综合模块化航空电子系统软件体系结构综述

　第30卷　第10期航　空　学　报

Vol 130No 110　2009年 10月ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA Oct. 2009

收稿日期:2008208228;修订日期:2008211218

基金项目:总装备部预研基金(9140A17020307JB3201);空军工程

大学工程学院优秀博士论文创新基金(BC07003)

通讯作者:褚文奎E 2mail :chuwenkui @1261com

文章编号:100026893(2009)1021912206

综合模块化航空电子系统软件体系结构综述

褚文奎,张凤鸣,樊晓光

(空军工程大学工程学院,陕西西安　710038)

Overvie w on Soft w are Architecture of Integrated Modular Avionic Systems

Chu Wenkui ,Zhang Fengming ,Fan Xiaoguang

(Institute of Engineering ,Air Force Engineering University ,Xi ’an 710038,China )

摘　要:作为降低系统生命周期费用(L CC )、控制软件复杂性、提高软件复用程度的重要手段之一,软件体系结构已成为航空计算领域的一个主要研究方向。阐述了综合模块化航空电子(IMA )的理念,分析了推动

IMA 产生和发展的主要因素。总结了ARINC 653,ASAAC ,GOA 以及F 222通用综合处理机(CIP )上的软件

体系结构研究成果,并讨论了IMA 软件体系结构需要解决的若干问题及其发展趋势。在此基础上,对中国综合航电软件体系结构研究提出了一些见解。

关键词:综合模块化航空电子;软件体系结构;开放式系统;软件工程;军事工程中图分类号:V247;TP31115 文献标识码:A

Abstract :As an important means to decrease system life cycle cost (L CC ),control software complexity ,and improve the extent of software reuse ,software architecture has been a mainstream research direction in the aeronautical computer field.This article expatiates the concept of integrated modular avionics (IMA ).Three major factors are analyzed which promote the development of IMA architecture.IMA software architectures presented by ARINC specifications 653,ASAAC ,GOA ,and F 222common integrated processor (CIP )are summarized.Discussion about some problems to be solved and the development trend is made for IMA soft 2ware architecture.Finally ,some views are presented about IMA software architecture research in China.K ey w ords :integrated modular avionics (IMA );software architecture ;open systems ;software engineering ;military engineering

军用航空电子系统(以下简称:航电)是现代

战机的“中枢神经”,承载了战机的绝大部分任务,比如电子战、通信导航识别(CN I )系统等,是决定战机作战效能的重要因素。

F 222的航电综合了硬件资源,重新划分了任务功能,标志着战机的航电结构正式演变为综合式。在此基础上,F 235将航电硬件综合推进到传感器一级,并用统一航电网络取代F 222中的多种数据总线,航电综合化程度进一步提高[1]。

与此同时,航电软件化的概念逐渐凸现。F 222上由软件实现的航电功能高达80%,软件代码达到170万行,但在F 235中,这一数字刷新为800多万行。这表明,软件已经成为航电开发和实现现代化的重要手段[2]

。

航电综合化和软件化引申的一个重要问题是如何合理组织航电上的软件,使之既能够减少生

命周期费用(Life Cycle Co st ,L CC )和系统复杂度,同时又能在既定的约束条件下增强航电软件的复用性和经济可负担性。此即是航电软件体系结构研究的主要内容。

1　综合模块化航空电子

111　综合模块化航空电子理念

综合模块化航空电子(Integrated Modular Avi 2onics ,IMA )(注:该结构在国内一般称为综合航

电)是目前航电结构发展的最高层次,旨在降低飞机LCC 、提高航电功能和性能以及解决软件升级、硬件老化等问题。与联合式航电“各子系统软硬件专用、功能独立”的理念不同,IMA 本质上是一个高度开放的分布式实时计算系统,致力于支持不同关键级别的航电任务程序[3]。其理念概括如下:

(1)系统综合化。IMA 最大限度地推进系

统综合,形成硬件核心处理平台、射频传感器共享;高度融合各种传感器信息,结果为多个应用程

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序复用;系统能够统一控制、调度和显示,并能辅助飞行员进行战术决策和系统管理。

(2)结构层次化。IMA通过各类标准接口隔离应用程序与底层硬件实现,使得应用程序只与飞机功能有关而与硬件实现无关,系统无需变更硬件即可载入新的应用程序,增强了软件的可移植性。同时,更换硬件构件不影响应用程序,有利于解决硬件老化问题。

(3)功能软件化。为减少配置子系统个数,节省飞机重量、空间和成本,提升资源利用率,并为后续扩展预留空间,IMA越来越多地利用软件取代硬件实现航电功能。

(4)网络统一化。IMA统一了航电网络,改变了联合式结构中多种数据总线并存的格局,有利于降低成本、减轻系统重量、提高数据传送速度。

(5)产品商用化。IMA结构中的软硬件尽可能采用商用货架[4](Commercial Off2The2 Shelf,CO TS)产品,推进产品的标准化、模块化,有利于产品移植和降低系统L CC。

(6)调度灵活化。IMA将应用程序进行细粒度划分,采用周期轮转和/或优先级抢占调度策略确保每个应用程序或安全关键程序的截止期限得到满足。

(7)认证累计化。IMA强调可负担性,引入安全累计认证思想。当需要更换或新增某个硬件或软件构件时,只需对此构件进行安全认证即可,无需重新认证整个系统的安全性,有助于减少认证代价。

(8)维护中央化。IMA引入航电中央维护思想,机上故障预测与健康监控系统与地面维护中心实时连接,形成中央维护系统。战机远离维修场站时,中央维护系统机上部分能够动态重构航电,持续保持航电功能和性能,机下部分便于视情况维护。

112　推动IMA产生和发展的主要因素

纵观航电结构发展历程,推动IMA产生和发展的因素主要有3个:

(1)技术发展。微电子、高性能计算机、半导体、信号处理、软件工程、虚拟仿真等技术在航电领域中的应用,推动了航电向单元模块的细粒度、设备的集约化、体系结构的开放性、系统的高性能等方向发展,为IMA的产生提供了先决技术条件。

(2)性能需求。20世纪80年代之后,新军事革命思想和复杂环境下的现代战争对战机的任务性能和操作性能提出了越来越高的要求,比如超视距、全天候、全向多目标作战等。这些性能需求为IMA发展指明了目标和方向。

(3)经济压力。战机任务性能和操作性能等需求的不断增加,造成飞机LCC日益增长,与减少国防经费开支的理念相悖。因而突破既有航电格局,增强软件的复用性、硬件的快速可升级性,从根本上减轻经济负担,是对IMA发展的重要约束。

本质上,三者是辩证统一的。相关技术在航电中的应用推动了IMA的产生和发展,为IMA 实现性能需求、满足约束条件提供了技术支撑。提高战机性能、降低L CC既依赖于相关技术,又能牵引新技术的发展。

2　IMA软件体系结构

软件体系结构是系统初始设计决策的形式化描述,是对系统的整体抽象和把握[5]。软件体系结构技术致力于结构复用、构件复用,相比面向对象技术致力于代码复用而言,复用程度更高。

较之一般应用软件,航电软件有以下特点:①绝大多数航电软件有实时性要求,需要能及时、正确响应外部发生的随机事件[6]。②航电是一个安全关键系统[3]。航电软件的安全性、可靠性关系到整个飞机的安危。③航电软件是一个复杂的系统。电子战、CN I、光电等任务程序共享硬件资源和信息,难以割离其间相互影响。

理想的IMA软件体系结构应既能贯彻IMA 的理念,又能体现航电软件的特点。目前,航空、航天领域产生了4种典型的IMA软件体系结构,分别是ARINC653,ASAAC,GOA以及F222通用综合处理机(Common Integrated Processor, CIP)上的软件体系结构。

211　ARINC653软件体系结构

早期ARINC653规范[7]提出的IMA软件结构如图1中实线部分所示。严格来说,它只是制定了操作系统层和应用软件层之间的标准接口(A PEX),离体系结构的层面相去甚远。但它引入了程序分区的思想,通过将应用程序分为若干个区,每个分区分配指定的内存空间和CPU时间槽,将失效约束在分区内部,实现分区的“互不干扰”,一定程度上增强了系统的安全性和可预测性。在应用程序分区基础上,修订的A RINC 653[8]增加了系统分区,如图1中虚线部分所示,以应对可能出现的系统问题,比如外部事件、系统故障等。

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