杜 丹，李 強

(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、高性能實時計算、軟件虛擬化、高速總線等技術(shù)的迅猛發(fā)展，大型復(fù)雜電氣系統(tǒng)集成由傳統(tǒng)的獨立設(shè)備級綜合集成向模塊級綜合集成方向轉(zhuǎn)變。在開發(fā)模式上，從傳統(tǒng)“以硬件平臺為中心，面向?qū)Ｓ霉δ堋钡脑O(shè)計思路向“以軟件服務(wù)為中心，面向應(yīng)用需求”的設(shè)計思路轉(zhuǎn)變[1]。未來電氣系統(tǒng)不僅要求能夠快速適應(yīng)任務(wù)需求，還應(yīng)具備較高的故障診斷和自修復(fù)能力[2]。

運載火箭電氣系統(tǒng)中，在滿足飛行任務(wù)的同時,要求其具備較高的可靠性及冗余度。傳統(tǒng)設(shè)計中采用單機整機或整板備份的方式進行冗余，雖然在一定程度上提高了可靠性，但抵抗共因失效的能力相對較弱，同時也造成了箭上電子資源的極大浪費。相對松散的系統(tǒng)級綜合難以滿足未來智慧火箭研制的需求，如何構(gòu)建緊耦合的集成系統(tǒng)，實現(xiàn)新型冗余方式，以滿足未來任務(wù)擴展需求，具備可修復(fù)的軟硬件重構(gòu)能力，都是智慧火箭電氣系統(tǒng)需要解決的問題。

本文首先回顧了運載火箭電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)的發(fā)展歷程，針對智慧火箭的可重構(gòu)技術(shù)需求，提出了分布式協(xié)同的一體化電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)，對其中的關(guān)鍵技術(shù)以及可重構(gòu)的運行機制進行研究。

1 運載火箭電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)發(fā)展歷程

從運載火箭電氣系統(tǒng)發(fā)展過程來看，其總體架構(gòu)的演變大致經(jīng)歷了3個階段。

1.1 分立式架構(gòu)

20世紀(jì)60年代至70年代前期,運載火箭電氣設(shè)備采用專用的控制器、傳感器和模擬運算單元來完成運載任務(wù)，而各個設(shè)備之間相對獨立,關(guān)聯(lián)較少,不存在獨立的中心控制器對各設(shè)備進行統(tǒng)一控制、調(diào)度。這種電氣架構(gòu)是第一代火箭電氣系統(tǒng)架構(gòu)，稱之為分立式架構(gòu)。分立式架構(gòu)中包含一系列獨立的子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)相互獨立，能夠獨立完成相應(yīng)功能。同時，系統(tǒng)中也沒有數(shù)據(jù)總線,系統(tǒng)專用性強、靈活度差、子系統(tǒng)信息之間信息交換少。

1.2 集中式架構(gòu)

20世紀(jì)80年代,隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展箭上開始采用數(shù)字計算單元完成導(dǎo)航和姿控解算的數(shù)據(jù)處理與計算,作為箭上的計算中心,其他采用模擬量的系統(tǒng)包括慣組數(shù)據(jù)在內(nèi)的都通過數(shù)模轉(zhuǎn)換與之進行信息交互。這種以數(shù)字計算為中心的計算架構(gòu),被稱為集中式箭載電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)。

1.3 集中分布式架構(gòu)

20世紀(jì)90年代后期,上一代電氣系統(tǒng)架構(gòu)中的模擬單元全部被數(shù)字計算單元取代,以獨立功能的形式將各系統(tǒng)和箭上電子設(shè)備進行集成,各系統(tǒng)之間采用1553B 總線互連，以并行的方式與核心計算單元完成數(shù)據(jù)信息通信。這種以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的集中分布式架構(gòu)實現(xiàn)了信息交互的控制與數(shù)據(jù)資源的共享。同時，軟件設(shè)計也開始出現(xiàn)模塊化的設(shè)計思想。在節(jié)省了研制經(jīng)費的同時壓縮了研制周期，增強了系統(tǒng)的可維護性與可擴展性[3]。

總的來看，我國運載火箭電氣系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了分立式、集中式、集中分布式3個階段的發(fā)展。而美國在20世紀(jì)90年代開展的“寶石臺”研究計劃(Pave Pace Plan)，提出了新一代的航電總體架構(gòu)。針對模塊化、開放式、高容錯性和高靈活性等需求，以超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對射頻部件的廣泛共享，實現(xiàn)了傳感器信號和數(shù)據(jù)的高度綜合。系統(tǒng)采用了一種較為開放的體系，與傳統(tǒng)定制設(shè)備不同，更大程度地采用了低成本的商業(yè)貨架產(chǎn)品作為系統(tǒng)軟硬件搭建的基礎(chǔ)。通信方面則采用了光纖網(wǎng)絡(luò)作為統(tǒng)一的接口。

2 箭載電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)發(fā)展趨勢分析

2.1 推動電氣系統(tǒng)發(fā)展的因素

回顧運載火箭電氣系統(tǒng)的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)有3個主要因素推動電氣系統(tǒng)的發(fā)展。

1)信息技術(shù)的高速發(fā)展。高性能計算機、信號處理、高速網(wǎng)絡(luò)、軟件工程等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，推動了箭載電氣系統(tǒng)向模塊化、集約化發(fā)展，開放的體系結(jié)構(gòu)、高性能的系統(tǒng)為先進一體化電氣架構(gòu)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2)日益提高的性能需求。新的控制算法、故障診斷以及人工智能等處理要求對電氣系統(tǒng)提出了越來越高的性能需求，例如快速發(fā)射、全覆蓋測試、健康監(jiān)測以及自我修復(fù)等，都對系統(tǒng)實現(xiàn)提出了較高的性能指標(biāo)要求[4]。

3)商業(yè)化的成本控制。航天發(fā)射商業(yè)化的日益發(fā)展，對運載火箭成本的控制提出了更高的要求，可靠性的不斷提高使得電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，與低成本的理念相悖。有效控制火箭電氣系統(tǒng)成本為電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)的發(fā)展提出了約束條件。

2.2 總體架構(gòu)發(fā)展的趨勢分析

先進的電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)不僅要滿足系統(tǒng)高可靠、高性能的要求，同時需要盡量降低成本，縮短研制周期。根據(jù)硬件、軟件、信息、功能、診斷、重構(gòu)等方面的需求，未來電氣總體架構(gòu)的發(fā)展趨勢如下：

采用SPSS 16.0統(tǒng)計學(xué)軟件對本研究所有數(shù)據(jù)進行分析,計數(shù)資料X2檢驗,組間比較采用T檢驗,以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

1)處理資源共享。先進的電氣總體架構(gòu)要最大限度地滿足系統(tǒng)綜合的需求。一方面硬件資源能為應(yīng)用程序所共享，另一方面能夠信息高度融合，統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)測，有利于指令決策和系統(tǒng)管理。

2)軟硬件平臺解耦。通過各類標(biāo)準(zhǔn)接口將軟件隔離成應(yīng)用程序?qū)?、操作系統(tǒng)層和硬件模塊支持程序?qū)?，弱化三者之間的耦合程度，程序設(shè)計時只與飛行功能相關(guān)，無須考慮硬件即可載入新的應(yīng)用程序，增強軟件可移植性，便于硬件的更新?lián)Q代。

3)一體化網(wǎng)絡(luò)連接。未來的電氣系統(tǒng)中應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)通信的種類，采用統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，降低開發(fā)成本的同時提升開發(fā)效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的有效融合。

4)系統(tǒng)驗證可累計。先進電氣系統(tǒng)架構(gòu)需要引入驗證累計認證思想。當(dāng)需要對系統(tǒng)功能進行擴展或修改時，只需要對特定硬件、軟件模塊進行替換、修改,然后再對此模塊進行安全認證，而不需要對整個系統(tǒng)的安全性再進行整體認證,能夠有效減少認證代價。

5)智能感知與重構(gòu)。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，對系統(tǒng)感知信息和運行規(guī)則進行不斷的調(diào)整使其性能達到最優(yōu)。完成檢測、定位、跟蹤、識別、處理等功能對各任務(wù)模式的匹配，對出現(xiàn)的故障進行快速識別，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)。

3 分布式協(xié)同電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

分布式協(xié)同架構(gòu)設(shè)計本質(zhì)是實現(xiàn)一個分布式實時運算網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)交互將箭上獨立的單機虛擬化為一個整體，將分布式體系結(jié)構(gòu)的靈活性擴展到對不同功能程序的支持上。在分布式架構(gòu)下，所有功能程序分散運行在整個火箭各部段中，實時容錯的網(wǎng)絡(luò)將所有模塊相連，協(xié)同組成箭上電氣系統(tǒng)資源。當(dāng)火箭分離時隨著分離部分功能的完成，對電氣系統(tǒng)進行裁剪，完成任務(wù)重新重構(gòu)分配，工作性能與冗余度保持不變。下面分別從硬件和軟件兩個方面對分布式協(xié)同的電氣系統(tǒng)架構(gòu)進行設(shè)計[5-6]。

3.1 硬件架構(gòu)

分布式協(xié)同的電氣系統(tǒng)硬件采用通用化的設(shè)計思想，即實現(xiàn)高適應(yīng)性的通用化硬件平臺，由信號預(yù)處理資源、信號運算處理資源、信息控制處理資源以及磁盤存儲冗余陣列四類資源組成，其架構(gòu)如圖1所示。各資源模塊之間通過虛擬網(wǎng)絡(luò)將分散在不同物理節(jié)點上的虛擬機資源連接起來，其采用面向數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，中心服務(wù)器負責(zé)管理與維護虛擬網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，通過IP封裝技術(shù)將虛擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在各節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)，從而在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中建立一條虛擬通道實現(xiàn)節(jié)點的連通，通過多網(wǎng)卡的虛擬機作為路由組件來搭建虛擬網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通過控制總線進行監(jiān)測和時序控制，資源模塊內(nèi)部采用全交換方式。應(yīng)用軟件的運行可以靈活配置成陣列處理、并行處理、流水處理等不同特點的架構(gòu)。

預(yù)處理資源以FPGA為基礎(chǔ)，由信號處理單元與交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,高速通信的同時具有較低的時延和較強的信號間同步能力,通過對預(yù)處理單元、高速交互網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置以及對軟件模塊的加載,可以完成信號預(yù)處理功能，包括信號變頻、信號均衡處理、信號波束形成以及高速信號獲取等預(yù)處理功能。

信號運算處理資源以DSP單元為基礎(chǔ)，構(gòu)成運算處理模塊和高速輸入輸出網(wǎng)絡(luò)功能,通過密集的計算資源實現(xiàn)多通道高速率信號的處理能力,通過對運算處理模塊和高速輸入輸出網(wǎng)絡(luò)中間件的靈活配置和程序進程的動態(tài)加載,可實現(xiàn)箭上控制計算的功能，包括導(dǎo)航制導(dǎo)、姿態(tài)控制、增壓計算和利用調(diào)節(jié)等信號處理功能。

通用信息處理池由負責(zé)信息控制與處理計算模塊和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)組成,完成數(shù)字信息處理和數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)的功能,通過對計算資源虛擬化、軟件程序動態(tài)加載使計算平臺具備綜合計算功能,具備參數(shù)測量、數(shù)據(jù)提取、信息融合等信息處理的功能。

存儲陣列由存儲介質(zhì)和冗余介質(zhì)兩部分組成,兩種介質(zhì)組合可實現(xiàn)可靠且高效的空間訪問,完成飛行數(shù)據(jù)的存儲與讀取控制功能。

四類資源池在獨立運行的同時相互連接，通過控制總線和高速網(wǎng)絡(luò)相互連接。飛行過程中，各模塊能自主協(xié)調(diào)完成任務(wù)調(diào)度和分配。從程序運行角度來看，分布式的硬件平臺被整合為一個獨立且完整的資源池。

3.2 軟件架構(gòu)

分布式協(xié)同電氣系統(tǒng)中采用構(gòu)件化的軟件設(shè)計思想，提高軟件的復(fù)用程度，對軟件的復(fù)制性、封裝性、透明性、互換性和通用性給出詳細的設(shè)計，以功能為單元屏蔽底層與硬件交互的協(xié)議，向用戶開放軟件操作的邏輯層。軟件總體架構(gòu)采用分層策略，層與層之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口進行交互，旨在實現(xiàn)應(yīng)用軟件與硬件的相互隔離。同時需要對功能軟件進行構(gòu)件化管理，將功能軟件作為可調(diào)度的資源，通過底層軟件進行配置部署、動態(tài)加載和功能重構(gòu)，實現(xiàn)軟件定義一切功能。圖2給出了分布式協(xié)同電氣系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

軟件架構(gòu)可以分為4層，分別是設(shè)備驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、功能應(yīng)用層和智慧感知層。設(shè)備驅(qū)動層主要由平臺的系統(tǒng)配置、設(shè)備驅(qū)動等與硬件相關(guān)的軟件組成；操作系統(tǒng)層除了完成資源管理、狀態(tài)監(jiān)測外，還實現(xiàn)了處理資源的虛擬化，將通過網(wǎng)絡(luò)連接的多臺設(shè)備資源進行抽象化，為應(yīng)用計算提供統(tǒng)一的平臺；功能應(yīng)用層由飛行任務(wù)中的具體功能軟件組成，設(shè)計時可以不考慮平臺的差異；智慧感知層在其他層級的基礎(chǔ)上實現(xiàn)資源配置管理、功能部署和可靠性修復(fù)等功能，對下層平臺和功能資源的虛擬化進行管理，實現(xiàn)任務(wù)可感知配置的智能服務(wù)能力。

4 分布式可重構(gòu)運行機制研究

實現(xiàn)分布式可重構(gòu)的電氣系統(tǒng)平臺，需要建立高可靠一體化網(wǎng)絡(luò)(見圖3)，在通用化硬件、構(gòu)件化軟件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)異構(gòu)處理資源的虛擬化，完成智能感知和動態(tài)重構(gòu)[7]。分布協(xié)同可以結(jié)合空域和時域優(yōu)勢，實現(xiàn)各單機設(shè)備間的互補，形成自組織、自康復(fù)的聯(lián)合體，而高效可靠的運行機制則是實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵。

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同冗余機制示意圖Fig.3 Network cooperative redundance mechanism

4.1 一體化互連機制

高可靠一體化運行的基礎(chǔ)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一互聯(lián)。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一體化互連，不僅要獲取網(wǎng)絡(luò)中各單機的參數(shù)、數(shù)據(jù)，還需要對其進行管理,包括對網(wǎng)絡(luò)的控制、上網(wǎng)設(shè)備的控制、設(shè)備的健康管理、網(wǎng)絡(luò)軟件的版本管理以及系統(tǒng)運行的結(jié)構(gòu)控制等。

網(wǎng)絡(luò)運行機制如圖4所示。管理控制層運行在各分布設(shè)備的協(xié)處理器上，通過驅(qū)動層與功能應(yīng)用交互[8]。驅(qū)動層將應(yīng)用的數(shù)據(jù)、指令傳遞給網(wǎng)絡(luò)管理控制層接口，同時將收到的數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)管理控制層與遠端設(shè)備進行信息交互，將操作結(jié)果提交給驅(qū)動層處理。

4.2 分布式處理資源虛擬化

各單機設(shè)備通過一體化網(wǎng)絡(luò)連接后，由虛擬化技術(shù)將分散在不同物理位置的設(shè)備抽象化，整合為單個的計算資源，以整體計算能力的形式為應(yīng)用軟件的計算存儲提供統(tǒng)一的平臺。通過虛擬化管理提供一個電氣系統(tǒng)的管理接口，實現(xiàn)功能軟件與物理資源的邏輯分離。

實現(xiàn)虛擬化后，應(yīng)用程序的設(shè)計與底層硬件分開，軟件功能設(shè)計時可以不考慮硬件產(chǎn)品的可靠性問題，軟件的冗余性由虛擬化管理系統(tǒng)進行調(diào)度，實現(xiàn)了功能設(shè)計與可靠性設(shè)計的分離。計算進程方面,不同的運行程序加載到不同的運算組,同時為每個組配置了一個根進程。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同架構(gòu)下每個組內(nèi)的計算進程按照分布式的運行策略相互共享負載信息,而各個組的根進程之間則按照集中的策略完成負載信息的交換。

4.3 智能感知與動態(tài)重構(gòu)

分布式協(xié)同平臺具備了應(yīng)用動態(tài)加載的能力，通過智能監(jiān)測和診斷算法進一步解決功能自適應(yīng)加載，基于新架構(gòu)下數(shù)據(jù)管理模式，對系統(tǒng)信息和運行規(guī)則進行不斷的調(diào)整，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。同時，在多任務(wù)并發(fā)、計算負載隨時間變化的條件下，通過獨立的任務(wù)調(diào)度實現(xiàn)負載的均衡。

在任務(wù)模式自適應(yīng)匹配的基礎(chǔ)上，對飛行過程中出現(xiàn)的故障進行快速識別，通過軟件定義對系統(tǒng)功能進行動態(tài)重構(gòu)，使系統(tǒng)可靠性和性能得到保障。如圖3所示，每一個單機設(shè)備中，通過虛擬化運行著3條應(yīng)用任務(wù)，假設(shè)設(shè)備M3出現(xiàn)故障時，M1、M2、M4中運行的任務(wù)仍滿足兩度冗余的要求。同時，通過在另外一臺冷備份單機中重新虛擬化獲得新的M3設(shè)備，完成可靠性的修復(fù)。有效的動態(tài)重構(gòu)機制可以實現(xiàn)分布式協(xié)同增效的目標(biāo)，在滿足可靠性要求的前提下盡量提高箭上資源的利用率。

5 結(jié)論

運載火箭電氣系統(tǒng)正在向綜合化、模塊化和通用化方向快速發(fā)展。電氣總體架構(gòu)的演化是實際需求與科技進步共同推動的結(jié)果。本文結(jié)合運載火箭電氣系統(tǒng)需求特點提出了分布式協(xié)同的電氣總體架構(gòu)，該架構(gòu)在硬件上支持模塊化集成，軟件上實現(xiàn)應(yīng)用功能的構(gòu)件化，充分繼承現(xiàn)有架構(gòu)優(yōu)勢，以應(yīng)用開發(fā)與硬件設(shè)計的解耦為目標(biāo)，基于虛擬化和負載均衡等技術(shù)，實現(xiàn)具有智能感知和動態(tài)重構(gòu)功能的一體化電氣系統(tǒng)平臺。

未來電氣系統(tǒng)發(fā)展中，需要針對分布式架構(gòu)中的技術(shù)途徑開展更為細致和深入的研究。研究更為優(yōu)化的信息綜合處理技術(shù)，實現(xiàn)低功耗、高集成模塊化處理單元；結(jié)合智能技術(shù)開發(fā)應(yīng)對故障的高可靠性算法，研究靈活、可靠的軟件調(diào)度機制；建立相應(yīng)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，對系統(tǒng)評估技術(shù)、累計安全認證技術(shù)等進行深入的研究。