AFDX網(wǎng)絡在預警監(jiān)視飛艇中的應用分析*

薄云蛟 王大華

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

AFDX網(wǎng)絡在預警監(jiān)視飛艇中的應用分析*

薄云蛟 王大華

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

預警監(jiān)視飛艇是一種新型信息化作戰(zhàn)平臺,針對其信息收集、處理和分發(fā)的任務特點,對其航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行了需求分析。介紹了AFDX網(wǎng)絡的技術(shù)特點,并在此基礎上分析了AFDX網(wǎng)絡作為預警監(jiān)視飛艇數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的應用優(yōu)勢。

預警監(jiān)視飛艇;航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡;AFDX

Class NumberTP393.03

1 引言

飛艇是一種輕于空氣的航空器,至今已有100多年的發(fā)展歷程,上世紀90年代開始,現(xiàn)代科學技術(shù)與工藝使得飛艇重新煥發(fā)生機。新型飛艇具有許多其它飛行器無法比擬的優(yōu)秀性能,如有效載荷大、低空性能好、續(xù)航時間長、運動自由度高、運行成本低、節(jié)能減排等[1]。因此,新型飛艇受到世界許多發(fā)達國家的關(guān)注,并競相投入開發(fā)和使用。例如,2009年美國陸軍提出“長航時多情報飛行器(LEMV)”的飛艇研發(fā)計劃,該艇裝備全動態(tài)視頻系統(tǒng)和合成孔徑雷達等,可探測路邊炸彈和跟蹤運動車輛、人員;通過多用途戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈,可插入“分布式通用地面站”系統(tǒng),也可直接向陸軍指揮人員提供信息。

由此可見,飛艇是一種優(yōu)秀的空中平臺,裝配相應的電子設備,即可成為優(yōu)秀的空中預警和監(jiān)視平臺、通信中繼平臺、海岸偵察和反潛平臺、探雷和掃雷平臺、空中指揮控制平臺、空中電子對抗平臺等[2]。如能利用低成本的飛艇聯(lián)合其它的監(jiān)視預警平臺(衛(wèi)星、地面雷達、艦船雷達、預警飛機等)構(gòu)建立體多層面的預警體系,則可以不間斷地對邊境、領(lǐng)海和重要目標進行巡邏、監(jiān)控,對越來越具威脅的隱身飛機、巡航導彈等高技術(shù)武器裝備具良好的預警能力。

預警監(jiān)視飛艇系統(tǒng)主要由飛艇平臺系統(tǒng)、任務電子系統(tǒng)(包括預警雷達、SAR和光學偵察系統(tǒng)等)、遙控遙測系統(tǒng)、信息綜合系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等部分組成。整個系統(tǒng)應能在設計工作時間內(nèi),完成以下主要任務:

1)信息收集。實時收集預警雷達等多種傳感器獲得的目標信息。

2)信息處理。對目標信息進行分析處理,形成預警監(jiān)測信息下行數(shù)據(jù)包。

3)信息分發(fā)。通過高速數(shù)據(jù)鏈發(fā)送預警監(jiān)測數(shù)據(jù),包括原始視頻數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理的目標圖文信息。

2 預警監(jiān)視飛艇系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡信息交換需求

在航空平臺有限的空間中實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)的有效運轉(zhuǎn),需要解決兩個問題:第一是信息資源的共享;第二是設備資源的共享。各個設備、模塊和部件只有連成網(wǎng)絡,才能共享信息和設備資源,才能充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的效能。

有效的航空電子系統(tǒng)的綜合對于內(nèi)部互聯(lián)的需求主要體現(xiàn)在帶寬、實時性和可靠性三個方面。預警監(jiān)視飛艇系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是一個多級復合網(wǎng)絡,按照其功能可劃分為前端傳感器區(qū)、信號處理區(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)、系統(tǒng)大容量存儲器區(qū)和后端顯示器區(qū)等。各個分區(qū)內(nèi)部以及不同分區(qū)之間數(shù)據(jù)的傳輸交換任務不同,對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的需求也不相同,現(xiàn)針對主要功能分區(qū)分析如下:

2.2 產(chǎn)后2 h陰道出血量 48例患者中有45例出血量為50～100 ml，2例出血量為150～200 ml出血量，1例出血量250～300 ml。

1)前端傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,主要完成前端傳感器信息到信號處理區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。前端傳感器如雷達、光電、導航等,會連續(xù)輸出大量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸路徑固定,并且相互獨立。因此,前端傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)相對固定,需要支持高速率、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸,提供點到點和點到多點的連接。

2)信號處理區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。信號處理區(qū)由多個信號處理模塊和I/O模塊組成,信號處理模塊接收并處理前端傳感器區(qū)傳來的大量數(shù)據(jù)并且需要和I/O模塊、數(shù)據(jù)處理區(qū)以及其它信號處理模塊進行數(shù)據(jù)傳輸與交換。因此,信號處理區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)可變,需要支持高速率、高確定性的數(shù)據(jù)傳輸與交換。

3)數(shù)據(jù)處理區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,其拓撲結(jié)構(gòu)和信息交換需求與信號處理區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡類似。

4)后端視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,主要完成顯示處理機和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸,拓撲結(jié)構(gòu)相對固定。

5)分區(qū)之間的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,例如信號處理區(qū)與系統(tǒng)大容量存儲器區(qū)之間的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,主要進行突發(fā)數(shù)據(jù)和緊急消息(如系統(tǒng)控制命令和數(shù)據(jù))的傳輸,因此對傳輸速率要求不高,但實時性和可靠性要求較高,需要進行容錯設計[3]。

綜上所述,高傳輸速率、強實時性、高可靠性和低延遲是預警監(jiān)視飛艇系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的基本需求。

3 AFDX網(wǎng)絡技術(shù)特點

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展,新一代高速航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡得到了廣泛的應用,其中基于IEEE 802.3的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)AFDX,由于其性能優(yōu)良,被認為是未來大型飛機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的首選標準。

AFDX網(wǎng)絡主要由航空電子子系統(tǒng)、端系統(tǒng)(End System)和AFDX交換機(Switch)三部分組成。航空電子子系統(tǒng)通過端系統(tǒng)以全雙工方式連接到AFDX交換機,通過交換機完成數(shù)據(jù)的交換,如圖1所示。

圖1 AFDX網(wǎng)絡系統(tǒng)組成

·虛鏈路的隔離:為了避免在同一物理連接上不同虛鏈路之間的干擾,需要限制虛鏈路上所傳輸以太網(wǎng)幀的傳輸速率,以及限制以太網(wǎng)幀的大小,由帶寬分配間隔(BAG)和最大幀長度(Lmax)兩個參數(shù)決定。端系統(tǒng)在每個虛鏈路的基礎上調(diào)整要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,保證同一虛鏈路上一個BAG時間間隔內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包不超過一個。

·虛鏈路的調(diào)度:當端系統(tǒng)擁有多個虛鏈路時,虛鏈路調(diào)度程序按照一定實時調(diào)度策略對來自不同虛鏈路的數(shù)據(jù)幀進行調(diào)度,保證數(shù)據(jù)幀的發(fā)送滿足不同數(shù)據(jù)流的實時性要求。當數(shù)據(jù)幀到達虛鏈路時,端系統(tǒng)可能引起抖動。這個抖動的范圍為從開始的BAG到第一個以虛鏈路分配的最大分配帶寬傳輸?shù)膸g的間隔。為了限制端系統(tǒng)的瞬時幀速率,從而適應其他虛鏈路的幀,在調(diào)度器的輸出端,特定虛鏈路上數(shù)據(jù)幀要出現(xiàn)在有限的時間間隔內(nèi),這個時間間隔定義為最大可以允許的抖動(Max Jitter),如圖2所示。ARINC-664限制每條虛鏈路上最大的抖動為500μ s,以控制對于整個網(wǎng)絡確定性的影響。

圖2 抖動的定義

此外,AFDX網(wǎng)絡通過在每個端系統(tǒng)之間配置兩個獨立的路徑(包括媒體控制層MAC、PHY和電纜),并在網(wǎng)絡上同時傳輸相同的幀來實現(xiàn)冗余管理。

4 AFDX在預警監(jiān)視飛艇中的應用分析

4.1 帶寬

預警監(jiān)視飛艇搭載了預警雷達、SAR、光電系統(tǒng)等多種任務電子系統(tǒng),根據(jù)綜合航電系統(tǒng)的設計思想,為了提高其系統(tǒng)信息融合能力,需要把傳感器原始數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸至通用核心處理模塊,因此其前端傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡對帶寬的要求很高。例如一個具有100萬像素、30Hz幀頻率和8位灰度等級的前視紅外成像傳感器將產(chǎn)生240Mb/s的原始數(shù)據(jù)速率。而AFDX網(wǎng)絡在采用電纜作為傳輸介質(zhì)的情況下,其帶寬已經(jīng)可以達到100Mb/s,如果采用光纖介質(zhì),更可以達到 1000Mb/s或更高,通過全雙工交換網(wǎng)絡連接傳感器和信號處理模塊,可以建立穩(wěn)定的高速連接通道。

4.2 實時性

圖3 預警監(jiān)視飛艇數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

航空電子系統(tǒng)對網(wǎng)絡實時性的要求很高,傳統(tǒng)的以太網(wǎng)無法滿足,而AFDX通過精確的流量整形控制單個虛鏈路上分組的發(fā)送間隔,限制了虛鏈路的突發(fā)度,控制了聚合流量最壞條件下的排隊延遲界限[4～5],使得幀的傳輸服從一個有界的到達分布,進而保證網(wǎng)絡端到端的最大傳輸時延是可計算的。當發(fā)送端系統(tǒng)存在多條虛鏈路時,通過調(diào)度器對來自整形器的多個虛鏈路的數(shù)據(jù)流進行實時調(diào)度,以滿足不同的實時性要求,解決了以太網(wǎng)延遲不確定的問題。采用靜態(tài)虛鏈路表的方式進行目的端口的尋址,以控制尋址時間,保證網(wǎng)絡的實時確定性能。

4.3 網(wǎng)絡容錯能力與可靠性

AFDX通過冗余路徑來提高網(wǎng)絡的可靠性,每一個端系統(tǒng)與交換機之間有一條直接的雙向連接,同時還與另一個交換機之間保持第二條雙向連接[6～7]。每個端系統(tǒng)將要發(fā)送的幀編號復制成兩份,分別通過物理上獨立的交換設備向目的端發(fā)送。端系統(tǒng)具有冗余管理功能,目的端系統(tǒng)根據(jù)順序號按順序接收,如果兩個都傳輸正常,則后者被丟棄;如果其中一個傳輸出現(xiàn)了故障,用另一個替代。這樣一個網(wǎng)絡節(jié)點的癱瘓不會影響整個網(wǎng)絡的通信,從而減少了數(shù)據(jù)的丟失,提高了系統(tǒng)的可靠性。

4.4 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計

以AFDX作為主干網(wǎng)絡的預警監(jiān)視飛艇數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,由中央處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡介質(zhì)總線、交換與連接設備共同搭建組成,其中交換與連接設備包括AFDX交換機和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。通過這樣的核心網(wǎng)絡與艇載任務電子系統(tǒng)、信息綜合系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)等系統(tǒng)設備互連便構(gòu)成預警監(jiān)視飛艇的綜合航空電子系統(tǒng),如圖3所示。

中央處理系統(tǒng)包括兩臺互為冗余的機柜,每臺機柜中包含若干圖形生成模塊、通用計算處理模塊以及AFDX核心交換模塊等。這些模塊與模塊之間通過數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡、串行總線或并行總線相互聯(lián)系。

圖形生成模塊與綜合顯示系統(tǒng)相連接,提供駕駛艙綜合顯示控制平臺的信息處理與傳遞控制。通用計算處理模塊通過不同的應用軟件為艇載設備提供數(shù)據(jù)處理服務,以及發(fā)送控制命令。AFDX核心交換模塊將外部艇載設備或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)傳遞給通用計算處理模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供對模擬、數(shù)字、光信號和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換功能,將信號轉(zhuǎn)換為AFDX網(wǎng)絡所能識別的信號協(xié)議形式。

這樣,由AFDX作為主干網(wǎng)絡的預警監(jiān)視飛艇數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)清晰,系統(tǒng)互聯(lián)簡便易行,而且具有高度的開放性。

5 結(jié)語

預警監(jiān)視飛艇是一種新型信息化作戰(zhàn)平臺,其作為信息收集、處理和分發(fā)中心的任務特點,對航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的帶寬、實時性、可靠性等提出了很高的要求。AFDX基于IEEE 802.3以太網(wǎng)的物理層技術(shù),通過精確的流量整形控制和實時調(diào)度策略有效地解決了以太網(wǎng)的延遲時間不確定問題,引入虛鏈路概念實現(xiàn)對帶寬資源的有效分配和隔離,提高了網(wǎng)絡的帶寬利用率,物理上的冗余路徑和基于虛鏈路的數(shù)據(jù)冗余管理提高了網(wǎng)絡的可靠性,具備優(yōu)良的綜合性能,可以為作為預警監(jiān)視飛艇的主干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

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Application Analysis of AFDX in Early Warning Surveillance Airship

Bo Yunjiao Wang Dahua
(College of Electronics Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)

Early warning surveillance airship is a new platform for information warfare.For its task of information collection,processing and distribution,this paper analyzes the requirements of its avionics data network.Then it introduces the characteristics of AFDX,after that,the application advantages of AFDX are analyzed as avionics data network of early warning surveillance airship.

early warning surveillance airship,avionics data network,AFDX

TP393.03

2010年8月21日,

2010年9月30日

薄云蛟,男,碩士研究生,研究方向:系統(tǒng)分析與設計。