開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 華

（西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，航空電子（特別是軍用航空電子）在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)上，已不再是市場(chǎng)技術(shù)領(lǐng)先者和技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，多數(shù)集成電路制造商已逐步退出了軍用航空電子市場(chǎng)，解決航空電子系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展問(wèn)題和軍品級(jí)元器件因市場(chǎng)容量不大而停產(chǎn)等問(wèn)題已成為十分嚴(yán)峻的問(wèn)題。采用民用技術(shù)發(fā)展成果，保證維持航空裝備較長(zhǎng)的使用周期，適應(yīng)產(chǎn)品更改、部件停產(chǎn)及技術(shù)老化的問(wèn)題，成為航空產(chǎn)品必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。同時(shí)為縮短航空電子系統(tǒng)采購(gòu)周期、降低研發(fā)成本、降低產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用、有效應(yīng)用新技術(shù)，開(kāi)放式系統(tǒng)的概念進(jìn)入人們的視野。

開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)具有如下特征[1]：

● 使用明確的、廣泛使用的、非專利接口/協(xié)議；

● 使用工業(yè)界認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)；

● 充分定義系統(tǒng)接口，以在更廣泛的應(yīng)用中增加新的系統(tǒng)功能；

● 通過(guò)增加更高性能的組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展或升級(jí)，并且對(duì)系統(tǒng)影響最??；

● 系統(tǒng)組件以接口規(guī)范為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)相互操作，組件的研制遵循接口規(guī)范。

開(kāi)放式系統(tǒng)概念首先在美國(guó)進(jìn)入航空電子領(lǐng)域。先后成立了OS–JTF、SAE ASD MAT、SAE ASD AS5 GOAA 等開(kāi)放式系統(tǒng)工作組，制定了一系列開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在F–35、F–18E/F、及C17 等新研制項(xiàng)目或系統(tǒng)升級(jí)中應(yīng)用了開(kāi)放式航空電子系統(tǒng)[2]。歐洲根據(jù)ASAAC(聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)委員會(huì))計(jì)劃也制定了一系列有關(guān)開(kāi)放式航空電子系統(tǒng)軟件、模塊、包裝及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)草案，并在A380 及未來(lái)的歐洲新一代飛機(jī)項(xiàng)目研制過(guò)程中執(zhí)行。

1 開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

開(kāi)放式系統(tǒng)關(guān)鍵特性是它們建立在接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，這些標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放式的并且是切實(shí)可用的。它們規(guī)范了開(kāi)放式系統(tǒng)的生成和可移植性。目前開(kāi)放式航空電子系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)形成了不同的標(biāo)準(zhǔn)系列，如ASAAC 系列標(biāo)準(zhǔn)以及ARINC 653 等。

1.1 ASAAC 標(biāo)準(zhǔn)

英國(guó)國(guó)防部于2005 年頒布了ASAAC 系列綜合化模塊化的先進(jìn)航空電子標(biāo)準(zhǔn)與指南，包括：體系架構(gòu)、封裝、通信網(wǎng)絡(luò)、通用功能模塊、軟件等5個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)系統(tǒng)要求指南共6 部分。該系列標(biāo)準(zhǔn)與指南覆蓋了綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃，軟件設(shè)計(jì)、通用功能模塊開(kāi)發(fā)等諸多方面的內(nèi)容，是一部綜合性的標(biāo)準(zhǔn)。其中：

● 《體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了開(kāi)放式模塊化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求及全套標(biāo)準(zhǔn)草案主要需求，是全套標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和總需求；

● 《軟件標(biāo)準(zhǔn)》是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)、功能、物理接口和邏輯接口的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和要求；

● 《通信和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)》詳細(xì)說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)功能和基本接口，以保證通用模塊的互操作性，并用建議設(shè)計(jì)幫助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；

● 《通用功能模塊（CFM）標(biāo)準(zhǔn)》定義了CFM的功能和基本接口以保證它們的互換性，并為其實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)計(jì)建議；

● 《封裝標(biāo)準(zhǔn)》為IMA（綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)）核心系統(tǒng)部件建立統(tǒng)一的封裝要求，它定義了模塊的物理特性、模塊物理接口和推薦的IMA機(jī)架及操作環(huán)境；

● 《系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南標(biāo)準(zhǔn)》定義了系統(tǒng)管理、故障管理、系統(tǒng)初始化和關(guān)機(jī)、系統(tǒng)配置/重構(gòu)、時(shí)間管理、信息安全問(wèn)題、安全性等方面管理的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和要求，是開(kāi)放式模塊化航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整的設(shè)計(jì)指南。

1.2 ARINC 653 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

ARINC 653 在航空計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間定義了一個(gè)通用的APEX（Application/Executive）接口。該接口為應(yīng)用程序提供了一系列的服務(wù)，包括分區(qū)管理、進(jìn)程管理、時(shí)間管理、存儲(chǔ)管理、區(qū)內(nèi)通信、區(qū)間通信和健康監(jiān)控等，通過(guò)這些接口，應(yīng)用軟件可以得到各種功能服務(wù)，也可以對(duì)各種服務(wù)的屬性加以控制，如任務(wù)調(diào)度、通信和內(nèi)部狀態(tài)信息等。目前ARINC 653 由3 部分組成：

● ARINC 653 Part 1：基本服務(wù)；

● ARINC 653 Part 2：擴(kuò)展服務(wù)，補(bǔ)充了文件系統(tǒng)、多模塊調(diào)度、日志服務(wù)、服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)；

● ARINC 653 Part 3：符合性測(cè)試規(guī)范。

2 慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的需求

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)突出變革就是組合導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用。隨著控制理論、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能化信息處理技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國(guó)家紛紛開(kāi)展了以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主的多種導(dǎo)航系統(tǒng)的組合研究，把適用范圍、實(shí)時(shí)性、所提供的信息、可靠性、導(dǎo)航精度各不相同的各種導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息用信息融合技術(shù)加以綜合，從而提高系統(tǒng)的整體精度、可靠性、魯棒性、抗損性、反電子干擾及反欺騙能力。INS/GPS組合系統(tǒng)是目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向。按照組合方式可以把INS/GPS 組合系統(tǒng)分為：松組合、緊組合。組合導(dǎo)航對(duì)不同信息源之間數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)接口提出要求。隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)信息綜合從系統(tǒng)內(nèi)信息綜合向綜合多種飛機(jī)導(dǎo)航傳感器信息方向發(fā)展，系統(tǒng)組成從外場(chǎng)可更換單元向外場(chǎng)可更換模塊方向發(fā)展，慣導(dǎo)系統(tǒng)需要開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同信息源進(jìn)行更好的數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)交互。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展需要權(quán)衡各種指標(biāo)并滿足應(yīng)用的需求，導(dǎo)航性能和價(jià)格成本是首要的2個(gè)特性指標(biāo)。價(jià)格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護(hù)成本和使用壽命。對(duì)于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價(jià)格仍然被置于應(yīng)用要求的前面[3]。采用開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊化標(biāo)準(zhǔn)接口和軟件模塊化標(biāo)準(zhǔn)接口，可更方便實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品配置變化及硬件更改。慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)大量使用通用化模塊，可大大降低產(chǎn)品的研制與維護(hù)成本。

慣性傳感器的發(fā)展情況直接決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。美國(guó)對(duì)慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行闡述時(shí)，提到了一些新型的慣性傳感器，如納機(jī)電線性加速度計(jì)、超流體量子陀螺儀、原子干涉慣性傳感器等[4]。慣性傳感器技術(shù)是慣性技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,這些新型慣性傳感器被認(rèn)為是下一代慣性技術(shù)的核心，受到美國(guó)和歐洲各國(guó)的重視和經(jīng)費(fèi)支持，并得以不斷發(fā)展。采用開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)新型慣性傳感器替代現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品，通過(guò)使用軟硬件成熟模塊，可減少慣導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，可以很好解決產(chǎn)品升級(jí)與降低成本的矛盾。

3 慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)放式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上提出了一種新的航空電子系統(tǒng)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種互聯(lián)的接口是開(kāi)放的，這些標(biāo)準(zhǔn)具有交互性、可移植性和規(guī)?？勺冃缘忍攸c(diǎn)。應(yīng)用開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然面臨諸多挑戰(zhàn)，歸納如下：

● 現(xiàn)有開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)能否滿足軍民用慣導(dǎo)系統(tǒng)用戶需求、設(shè)計(jì)要求對(duì)產(chǎn)品性能、硬件接口、數(shù)據(jù)可靠性、傳輸總線等要求；

● 采用不同的開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)在不同的使用環(huán)境，能多大程度降低慣導(dǎo)系統(tǒng)的全壽命成本，以利在不同環(huán)境有針對(duì)性地應(yīng)用；

● 如何驗(yàn)證與測(cè)試慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的符合性，以及在不同的使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的驗(yàn)證；

● 已有不同設(shè)計(jì)保障等級(jí)軟硬件模塊復(fù)用可能引入的風(fēng)險(xiǎn)；

● 標(biāo)準(zhǔn)化接口隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)品升級(jí)可能面臨的擴(kuò)展要求，以及如何適應(yīng)慣導(dǎo)系統(tǒng)以及航空電子系統(tǒng)發(fā)展的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向是與機(jī)上傳感器數(shù)據(jù)耦合更加緊密、部件模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、軟件可復(fù)用。開(kāi)放式系統(tǒng)通過(guò)定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各要素的軟、硬件和接口標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到提高系統(tǒng)任務(wù)性能，改進(jìn)系統(tǒng)的互用性和互換性，降低系統(tǒng)全壽命周期成本等目的。采用開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義，因此加強(qiáng)對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的研究是很有必要的。建議慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的研究可以從以下幾方面入手：

● 對(duì)國(guó)外現(xiàn)有開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分消化；

● 加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)外軍民用慣導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的跟蹤；

● 通過(guò)對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)深入理解和應(yīng)用，總結(jié)歸納我國(guó)慣導(dǎo)系統(tǒng)研制開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的指導(dǎo)性步驟方法，逐步在后續(xù)慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)品型號(hào)研制中應(yīng)用開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，并且在應(yīng)用中牽引標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展創(chuàng)新。

[1]黃永葵，薛秋暉.開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其標(biāo)準(zhǔn)研究[J].航空電子技術(shù)，2005， 3 .

[2]顧偉青. 航空電子系統(tǒng)開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)與自主創(chuàng)新[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008 ，2.

[3]張炎華，王立端. 慣性導(dǎo)航技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)造船，2008 ，10.

[4]祝彬，鄭娟. 美國(guó)慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)的新發(fā)展[J].中國(guó)航天，2008 ，1.