雷國志

(西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引言

機載CNS系統(tǒng)是飛機接入新航行系統(tǒng)所必須的機載系統(tǒng)，涉及的機上操作與通信導航監(jiān)視業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)度高，其核心的無線電收發(fā)信機也有著相似的信號處理架構(gòu)和相同的發(fā)展趨勢，因此機載CNS系統(tǒng)經(jīng)常作為一個整體進行綜合化設(shè)計[1]。機載CNS系統(tǒng)的綜合化方法隨著電子技術(shù)發(fā)展階段而有所變化，目前綜合化方法是通過公用和共用資源在少量硬件模塊上集成多個無線電功能。這種方式已經(jīng)在軍機綜合射頻和軍艦綜合射頻領(lǐng)域取得了一定成果[2-3]，實現(xiàn)了預期的功能性能，但由于系統(tǒng)過于復雜，內(nèi)部功能的耦合度高，也會導致系統(tǒng)維護性差，適航審查困難。

另一方面，軟件工程領(lǐng)域也存在“代碼分散”和“代碼糾纏”使得系統(tǒng)變得復雜、難以擴展和難以重用的問題。為解決此類問題，很多研究者提出采用面向切面的編程技術(shù)[4]，通過“關(guān)注點分離”將系統(tǒng)功能劃分為功能性需求和非功能性需求兩類，并分別設(shè)計實現(xiàn)，從而保證了系統(tǒng)功能與非功能的獨立，進而實現(xiàn)關(guān)注點模塊的獨立重用[5-7]。

傳統(tǒng)的機載綜合射頻系統(tǒng)都圍繞產(chǎn)品的功能需求進行系統(tǒng)設(shè)計[8]，與非功能需求相關(guān)的設(shè)計研究都集中在可靠性、維修性、測試性、保障性等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[9]，對于“參數(shù)修改功能”這類與系統(tǒng)功能相關(guān)但不直接實現(xiàn)功能的非功能性需求研究甚少，這導致這類非功能性需求的設(shè)計分散在不同功能模塊中，成為導致系統(tǒng)內(nèi)模塊功能耦合度高，系統(tǒng)維護性差的主要原因。因此本文以典型機載CNS系統(tǒng)的綜合化設(shè)計為背景，提出面向切面思想的系統(tǒng)設(shè)計方法，解決由于資源高度復用、需求交叉依賴、功能模塊耦合度高的問題，提高系統(tǒng)的維護性和可擴展性。

1 機載CNS設(shè)計

1.1 需求分析

為了使系統(tǒng)綜合效益最大，系統(tǒng)集成功能的領(lǐng)域模型、業(yè)務(wù)模型和方法學應(yīng)盡可能一致，使被綜合功能在關(guān)注點分離后，各功能之間具有一致的“相關(guān)性”和“形式規(guī)范性”[10]。其中，相關(guān)性一致能夠使得被綜合的各功能的業(yè)務(wù)流圖的復雜度基本一致，形式規(guī)范性一致使得關(guān)注點分離后的功能能夠再次編織成功。因此面向切面思想的需求分析，建立領(lǐng)域模型和業(yè)務(wù)模式是基礎(chǔ)，關(guān)注點分離是關(guān)鍵。下面重點從領(lǐng)域模型、業(yè)務(wù)模型以及關(guān)注點分離3個方面進行機載CNS系統(tǒng)需求分析。

1.1.1 領(lǐng)域模型

機載CNS系統(tǒng)領(lǐng)域模型分析，主要確定系統(tǒng)的功能、配置、操作和設(shè)計約束。領(lǐng)域模型分析過程與飛行器航電系統(tǒng)設(shè)計緊密相關(guān)，典型CNS系統(tǒng)一般有2部甚高頻電臺(VHF)、2部儀表著陸設(shè)備(LOC/GS)、1部無線電測距(DME)和1部航管應(yīng)答(ATC)設(shè)備。無線電收發(fā)信機的設(shè)計約束如表1所示，機載CNS系統(tǒng)通過接收和發(fā)射無線電信號實現(xiàn)空地雙向語音通信，航路輔助導航，機場輔助著陸以及航管監(jiān)視功能。

表1 收發(fā)信機特性

1.1.2 業(yè)務(wù)模型

機載CNS系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型分析，主要確定系統(tǒng)的組成、架構(gòu)、數(shù)據(jù)流和工作原理，數(shù)學建模是進行業(yè)務(wù)模型分析的有效手段。業(yè)務(wù)模型分析過程與具體的實現(xiàn)技術(shù)相關(guān)，在射頻數(shù)字一體化設(shè)計架構(gòu)下[11-12]，機載CNS系統(tǒng)的數(shù)學模型可以表示為若干個時間輸入/輸出自動機(TIOA)的集合[13]，其中TIOA表示為二元組M=(B,H)，B是一個時間自動機(TA)可以通過狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖進行描述，H=(I,O)是將∑B分為輸入動作和輸出動作的一個劃分，因H是一個典型的線性時不變系統(tǒng)，可以通過信號流圖進行描述。因此無線電功能M的系統(tǒng)數(shù)學模型如圖1所示，將來自射頻前端(或航電)的數(shù)據(jù)經(jīng)過若干個時間輸入/輸出自動機的處理后輸出至航電(或射頻前端)。

圖1 無線電功能模型

1.1.3 關(guān)注點分離

機載CNS系統(tǒng)關(guān)注點分離過程是面向切面思想的關(guān)鍵，其核心是將系統(tǒng)需求分割為相互獨立的功能需求和非功能需求。從前文業(yè)務(wù)模型分析得出機載CNS系統(tǒng)數(shù)學模型中的H和B是相互獨立的，將H和B分別映射為核心業(yè)務(wù)功能和系統(tǒng)橫切功能，則通過需求分析得到的功能性需求和非功能性需求也是相互獨立的。

因此基于面向切面思想的機載CNS系統(tǒng)功能開發(fā)由核心業(yè)務(wù)功能開發(fā)和橫切系統(tǒng)功能開發(fā)兩部分組成。核心業(yè)務(wù)功能開發(fā)包括無線電通信、導航和監(jiān)視等功能的信號處理；橫切系統(tǒng)功能開發(fā)包括系統(tǒng)集成和系統(tǒng)應(yīng)用。從圖2看出機載CNS系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)功能為VHF話音發(fā)射、VHF話音接收、LOC航向接收和ATC航管應(yīng)答等功能，橫切系統(tǒng)功能為功能配置、參數(shù)調(diào)諧、自檢維護、安全隔離、日志管理等功能，橫切系統(tǒng)功能貫穿于全部業(yè)務(wù)功能。

圖2 機載CNS系統(tǒng)關(guān)注點分離示意圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

需求分析確定了機載CNS系統(tǒng)的功能、性能、通用質(zhì)量特性和適航性，系統(tǒng)設(shè)計的重點是開展系統(tǒng)架構(gòu)、組件設(shè)計、組件編織、運行部署等設(shè)計工作。

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

機載綜合CNS系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，由天線、3類6臺RRU、1臺CRU組成，其中RRU RRU(remote radio units遠端無線電單元)靠近天線部署完成射頻信號的采樣并將數(shù)字信號生成為射頻信號，CRU(central radio units中央無線電單元) 部署在設(shè)備柜完成VHF/LOC/GS/DME/ATC等無線電信號的處理實現(xiàn)CNS系統(tǒng)功能。

圖3 機載CNS系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.2 組件設(shè)計

從需求分析得到的數(shù)學模型可以看出，機載CNS系統(tǒng)由若干個信號處理模塊組成，每個信號處理模塊都是由信號處理組件加載不同算法(函數(shù))在控制指令和配置參數(shù)下實現(xiàn)預期功能，因此組件設(shè)計的核心就是設(shè)計信號處理模塊。

不涉及具體語言，本文采用(OPM)系統(tǒng)建模語言描述的組件信號處理模塊的結(jié)構(gòu)模型[14-15]，首先采用關(guān)注點分離技術(shù)將信號處理模塊組件分割為業(yè)務(wù)功能部分和橫切功能兩部分(如圖 4)。其中左側(cè)為業(yè)務(wù)功能部分，由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的緩存、處理和封裝等構(gòu)成，不同的信號處理模塊通過加載不同的算法實現(xiàn)；右側(cè)為橫切功能部分，為信號處理業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中必須和常見功能的集合，其中調(diào)諧功能按照控制指令的要求完成信號處理算法所需參數(shù)的調(diào)整，重構(gòu)功能按照系統(tǒng)配置更新算法和重置業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，暫停功能按照自檢命令將狀態(tài)機置于暫停狀態(tài)，啟動異常收集功能完成模塊自檢上報，狀態(tài)收集功能完成模塊當前工作參數(shù)和狀態(tài)機狀態(tài)的上報。

圖4 信號處理模塊OPM模型

1.2.3 組件編織

組件編織將分別實現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能組件和系統(tǒng)功能組件通過依賴的方式與接口進行連接，確保功能組件與橫切組件的設(shè)計沒有相互依賴，實現(xiàn)組件模塊獨立重用。為避免業(yè)務(wù)功能組件和橫切功能組件在組合過程中產(chǎn)生糾纏，采用如圖5所示的面向方面連接件組裝的模型將模塊級橫切組件與核心業(yè)務(wù)組件進行組裝。同時參考AspectJ利用面向方面的通知機制，在連接件的接口處加入切入點和通知，并按照通知類型在連接點調(diào)用通知執(zhí)行模塊級橫切組件提供的功能，在面向方面連接件中進行編織[16]。

圖5 面向方面連接件組裝的模型

1.2.4 集成和部署

系統(tǒng)集成和部署是機載CNS系統(tǒng)實現(xiàn)預期功能的主要活動，本文采用加載藍圖的方式實現(xiàn)功能部署和系統(tǒng)集成。從圖 6系統(tǒng)集成部署模型可以看出，藍圖由功能部署圖、信號流圖和組件裝配圖嵌套組成，其中組件裝配圖描述了組件模型信息和組件編織方式，信號流圖描述了組成功能線程的組件模塊之間的連接關(guān)系和接口定義，功能部署圖描述了功能線程所需的計算資源以及資源的物理分布。在系統(tǒng)通過人工(或自動)藍圖加載的方式完成系統(tǒng)模型實例化后，在系統(tǒng)綜合模塊的統(tǒng)一調(diào)度下實現(xiàn)多個無線電信號的處理以及航電系統(tǒng)中業(yè)務(wù)功能和維護功能的處理。

圖6 系統(tǒng)集成和部署過程OPM模型

1.3 系統(tǒng)變更

變更是機載CNS系統(tǒng)長期演進過程重要活動，本文以圖3中的第2路VHF話音通信功能更改為ACARS波形的數(shù)據(jù)收發(fā)功能為例闡述系統(tǒng)變更過程[17-18]。

根據(jù)前面的分析，實現(xiàn)ACARS數(shù)據(jù)通信的信號調(diào)制解調(diào)，僅需要完成新增編碼、解碼和系統(tǒng)藍圖修改工作。其中波形編解和波形解碼為新開發(fā)的信號處理模塊，其余信號處理模塊直接復用信號模塊庫，同時將ACARS數(shù)據(jù)接收/發(fā)射信號流圖(見圖 7和圖 8)添加到系統(tǒng)藍圖中即可，而不影響其他功能和非功能模塊，提高了系統(tǒng)的維護性和健壯性。

圖7 ACARS數(shù)據(jù)接收信號流圖

圖8 ACARS數(shù)據(jù)發(fā)射信號流圖

新增的ACARS數(shù)據(jù)波形的正確性可通過文獻18闡述的方法進行驗證。

2 實驗結(jié)果與分析

完成機載CNS系統(tǒng)設(shè)計后，在實驗室借助Aeroflex IFR4000導航/通信測試儀和Aeroflex IFR6000航空應(yīng)答機測試儀對系統(tǒng)的功能性能進行測試，實驗結(jié)果顯示采用本文方法研制的機載CNS系統(tǒng)功能具備VHF話音/數(shù)據(jù)功能、LOC/GS著落功能、DME測距功能和ATC應(yīng)答功能，其性能指標滿足表1，達到ICAO附件10的要求，實驗結(jié)果滿足實際應(yīng)用需求。

下面從提高維護性和降低適航難度兩個方面綜合評估采用面向切面思想設(shè)計的機載CNS系統(tǒng)。

2.1 維護性分析

為了便于定量評估系統(tǒng)維護性，本文按照GB/T29834的建議從易分析性、模塊化、穩(wěn)定性、易改變性、可驗證性和規(guī)范性6個方面建立系統(tǒng)可維護性的3層指標評估體系(圖9)[19]。通過采用模糊層次分析法(FAHP)完成系統(tǒng)維護性指標評測權(quán)重集W(結(jié)果如表2所示)，定義評價結(jié)論標準集U={A，B，C}(指標選擇見表3)，單因素指標權(quán)重R，最后采用模糊綜合評判模型B=W·R*UT=0.933 1，得出機載CNS系統(tǒng)得維護性評價為A[20]。

圖9 維護性指標評估體系

表2 維護性指標權(quán)重表

表3 評價結(jié)論表

R={(0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0)}。

2.2 適航符合性分析

復雜機載設(shè)備的適航性是通過其過程設(shè)計的符合性來表明的，ARP SAE4754、DO-178C、DO-254分別規(guī)定系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計、硬件設(shè)計過程所需的符合性材料，其中建立各材料之間的追溯關(guān)系是表明復雜產(chǎn)品符合性的重要環(huán)節(jié)[21]。由于關(guān)注點分離取消了系統(tǒng)需求間的橫向依賴，將為適航符合性驗證過程帶來如下益處：

1)通過將產(chǎn)品設(shè)計到需求、驗證到設(shè)計、確認到需求之間建立追溯矩陣，由多對多的圖形追溯變更為一對多的樹形追溯，降低了符合性證明難度；

2)實現(xiàn)了產(chǎn)品需求之間的獨立性，以及設(shè)計之間的獨立性和非相關(guān)性，有助于提高產(chǎn)品的安全性[22-23]；

3)當產(chǎn)品發(fā)生變更時，根據(jù)CCAR-21.93需重新開展符合性驗證，而“修改影響當局部化”也能有助于縮小影響范圍，縮短再次取證時間。

3 結(jié)束語

隨著新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過系統(tǒng)綜合技術(shù)擴展系統(tǒng)能力，提升機載產(chǎn)品SWaP-C(體積、重量、功耗和成本)效益，已形成了一個蓬勃發(fā)展的趨勢[24]。綜合化系統(tǒng)的可維護性和適航符合性設(shè)計，已成為航電系統(tǒng)研制的關(guān)鍵技術(shù)[25]。

通過實際綜合化機載CNS系統(tǒng)研制可以得出，基于面向切面思想的系統(tǒng)設(shè)計方法，采用關(guān)注點分離技術(shù)識別并分別獨立實現(xiàn)VHF話音、ATC航管應(yīng)答等無線電功能和參數(shù)調(diào)諧、日志管理等非功能性需求，再通過組件編制技術(shù)將二者集成為統(tǒng)一的無線電系統(tǒng)。實際系統(tǒng)測試表明，綜合后的CNS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預期的無線電功能。增加ACARS數(shù)據(jù)鏈功能的變更設(shè)計過程表明，變更的影響被限制在新增模塊和系統(tǒng)藍圖這兩個部分，其余設(shè)計無需變更。最后通過維護性和適航性進行綜合評估，可以得出本文提出的方法能夠提升系統(tǒng)的維護性，有助于產(chǎn)品適航符合性驗證，可以為射頻綜合CNS系統(tǒng)適航性研究奠定基礎(chǔ)。