开放式通用航空武器控制系统关键技术研究

开放式通用航空武器控制系统关键技术研究

航空武器控制系统是作战飞机武器系统的重要组成部分，是用于监控飞机悬挂物（主要是各种武器、吊舱、散布器、副油箱等）的工作状态，管理悬挂物与飞机其它分系统的通讯以及提供发射/投放控制信息的航空电子分系统，其性能高低对武器作战效能具有举足轻重的作用，伴随着战争样式、科学技术和机载武器的不断发展，相继经历了模拟式、混合式和数字式等发展阶段，以开放式体系结构为特征的开放式通用悬挂物管理系统是其发展方向。

开放式通用航空武器控制系统是基于开放式系统结构设计的航空武器控制系统，符合开放式系统-联合任务组（OS-JTF）和MIL-STD-2036对开放式系统的定义要求。具体而言，开放式通用航空武器控制系统是符合一系列飞机悬挂物互用性标准的，具有开放式体系结构框架和标准软硬件接口的松耦合系统，支持系统的功能扩展、技术升级和跨平台移植，可在网络中心战的体系结构下，实现任务策略和武器配置数据的实时加载。开放式结构通用航空武器控制系统将改以往封闭式系统的紧耦合设计为开放式系统的松耦合设计，极大地增强飞机与悬挂物之间的互用性，并能在网络中心战中发挥极大的作战效能。

1 开放式系统结构技术

开放式系统，它对接口、服务、支持形式实施充分的开放标准，从而能使正确的设计单元可以以尽可能少的更改就能在较广泛的系统范围内应用，与本地和远程系统的其他单元实现相互操作，并以易于移植的方式与用户交互作用的系统。开放式系统是一种系统设计方法，它可以按照非专利标准来设计硬件，能对多厂商的、可互操作的、可互换的设备进行组合，并提供灵活、经济、有竞争优势的系统设计。开放式系统采用公开的通信协议，将不同厂家的操作系统和接口遵守相同的界面规范和标准进行连接，并使用业界公开的标准网络服务来设计、安装和调试设备，以组成指定功能系统。它能有效地运行于不同平台之上，可以与其它应用系统相互操作，其相应的支撑软件和应用软件能以最少的修改实现不同系统之间的移植，并允许在一个网络上使用多个通信协议的开发和操作环境。

开放式系统结构通过对接口、服务和支持形式等采用充分定义的、广泛使用的、公众支持的非专利规范，以完成系统功能的物理和逻辑实现，这样能以最小的更改就可以在很广的系统范围内合理地使用工程组件。开放式系统结构概念包含着开放式系统和结构。如果一个系统遇到了一组要求和规定，这些要求和规定促进了开放式系统规范生成和可移植性，于是就可产生开放式系统结构。

航空武器控制系统体系结构参考飞机悬挂物通用接口框架的分层体系结构，对系统的软件和硬件模块进行划分，把类似功能的软件和硬件模块封装在一个层次中，不同系统的对应层之间通过逻辑接口进行信息交互，同一个系统的相邻层之间通过直接接口信息交互。系统的不同层之间相对独立，层次内部的修改和扩充既不会影响同一系统的其他层次，也不会影响其他系统的对应层次，能够有效的保证系统的开放性、灵活性和互操作性。如图1所示，航空武器控制系统与武

器都可分3层：系统功能层，武器访问层，物理介质层。

2 综合模块化航空电子系统技术

综合模块化航空电子系统（Integrated Modular Avionics，IMA）是在开放式体系结构框架下，通过采用模块化的设计方法以及在模块间采用开放的标准化接口，使系统硬件和操作系统与系统应用软件相隔离，减少系统更新或升级时的软硬件成本。综合模块化航空电子是目前航电结构发展的最高层次，旨在降低飞机生命周期费用（Life Cycle Cost，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。

综合模块化航空电子系统包括一个IMA核心系统和多个非核心设备。IMA 核心系统是由一系列的标准化通用功能模块（common functional module，CFM）组成，这些模块的连接通过良好定义的、由网络支持模块（network support module，NSM）支持的通用数据网络实现。IMA核心系统执行可重复使用的硬件独立的功能应用、操作系统和系统管理软件，包含了所有的计算处理功能（如数据、信号、图像等）、网络支持功能、电源转换功能等，并接收来自平台的高/低带宽传感器输入并且将它的输出传输到平台的高/低带宽受动器。非核心设备主要指各种高/低带宽传感器、受动器及与之相连的整体网络。

IMA的思想是通过采用模块化的设计方法以及在模块间采用开放的标准化接口，使系统硬件和操作系统与系统应用软件相隔，以降低由于系统老化或发展而产生的影响，减少由系统更新或升级引起的重新设计的需求。综合模块化体系结构和当前的现场可更换单元之间的主要区别在于：应用软件不再存储在它最终被执行的那些模块上，而是保存在大容量存储设备上，当系统初始化或配置时，作为初始化或者配置的一部分被下载到模块上。

将IMA应用到开放式航空武器控制系统的设计中，可有效地将系统软件与硬件实现分隔开来，为即插即用武器集成的实现奠定良好的系统基础。

3 软件插件技术

计算机的硬件设备是由许多插件板连接而成的，而这些插件板又是将许多具有独立功能的集成电路插件按插件板的设计要求组装连接而成的。各种插件卡插到计算机主板上，通过总线让它们可以相互通信、协同工作，计算机的迅速发展与这种结构特征及集成电路的发展是分不开的。近年来受到硬插件技术的启发，人们开始研究软插件技术，与硬插件系统类似，软插件系统由总线（也称宿主程序）、接口和插件三部分组成。

插件通过预先定制的接口连接到总线上。总线是一个总控程序，一般是一个线程，负责插件之间的通信和互操作；接口负责插件的设置、初始化、启动、关闭以及数据的传递工作；插件就是普通的程序，由界面、数据和函数组成，可以

完成某种功能，由于对插件接口制定了统一的规范，系统投入运行后，用户可以根据自己的需要制作插件，通过接口集成到系统中去。修改或淘汰某个插件时可以简单地将其卸载，而总控程序不用修改，如果总控程序正在运行、修改某个插件时，不用停止运行这个总控程序。通过这种技术，增强了系统的灵活性和可扩展性，降低了系统维护费用，延长了软件系统的生命周期。基于插件技术的软件开发方法的一般步骤为：定义接口、生成插件以及在宿主程序中实现对插件管理的功能。接口是宿主程序和插件之间通讯的纽带，所以第一步就是要制定好双方通讯的规则与数据结构，然后定义好插件的结构。如何设计一种好的结构以使开发更加简单，插件的耦合度更低以及更方便的进行数据管理与界面的显示都是非常重要的问题。最后就是要实现对插件的管理功能，宿主程序应该能够执行识别插件、加载插件、卸载插件等操作。除了按照这样的步骤之外，还要在软件开发的过程中注意所开发产品的特殊性。

在通用航空武器控制系统软件设计过程中，航空武器控制系统软件将系统的通用管理功能和具体的悬挂物控制功能分隔开来，当增加新的悬挂物控制服务时，对上层的系统管理不会造成影响，即所谓的即插即用武器集成。在具体实现时，可将悬挂物管理软件设计成插件式结构，通过软件插件的形式来实现具体的悬挂物控制功能服务。在不修改程序主体的情况下对软件功能进行扩展与加强，当插件的接口公开后，任何公司或个人都可以制作自己的插件来解决一些操作上的不便或增加新的功能，实现真正意义上的“即插即用”软件开发。

在悬挂物管理软件设计时，将系统功能层作为软件的主体，提供调用插件的悬挂物控制接口，而武器控制层则是由悬挂物功能插件组成，通过插件接口向系统功能层提供具体的悬挂物控制服务，完成悬挂物的发射控制，从而实现新的悬挂物控制功能的引入以及插件与系统整体的功能整合。采用插件技术设计开放式航空武器控制系统的系统软件，可为未来的软件升级和功能扩展提供便利，符合飞机武器系统即插即用集成的设计理念，能显著提高开放式航空武器控制系统的复用性、灵活性和扩展性，实现武器真正的即插即用。

4 模型驱动开发技术

模型驱动架构（Model Driven Architecture，MDA）是对象管理组织（OMG）针对软件开发的复杂性、多样性和易变性提出的一种新型软件开发方法，它以系统模型设计为中心，通过模型指导系统的需求分析、系统设计、代码设计、系统测试以及系统维护等各个阶段，强调整个系统开发过程由对软件系统的建模行为所驱动，完成系统需求分析、体系结构设计、构建、测试、部署、运行和维护工作。采用模型驱动开发方法可以使系统的设计过程更加自动化，增强系统开发过程中各个阶段设计的一致性和系统的可维护性。

模型驱动开发方法最先要解决的问题是统一描述问题。描述分为两类，一类是对需求的描述，一类是对系统实现的描述。这两类分别是对上层和对下层的描述。在传统的设计流程上，这两类描述很难统一起来。需求一般是采用文本的形式来描述的，而系统实现是采用代码的形式来描述的，因此他们之间存在一个鸿沟。模型驱动开发方法就是要把两类描述在模型的层次上统一起来。模型驱动的