中國航空工業(yè)第631所 李喬楊

1.引言

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)是一個由多個系統(tǒng)、多種環(huán)境、多項任務、多種資源構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)、相互支持、相互集成和相互制約的復雜系統(tǒng)，具有多目標、多信息、多專業(yè)、多任務、多功能、多資源和多過程支持的顯著特征。在這個前提下，如何滿足復雜系統(tǒng)功能、品質(zhì)、能力、成本等要素的綜合優(yōu)化需求，是新一代航空電子系統(tǒng)發(fā)展面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

航空電子系統(tǒng)在第三代戰(zhàn)機中基本使用聯(lián)合式架構(gòu)（又稱屬地管理架構(gòu)），在第四代戰(zhàn)機中又提出了航空電子系統(tǒng)的綜合化技術(shù)。航空電子系統(tǒng)綜合化技術(shù)就是針對復雜系統(tǒng)特征，根據(jù)系統(tǒng)目標、信息、任務、資源、過程特征和一體化思維，通過各自能力的權(quán)衡與系統(tǒng)能力組合，通過各自過程效率組織與系統(tǒng)效率集成，通過各自數(shù)據(jù)融合與系統(tǒng)信息效能合成，實現(xiàn)系統(tǒng)能力、功能、品質(zhì)、效率和成本最優(yōu)化的系統(tǒng)技術(shù)。

2.聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

2.1 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

第三代戰(zhàn)機的航空電子系統(tǒng)多使用聯(lián)合式構(gòu)架。在聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)中通信、導航、探測以及飛行控制系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)中的信息處理和操作均由各自的專用機載計算機完成，各子系統(tǒng)作為功能部件連接到機載多路數(shù)據(jù)傳輸總線（1553B）總線上。顯示和控制的信息通過數(shù)據(jù)總線與各子系統(tǒng)進行交換，所有信息由一個平視顯示器和若干個多功能顯示器顯示。飛行員通過座艙控制系統(tǒng)輸入控制信息。

2.2 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)存在的問題

航空電子系統(tǒng)各子系統(tǒng)內(nèi)部資源獨立配置，各系統(tǒng)獨立管理，各個系統(tǒng)使用通信總線進行交互。這樣的結(jié)構(gòu)造成了很多問題，具體如下：

1)系統(tǒng)中資源使用頻度不同，各部分資源分時使用以及各個系統(tǒng)之間的資源不能共享，造成了各系統(tǒng)中的資源多數(shù)時候被閑置，造成資源浪費。

2)任務構(gòu)成專門化。由于任務需求不同，各航空電子系統(tǒng)中的機載計算機多為專用定制設計，研發(fā)成本高，研制周期長。但是功能構(gòu)件不能通用或公用，而是只針對特定系統(tǒng)而設計使用。

3)子系統(tǒng)獨立構(gòu)成，存在大量的計算重復，各子系統(tǒng)之間計算結(jié)果（最終結(jié)果和中間結(jié)果）共享度較低。

4)系統(tǒng)組織固態(tài)化，任務、功能、狀態(tài)、資源構(gòu)成固態(tài)化，缺乏管理與調(diào)整空間。隨著系統(tǒng)規(guī)模以及復雜度的提高，故障、失效、異常等帶來的系統(tǒng)可靠性問題非常嚴重。

5)信息能力與處理模式固化，缺乏融合與固化的空間。

3.綜合化航空電子系統(tǒng)

系統(tǒng)綜合化技術(shù)不但解決了聯(lián)合式架構(gòu)中存在的問題，而且擁有以下三方面的優(yōu)勢：集成各子系統(tǒng)的優(yōu)點和能力、增強子系統(tǒng)之間的協(xié)同和支持、提升系統(tǒng)處理的品質(zhì)和效率。它是面向復雜系統(tǒng)組成與特征形成的系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。綜合化航空電子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

綜合化航空電子系統(tǒng)包括綜合化的射頻與傳感器單元以及綜合化的核心處理單元，其中綜合核心處理機具備數(shù)據(jù)、信號、圖形圖像視頻的綜合處理能力，綜合的飛機管理單元、任務管理單元，綜合顯示單元等等；由統(tǒng)一的高速航空電子網(wǎng)絡將各部分連接起來。這樣的結(jié)構(gòu)節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了處理能力，增加了系統(tǒng)可靠性，降低了研制成本和維護費用，射頻與光電孔徑綜合還提高了戰(zhàn)機的隱身能力。

4.綜合核心處理系統(tǒng)

在綜合化航空電子系統(tǒng)中綜合核心處理系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)綜合化技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)，也是航空電子系統(tǒng)任務和功能運營與管理的平臺。綜合核心處理系統(tǒng)是指：利用一套通用模塊（軟件和硬件），通過接口和外部非通用的傳感器前端、效應器、接口、顯控設備、應用軟件等組合，能夠被使用到任何一個航空電子系統(tǒng)上，滿足降低生命期成本，提高互用性等要求。綜合核心處理系統(tǒng)包含了飛行器最主要的處理功能，包括信號處理、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、海量存儲、通信網(wǎng)絡、電源供給等等。當前航空電子系統(tǒng)對綜合核心處理系統(tǒng)的性能要求越來越高。

在美國第四代戰(zhàn)機F35的航空電子系統(tǒng)中，其綜合核心處理單元總的數(shù)據(jù)處理速度為40.8DMIPS，信號處理速度為75.6G每秒浮點運算次數(shù)(FLOPS)。如此高的性能要求對于傳統(tǒng)的單機處理模式已經(jīng)無法完成，需要引入并行計算機技術(shù)來實現(xiàn)。

5.并行計算技術(shù)

當前并行計算技術(shù)中有多種體系結(jié)構(gòu)：對稱多處理機SMP、并行向量機PVP、大規(guī)模并行處理機MPP和集群Cluster等。

其中SMP系統(tǒng)與MPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，應用廣泛，相對于其他并行結(jié)構(gòu)更適合在機載環(huán)境下使用。SMP系統(tǒng)與MPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在航空電子處理方面有著各自的優(yōu)勢，也存在很多不足。

5.1 對稱多處理機SMP

SMP系統(tǒng)使用商業(yè)化微處理器（具有片上或外置高速緩存），它們經(jīng)由系統(tǒng)總線（或交叉開關(guān)）連向共享存儲器。這種結(jié)構(gòu)中，多個處理器運行同一個操作系統(tǒng)，并共享計算機上包括存儲器、系統(tǒng)總線在內(nèi)的一切資源。每個處理器通過系統(tǒng)總線平等地訪問共享存儲器、I/O設備和外部中斷。

圖1 綜合化航空電子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖2 大規(guī)模并行計算MPP結(jié)構(gòu)

對稱多處理系統(tǒng)技術(shù)成熟，實現(xiàn)起來比較容易，系統(tǒng)處理規(guī)模也比較適合當前航空電子系統(tǒng)的性能要求。但是SMP系統(tǒng)所有處理節(jié)點共享一套總線（或者交叉開關(guān)），由于這兩種網(wǎng)絡互連方式傳輸帶寬有限，當處理器數(shù)增多時，訪問貯存的沖突概率會加大。一般情況下系統(tǒng)的處理機數(shù)目限定在2-16個之間。這決定了SMP系統(tǒng)的處理能力無法滿足未來航空電子系統(tǒng)發(fā)展的要求。另外SMP結(jié)構(gòu)的擴展性能差，系統(tǒng)使用動態(tài)互連技術(shù)（總線或交叉網(wǎng)絡），在互連網(wǎng)絡中實現(xiàn)cache一致性等功能，整個系統(tǒng)一旦做成很難再擴展。SMP結(jié)構(gòu)中所有處理機共享一套總線設備、存儲器和操作系統(tǒng)，如果這些設備出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)可能崩潰，這對于可靠性要求極高的航空電子系統(tǒng)是無法接受的。對于SMP系統(tǒng)可靠性不高的問題，可以采用多級交叉網(wǎng)絡替換總線或者交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)，提高互連網(wǎng)絡的可靠性，同時多級交叉網(wǎng)絡還可以增加互連網(wǎng)絡的傳輸帶寬，增強系統(tǒng)的處理能力。而子系統(tǒng)多余度設計技術(shù)可以提高整個系統(tǒng)冗余度和可靠性，使其可靠性滿足航空電子系統(tǒng)要求。

5.2 大規(guī)模并行計算MPP

MPP指使用專有的非商品化的硬件和軟件，耦合緊密的分布存儲多計算機系統(tǒng)，系統(tǒng)中多個處理節(jié)點通過高帶寬低延遲互連網(wǎng)絡緊密連接，使用專用或非專用通信協(xié)議進行通信的定制網(wǎng)絡。系統(tǒng)中的互連網(wǎng)絡是與處理機的I/O相連，實現(xiàn)節(jié)點間的通信，而共享存儲并行計算機系統(tǒng)中的互連網(wǎng)絡是與處理機的局存相連，每個處理機都能直接訪問其他局存單元?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

相對于共享存儲結(jié)構(gòu)，MPP系統(tǒng)擴展能力強，計算能力完全可以滿足未來航空電子系統(tǒng)發(fā)展的要求。其系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點獨立工作，冗余度高，模塊化強，適合航空電子系統(tǒng)中應用?；ミB網(wǎng)絡采用靜態(tài)網(wǎng)絡或者交叉開關(guān)、多級網(wǎng)絡等形式，可靠性高，一個處理節(jié)點發(fā)生異常并不影響整個系統(tǒng)正常工作。

相對于共享存儲器的緊耦合方式，MPP結(jié)構(gòu)中為存儲器松散耦合，處理效率低于SMP結(jié)構(gòu)等共享存儲模式。此外MPP系統(tǒng)規(guī)模一般比較大，計算能力強，當需要處理的數(shù)據(jù)達到一定規(guī)模時MPP系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

6.結(jié)論

綜合化航空電子系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢。綜合化的航空電子系統(tǒng)需要一系列的關(guān)鍵技術(shù)支撐，綜合核心處理系統(tǒng)就是其中最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。而隨著航空電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，綜合核心處理系統(tǒng)處理能力不斷調(diào)高，采用MPP結(jié)構(gòu)是未來必然的發(fā)展趨勢，MPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化也將成為未來發(fā)展中的重要挑戰(zhàn)。

[1]王國慶.航空電子系統(tǒng)綜合化技術(shù)的發(fā)展與思考[J].國際航空,2011(8).

[2]袁曉晗.航空電子綜合核心處理技術(shù)研究[J].航空電子技術(shù),2004(3).

[3]熊華鋼,王中華.先進航空電子綜合技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009,1.

[4]陳健,鄭衛(wèi)華.高速互連技術(shù)綜述[R].2008年全國高性能計算學術(shù)年會.