數(shù)據(jù)傳感器組件(ADT)等供電。

處理器模塊內(nèi)包括4個(gè)MC68882處理器，工作頻率為20 MHz，它們分別是:I/O微處理器、控制律計(jì)算微處理器、大氣數(shù)據(jù)微處理器和作動(dòng)器微處理器。處理器模塊的存貯器容量大于733 kBytes。處理器模塊主要完成輸入采集、大氣數(shù)據(jù)解算、控制率解算、作動(dòng)器閉環(huán)數(shù)字控制和系統(tǒng)管理，如:同步、余度管理、BIT等功能。

通信接口模塊包括FCS系統(tǒng)總線控制器、航電系統(tǒng)總線終端接口、UMS總線終端接口和交叉通道間數(shù)據(jù)鏈路(CCDL)通信部分，通信接口模塊負(fù)責(zé)FCC間和FCC同外部單元間的數(shù)字通信。

I/O模塊包括模擬量輸入、外部離散量接口、I/O Sequencer等部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入FCC的模擬量、離散量信號(hào)的調(diào)理。

作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊包括模擬量輸出(DDV舵機(jī)、EHSV舵機(jī)等)功能電路和離散量輸出，負(fù)責(zé)執(zhí)行作動(dòng)器微處理器的作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)各活動(dòng)舵面的控制。

EF－2000的UMS主要由4臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，燃油計(jì)算機(jī)和第二動(dòng)力(SPS)計(jì)算機(jī)采用雙余度配置，每臺(tái)計(jì)算機(jī)包括電源模塊、處理器模塊和功能接口模塊。EF－2000的UMS替代了原來傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用的20～25個(gè)專用控制器和6個(gè)電源轉(zhuǎn)換繼電器單元。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)新的特性有:發(fā)動(dòng)機(jī)控制和顯示;燃油管理和燃油測(cè)定顯示;液壓系統(tǒng)的控制和顯示、起落架的顯示、監(jiān)測(cè)剎車裝置;環(huán)境控制系統(tǒng)、艙內(nèi)溫度控制和后來的機(jī)載氧氣產(chǎn)生系統(tǒng);二次能源系統(tǒng);液氧部分、供電和電池監(jiān)測(cè)、探針加熱、緊急能源單元。

2.3 總線與接口

FCS總線采用四余度1553B總線，IMU、ADT、SSICA作為終端接入飛行控制總線;左、右全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(FADEC)也分別與四余度飛行控制總線中的兩條總線互連。

UMS總線采用雙余度1553B總線，與該總線相連通信的有以下子系統(tǒng):輔助動(dòng)力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、生命保障和逃生系統(tǒng)以及FCC。

3 F－35的綜合飛行器管理系統(tǒng)

F－35“閃電Ⅱ”戰(zhàn)斗機(jī)(簡稱F－35)源于1996年美國防部提出的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)計(jì)劃［10］，2001年洛克希德·馬丁公司的X－35驗(yàn)證機(jī)方案戰(zhàn)勝了波音公司的X－32方案，同時(shí)被正式命名為F－35。F－35的研制采用以美國為主導(dǎo)的多國合作的模式，主要參與國家有英國、意大利、加拿大、土耳其、澳大利亞等，目前F－35正處于定型試飛驗(yàn)證階段。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

F－35的IVMS也由BAE公司提供，是全網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)類似圖 5 所示［11－13］。F－35的IVMS主要包括飛行器管理計(jì)算機(jī)(VMC)、IEEE 1394B(簡稱1394B)通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程輸入/輸出(RIO)單元。

圖5 F－35 IVMS類似架構(gòu)Fig.5 F-35 IVMS similar system architecture

F－35的IVMS采用三余度配置，系統(tǒng)內(nèi)有3臺(tái)VMC，3臺(tái)VMC同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，隨時(shí)比較各通道的結(jié)果以保證數(shù)據(jù)的完整性，若計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)出現(xiàn)分歧，通過表決確定“正確”數(shù)據(jù)“并發(fā)出提示信號(hào)，如果一個(gè)甚至兩個(gè)VMC損壞或故障，系統(tǒng)還能繼續(xù)正常工作［11］。系統(tǒng)中每臺(tái)VMC都作1394B總線的主控制器(CC);所有的1394B總線配置為環(huán)路用以提供冗余，一條電纜失效，總線通信仍能保證。

3.2 計(jì)算機(jī)

F－35的VMC外形略小于鞋盒的大小，內(nèi)部構(gòu)成如圖6所示［7］，每臺(tái)VMC內(nèi)包含處理模塊、I/O接口卡和電源模塊等。

圖6 F－35 VMC構(gòu)成Fig.6 Composition of the F-35 VMC

I/O接口卡和電源模塊將外部輸入28 V直流電源轉(zhuǎn)化為+5 V電源給VMC內(nèi)部各電路供電，此模塊上的I/O接口卡部分包含多路1394B總線接口，1394B總線接口分為兩種:一種用于VMC間的CCDL通信;另一種負(fù)責(zé)VMC同外部RIO設(shè)備間的通信。

處理模塊包含兩個(gè)PowerPC處理器［10］，工作頻率大于400 MHz，處理能力大于900 MIPS，單個(gè)處理器的性能是前一代系統(tǒng)的10倍以上［14］。處理器模塊主要完成飛行控制和公共設(shè)備(如:燃油、供電、液壓系統(tǒng)控制)管理功能的解算和系統(tǒng)管理功能(包括同步、余度管理、BIT等)。

3.3 總線與接口

F－35的IVMS系統(tǒng)總線采用符合AS5643規(guī)范的軍用版本的1394B總線［13］，系統(tǒng)總線數(shù)量約9條左右［12－13，15］，通信速率均采用 400 Mbps。所有部件間的通信都通過該總線完成。AS5643規(guī)范對(duì)1394B總線的通信時(shí)延、數(shù)據(jù)格式、節(jié)點(diǎn)配置都進(jìn)行了較嚴(yán)格的限制［8］，AS5643/1對(duì)總線物理層的銅介質(zhì)電纜重新定義［11］，可保證在擴(kuò)展長度嚴(yán)酷的溫度、振動(dòng)環(huán)境下正常通信。IVMS的系統(tǒng)總線還提供軟件下載功能。

F－35的IVMS系統(tǒng)總線連接超過70個(gè)RIO單元，RIO單元采集成百個(gè)模擬和離散量信號(hào)，將這些數(shù)據(jù)處理后，通過1394B總線傳送給VMC，RIO單元同時(shí)接收和執(zhí)行VMC發(fā)布的控制命令。RIO單元主要提供下列服務(wù)。1)飛控功能數(shù)據(jù)輸入/輸出:有10個(gè)RIO，主要為方向舵、襟副翼、水平尾翼、副翼、大氣數(shù)據(jù)傳感器、慣性傳感器等的接口電子模塊。2)機(jī)電管理功能數(shù)據(jù)輸入/輸出:主要為武器艙門驅(qū)動(dòng)器、供電系統(tǒng)控制器、剎車控制器、動(dòng)力溫度管理系統(tǒng)控制器(Power Thermal Management System Controllers)等。3)推力管理功能數(shù)據(jù)輸入/輸出:包括發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC和預(yù)兆健康管理(Prognostics Health Area Managers)。4)任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入/輸出:包括備用顯示器、顯示管理計(jì)算機(jī)、頭盔顯示管理計(jì)算機(jī)、綜合核心處理器、照明控制器、CNI和全球定位系統(tǒng)(GPS)等。5)飛行測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)輸入/輸出。

4 比較與分析

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)飛機(jī)操作性能、作戰(zhàn)性能和綜合保障能力提出了新的要求，IVMS將同任務(wù)系統(tǒng)和故障診斷與健康監(jiān)控系統(tǒng)成為戰(zhàn)斗機(jī)先進(jìn)性的重要表現(xiàn)。表1是F－22、EF－2000、F－35這幾種不同時(shí)期先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的IVMS的計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)架構(gòu)、容錯(cuò)配置、總線和功能綜合等特性的比較。

表1 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)IVMS特性比較Table 1 Advance fighter IVMS characteristic comparison

從表1可以看出:隨著時(shí)代的向前發(fā)展、更高性能的微處理器的出現(xiàn)，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)IVMS的綜合化水平不斷得到提高。20世紀(jì)80年代美國最早提出了飛行器管理的概念，在ATF計(jì)劃的推動(dòng)下，最終在F－22上通過機(jī)架式綜合的方式實(shí)現(xiàn)了飛行控制和推力控制的功能綜合，但系統(tǒng)綜合程度有限，而且主要采用軍用技術(shù)，成本很高。歐洲在20世紀(jì)80年代中后期研制的EF－2000的IVMS開始采用分布式結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了飛行控制和推力控制功能的綜合，而且實(shí)現(xiàn)了公共設(shè)備管理系統(tǒng)內(nèi)部功能的優(yōu)化和綜合，分系統(tǒng)內(nèi)部通過物理綜合，較大幅度地減小了體積、重量和功耗，系統(tǒng)開始部分采用商用技術(shù)以降低成本。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于嵌入式計(jì)算機(jī)性能的快速提高、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展、高速數(shù)據(jù)總線的應(yīng)用，飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的綜合化水平發(fā)展到更高的層次，F(xiàn)－35的IVMS是當(dāng)今高度綜合化航空電子系統(tǒng)的代表，它用1394B總線作為系統(tǒng)的統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)，采用全網(wǎng)絡(luò)化的分布式開放系統(tǒng)架構(gòu)，廣泛應(yīng)用商用貨架產(chǎn)品(COTS)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛行控制功能、推力控制功能、公共設(shè)備管理的飛機(jī)飛行平臺(tái)功能的大綜合，在性能、體積、重量、全壽命周期費(fèi)用等方面得到大幅度提升。

通過以上比較分析，可得出:隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，處理器性能有了顯著提高，新一代戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)將以前相互分離的飛行控制、推力控制和公共設(shè)備管理等獨(dú)立的系統(tǒng)綜合成飛機(jī)飛行平臺(tái)管理系統(tǒng)－IVMS，新一代戰(zhàn)斗機(jī)的IVMS將采用全網(wǎng)絡(luò)化分布式開放系統(tǒng)架構(gòu)，廣泛采用COTS組件，通過使用符合ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)和DO－178B規(guī)范的安全實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在魯棒的時(shí)間、空間分區(qū)保護(hù)機(jī)制下，實(shí)現(xiàn)不同安全級(jí)別功能在單處理器模塊上的綜合，在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)功能的多余度配置和故障自動(dòng)重構(gòu)，系統(tǒng)的資源利用率、可靠性、生存性得到大幅度提高，系統(tǒng)的體積、重量、功耗、布線復(fù)雜度和全壽命周期費(fèi)用得到大幅度的降低。

5 結(jié)論

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)飛機(jī)操作性能、作戰(zhàn)性能和綜合保障能力提出了更高要求，IVMS、任務(wù)系統(tǒng)、故障診斷與健康監(jiān)控系統(tǒng)將是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)先進(jìn)性的重要表現(xiàn)。高度的功能綜合、網(wǎng)絡(luò)化、分布式開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，高速數(shù)據(jù)總線，高安全實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)、COTS的廣泛使用是新一代IVMS發(fā)展的顯著特征。

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