豆海利

（空軍工程大學 基礎部，陜西 西安 710051）

0 引言

借鑒軍用飛機航空電子綜合化的發(fā)展，以智能化、模塊化、通用化、綜合化為顯著特征，并具有故障診斷的無人機先進航電系統(tǒng)成為研究應用的熱點。新一代的無人機航電系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)量越來越大，要求快速完成信息處理和融合，形成對戰(zhàn)場環(huán)境的正確感知，以實現(xiàn)對飛機和武器系統(tǒng)的智能化控制，所以航電系統(tǒng)對高可靠、強實時的總線傳輸網(wǎng)絡的依賴也越來越大。大量研究和應用驗證也表明：與基于事件觸發(fā)的總線協(xié)議相比，基于時間觸發(fā)（TTP）的總線協(xié)議能夠更好地保證通信的實時性、穩(wěn)定性和安全性。

目前無人機航電發(fā)展緩慢，系統(tǒng)標準不統(tǒng)一。本文在研究ASAAC 航電標準和IMA 設計思想的基礎上，針對中小型無人機，設計實現(xiàn)了基于FlexRay 的綜合化無人機先進航電系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的無人機航電架構，系統(tǒng)成本低，總線具備強實時、高可靠特點。

1 無人機航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)無人機航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在國內(nèi)的無人機系統(tǒng)方面，IMA 系統(tǒng)的研究尚處于初始階段，無人機航電系統(tǒng)采用聯(lián)合式架構，如圖1 所示。這種架構由一臺或兩臺性能較強的中心計算機和若干臺子系統(tǒng)專用計算機組成。中心計算機主要完成與飛機作戰(zhàn)任務有關的計算或顯示、控制功能，并對各子系統(tǒng)進行管理、調度和控制；各子系統(tǒng)專用計算機則完成各自子系統(tǒng)內(nèi)部的信號與數(shù)據(jù)處理。各子系統(tǒng)計算機之間獨立性較強、耦合程度低、只交互少量數(shù)據(jù)，它們接收并響應來自中心計算機的命令，并周期性地上報狀態(tài)信息。

圖1 傳統(tǒng)無人機航電系統(tǒng)結構

在聯(lián)合式架構中，每個子系統(tǒng)設備都使用自己專用的計算機軟硬件系統(tǒng)、專用的傳感器、處理器和作動器。各子系統(tǒng)用總線松散地連接在一起，擴展能力差，設備種類多、成本高。隨著系統(tǒng)任務不斷增加，系統(tǒng)重量、功耗和成本越來越大，升級維護的復雜性明顯上升，已然不再適合無人機航電系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)無人機航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2004 年ASAAC 定義了先進（A3）的開放式標準和指導原則，對航電架構中系統(tǒng)管理、健康管理、重構和藍圖配置等進行詳細定義。綜合化、模塊化、通用化、智能化、網(wǎng)絡化成為新型航電系統(tǒng)的要求。

新一代先進航電系統(tǒng)正朝著如下方向發(fā)展：

1）綜合化。在綜合化階段，通過功能綜合實現(xiàn)共享信息，便于數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)綜合控制，故障監(jiān)視、檢測、重構等；通過物理綜合實現(xiàn)共享資源（處理器、存儲器、I/O、總線等）。另外，綜合化有助于降低系統(tǒng)體積和重量，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）模塊化。系統(tǒng)由標準的高性能LRM 模塊組成，不同模塊之間相同的功能電路可實現(xiàn)共用，各層軟件實現(xiàn)模塊化，包括：模塊支持層軟件、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)管理軟件等，為系統(tǒng)重構和軟件的動態(tài)加載提供便利。

3）通用化、開放式體系。采用通用的軟硬件標準，支持應用程序、操作系統(tǒng)、硬件模塊之間的隔離。對成熟的民用網(wǎng)絡進行裁剪、功能限定，并在實時性、可靠性方面進行適應性增強改進。這種“通用?增強型”網(wǎng)絡作為機載網(wǎng)絡，使得機載網(wǎng)絡在性能改進的同時，更具有通用性、經(jīng)濟性。

4）智能化。在大數(shù)據(jù)的支撐下，航電系統(tǒng)能夠對各種目標進行自動分類和識別，幫助飛行人員做出快速正確的決斷。在此基礎上通過人工智能完成故障分析、診斷，預測飛行壽命，是未來航電發(fā)展的趨勢。

5）網(wǎng)絡化。利用統(tǒng)一的航電通信網(wǎng)絡完成機載傳感器、雷達、飛控計算機等電子設備的高速可靠通信，增加機內(nèi)外信息共享和交互，航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡將成為未來航空電子的必然選擇。

2 綜合化航電系統(tǒng)架構

2.1 ASAAC 航電標準

為了解決航電系統(tǒng)的擴展性、可移植性，提高航電系統(tǒng)能力，20 世紀90 年代NATO 成立了聯(lián)合標準航空電子系統(tǒng)結構委員會（ASAAC），主要研究航電體系結構，形成了一套標準體系，規(guī)定了綜合化航電系統(tǒng)架構、軟件、網(wǎng)絡等5 個標準和一個系統(tǒng)要求指南。架構標準定義了IMA核心系統(tǒng)由集成機架組成，該核心機架的設計包括：

1）通信網(wǎng)絡和相關協(xié)議統(tǒng)一；

2）分層的分布式軟件架構；

3）分層次的系統(tǒng)管理；

4）結構和功能通用的功能模塊。

其系統(tǒng)和軟件架構如圖2 所示。

圖2 綜合化航空電子系統(tǒng)軟件總體結構

應用管理用來管理上層軟件，通用系統(tǒng)管理系統(tǒng)故障和安全，藍圖模塊負責整個系統(tǒng)的配置和故障定義，可以通過藍圖配置實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性，模塊支撐層對操作系統(tǒng)和底層硬件進行隔離，實現(xiàn)模塊化管理。

2.2 ARINC653 標準

在綜合化航空電子系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)資源共享，每個處理器單元都需要運行多個任務，所以需要一個操作系統(tǒng)對任務進行管理。為了使得實時操作系統(tǒng)能夠滿足綜合化航空電子系統(tǒng)的應用要求，美國ARINC 組織制定了ARINC653 架構的應用軟件接口標準。

ARINC653 操作系統(tǒng)結構如圖3 所示。

圖3 ARINC653 操作系統(tǒng)結構

ARINC653 提出的操作系統(tǒng)，采用分區(qū)技術對時間、空間以及資源進行隔離保護，提供健康監(jiān)控功能，支持分區(qū)間通信，從而保證各任務之間互不影響，又可以實現(xiàn)任務間通信。

2.3 無人機航電系統(tǒng)設計目標

為了適應市場需求，增加運行可靠性，減少維護成本、重量和功耗，設計出新型綜合化航電系統(tǒng)，以新的航電標準作為指導，提出如下設計目標：

1）實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)。采用統(tǒng)一的航空電子先進總線技術實現(xiàn)高速、實時、可靠性傳輸，減少無人機航電系統(tǒng)設備數(shù)量。

2）具備全系統(tǒng)自檢能力、故障快速定位、隔離能力和模塊化設計。

3）電源控制器可以進行電源監(jiān)測，實現(xiàn)過流和漏電保護；實現(xiàn)多電源控制邏輯，控制供電，異常情況斷開負載；通過CPM 內(nèi)部的PHM 程序控制管理。

4）具有可分區(qū)嵌入式實時操作系統(tǒng)的無人機軟件架構，能夠實現(xiàn)總線的實時控制和總線監(jiān)測功能。

5）深入研究ASACC 航電標準，設計出模塊化，智能化，通用化，具有藍圖配置和重構的無人機先進航電系統(tǒng)。

2.4 無人機航電系統(tǒng)設計原則

通過對無人機航電系統(tǒng)的需求進行分析，總結出系統(tǒng)所需的設計原則如下：

1）通用性原則：所有節(jié)點可以互相代替，在系統(tǒng)中所有節(jié)點是平等的，模塊通用，通過應用區(qū)分不同的任務。網(wǎng)絡可通過配置文件完成網(wǎng)絡參數(shù)設置，使得系統(tǒng)更加通用和靈活。

(1)NFC手機支付今后將主要采用卡模擬技術，具體形式為使用“手機PAY-升級版ODA”方案或者“手機APP-HCE技術-token授信”方案，綁定銀行卡并加載城軌行業(yè)應用信息，進出站脫機支付。NFC手機支付可完善銀行卡在城軌的受理環(huán)境，避免銀行卡換卡、電子現(xiàn)金在特定設備上圈存余額等問題。

2）可擴展性原則：節(jié)點數(shù)量可擴展，時隙分配中確保預留足夠的余量，幀ID 分配除滿足目前需求外，預留擴展時隙。網(wǎng)絡協(xié)議盡量簡單，方便后續(xù)擴展。

3）兼容性原則：對無人機各種機型，以及航電系統(tǒng)各節(jié)點任務都能兼容。

4）高指標原則：網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量不少于15 個，并且總線速率高達10 Mb/s。

5）強實時和高可靠原則：對節(jié)點任務能夠做出實時反應，并且系統(tǒng)對故障通過藍圖配置設計合理的處理方式。

3 系統(tǒng)架構設計

3.1 總線選型

在無人機領域，目前已廣泛應用的分布式、串行通信總線包括1553B、ARINC429、SAFEbus、CAN 等。但是新型高性能無人機對總線的帶寬、確定性、可靠性和實時性等方面的要求越來越高，這些總線已經(jīng)無法滿足要求。

FlexRay 總線是新一代車載總線，單通道具有高達10 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)傳輸效率高達96.9%，能夠為新一代的車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的通信帶寬和可靠性。2006 年FlexRay 總線已經(jīng)在BMW X5 汽車上成功的量產(chǎn)應用。FlexRay總線關注的是更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更靈活的數(shù)據(jù)通信、更全面的拓撲選擇和容錯通信，這些都與當今機載通信平臺的一些核心需求相契合。FlexRay 總線具有確定性、同步性、可靠性、高帶寬、容錯性等特點，以及技術成熟度高和低成本優(yōu)勢，尤其適用于中小型網(wǎng)絡，使得FlexRay 在無人機航電通信網(wǎng)絡方面具有很大的優(yōu)勢。所以，借鑒CAN 總線的發(fā)展歷程，F(xiàn)lexRay總線完全可以作為中小型無人機航電總線方案。

3.2 新型無人機航電系統(tǒng)架構

本文從無人機實際需求出發(fā)，借鑒第四代戰(zhàn)機IMA優(yōu)勢，以ASAAC 標準和ARINC653 架構作為指導，綜合對航空電子系統(tǒng)體系架構、軟件架構、高可靠性綜合航電設備設計技術、實時健康診斷技術、故障隔離與修復技術進行研究，設計出一個從分立式到綜合化的航電系統(tǒng)架構，提升系統(tǒng)維護升級、健康管理功能。無人機航電系統(tǒng)架構如圖4 所示。

圖4 新型無人機航電系統(tǒng)架構

相比于傳統(tǒng)的聯(lián)合式無人機航電系統(tǒng)，本架構的主要特點如下：

2）網(wǎng)絡統(tǒng)一化：采用低速雙冗余FlexRay 網(wǎng)絡作為統(tǒng)一通信總線，用于強周期和高可靠的數(shù)據(jù)傳輸，航電子節(jié)點利用FlexRay 完成數(shù)據(jù)可靠通信，Ethernet 作為高速總線，主要傳輸大容量的任務信息。

3）維護升級性增強、成本降低：系統(tǒng)升級時不需要對各個模塊逐個升級，只需要對CPM 節(jié)點單元進行軟硬件升級，降低了維修升級成本和復雜度。

4）具有健康管理功能：當出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)中的藍圖模塊會根據(jù)故障處理策略進行處理，并將每個模塊處理不了的故障，傳送給上級的HM 單元進行處理，實現(xiàn)故障隔離和健康管理。

5）重量、體積、功耗明顯減少：各個節(jié)點通過共享CPM 和存儲單元，使得各單元在不需要額外硬件單元的支持下，完成系統(tǒng)功能，減少了電子設備的數(shù)量。

6）完成系統(tǒng)重構和藍圖配置：利用集成平臺配置完成綜合過程和重構過程的實現(xiàn)，減少系統(tǒng)開發(fā)周期的同時，提高了系統(tǒng)可靠性和維護性。

7）增加系統(tǒng)擴展性：利用集成平臺配置完成ICD的動態(tài)裝載，使得系統(tǒng)可以應用到各個機型中，擴展性、靈活性明顯增加。

3.3 航電系統(tǒng)接口控制文件生成

系統(tǒng)ICD 作為接口控制文檔，定義了航電系統(tǒng)的接口收發(fā)內(nèi)容，其中主要包含F(xiàn)lexRay 網(wǎng)絡參數(shù)、各節(jié)點時隙分配、幀編碼等信息，靈活性增加，本課題利用用戶提供的節(jié)點ICD 數(shù)據(jù)信息，通過集成平臺配置，并利用XML 文件完成了FlexRay 網(wǎng)絡的動態(tài)裝訂，其框圖主要如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)ICD 裝訂

3.4 系統(tǒng)半實物仿真平臺設計

在系統(tǒng)架構的設計指導下，為驗證方案可行性，設計出系統(tǒng)半實物仿真平臺如圖6 所示。

圖6 無人機航電系統(tǒng)物理架構

其特點主要包括：

1）采用統(tǒng)一的串行總線網(wǎng)絡，互聯(lián)機箱內(nèi)和機箱外的各個模塊，各個資源都連接到總線上，形成一個統(tǒng)一的共享平臺。統(tǒng)一總線網(wǎng)絡也是IMA 的發(fā)展趨勢，在系統(tǒng)維護性、擴展性方面有很大優(yōu)勢。

2）飛控計算機是通用的高性能計算單元，在VxWorks 6.9 操作系統(tǒng)的支持下，完成多任務的運行與管理，承擔的任務包括飛控、航跡規(guī)劃、圖像跟蹤、系統(tǒng)綜合健康管理和藍圖配置等。

3）慣導、傳感器、MEMS：采集導航、位置、環(huán)境、速度等信息，轉換成數(shù)字信號，發(fā)送至FlexRay 總線上，供相應任務使用。

4）舵機單元完成各舵機位置、速度的解算與控制，以及將當前的位置信息回環(huán)給飛控機。

5）HM 節(jié)點：完成總線上所有數(shù)據(jù)的接收、監(jiān)測功能的同時，可作為系統(tǒng)程序下載和升級接口，為系統(tǒng)維護管理和健康監(jiān)測提供接口。

6）監(jiān)控計算機：接收總線單元數(shù)據(jù)，通過可視化人機界面進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，并且可控制節(jié)點網(wǎng)絡的啟停操作。

7）每個系統(tǒng)節(jié)點具有健康監(jiān)測模塊，負責各節(jié)點的故障檢測和處理，若本節(jié)點處理不了的故障上傳至飛控計算機的綜合健康管理模塊，進行相應的故障處理。

仿真測試系統(tǒng)包括FlexRay 網(wǎng)絡測試總線，還具有兩條RS 422 總線：一條用于仿真控制與監(jiān)控整個系統(tǒng)；另一條可以搭載系統(tǒng)節(jié)點實體，慣導、傳感器和MEMS通過RS 422 總線發(fā)送位置等信息到航電節(jié)點，航電節(jié)點將其發(fā)送至總線上。各舵機節(jié)點可以直接通過M+、M-電機接口驅動電機，完成整個系統(tǒng)的半實物仿真。

4 結語

本文主要完成了無人機先進航電系統(tǒng)的總體方案設計。首先分析了無人機航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；接著通過對比應用在無人機上主流的總線網(wǎng)絡，確定FlexRay 總線為新一代無人機航電總線的首選；然后依照ASAAC 航電標準和IMA 設計思想，提出了無人機航電系統(tǒng)架構；最后完成了系統(tǒng)半實物仿真平臺設計。仿真實驗結果表明該設計方案合理可行，能夠滿足中小型無人機先進航電系統(tǒng)的應用要求，為未來新型分布式綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的研究與設計提供了技術支持。