開放式綜合通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計

唐明

（中國電子科技集團公司第十研究所 四川省成都市 610036）

1 引言

航空電子系統(tǒng)是飛行器中的任務(wù)傳感器系統(tǒng)、多功能電子系統(tǒng)、總線傳輸系統(tǒng)和計算處理系統(tǒng)的總稱，隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，基于開放式體系架構(gòu)的模塊化、綜合化系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成為航空電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。作為模塊化綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，系統(tǒng)備份充分利用模塊化的設(shè)計優(yōu)勢，將系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點及重要硬件資源進行冗余備份，通過系統(tǒng)軟件的實時調(diào)度實現(xiàn)重要功能的余度設(shè)計。系統(tǒng)重構(gòu)則是在硬件資源冗余備份設(shè)計的基礎(chǔ)上，以基于模塊的故障檢測與診斷技術(shù)為前提，通過完善的系統(tǒng)控制管理邏輯來實現(xiàn)資源的高度共享和任務(wù)可靠性的提升。

2 開放式綜合CNI系統(tǒng)

2.1 開放式系統(tǒng)特征

20世紀90年代中后期，以美國“寶石臺（Pave Pace）”計劃和“聯(lián)合先進攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）”計劃為代表，提出了開放式航空電子體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)的核心是通過對系統(tǒng)接口、功能采用廣泛使用的非專利性規(guī)范，以最小變化適應(yīng)多種用途的軟硬件集合。開放式體系結(jié)構(gòu)目前已成為美國F-35飛機航空電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其強調(diào)采用以民用標準為基礎(chǔ)的統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡(luò)，以軟件無線電為基礎(chǔ)的模塊劃分，以及具有高可靠性和高擴展性的機械、電氣接口，以便實現(xiàn)當前技術(shù)和未來技術(shù)間的平穩(wěn)過渡，達到“降本增效”的目的。綜合CNI系統(tǒng)的設(shè)計也應(yīng)遵從此要求開展系統(tǒng)設(shè)計。

2.2 模塊化系統(tǒng)

航空電子系統(tǒng)由軟件邏輯結(jié)構(gòu)和硬件物理結(jié)構(gòu)組成，早期（20世紀70年代前）的航空電子系統(tǒng)由各種專用設(shè)備組成，并從分立式、聯(lián)合式、綜合式，發(fā)展成為以模塊化為基礎(chǔ)的開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

模塊是指可組合成系統(tǒng)并且具有某種特定功能和接口結(jié)構(gòu)的通用獨立單元，而模塊化航空電子系統(tǒng)是指通過一系列標準化通用功能模塊的組合，通過加載與硬件無關(guān)的軟件，完成航空電子各個設(shè)備功能的系統(tǒng)。在模塊化航空電子系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)都是建立在通用功能模塊之上的，而通用功能模塊在機載硬件資源基礎(chǔ)上，通過加載不同的軟件完成具體的功能。對于模塊化航空電子系統(tǒng)，它的優(yōu)點就是將一些航空電子設(shè)備整合到一個標準的硬件平臺上，為了避免這些設(shè)備之間的相互影響，必須將它們封裝在綜合區(qū)域之中，這也是組件模塊化航電電子系統(tǒng)的基本手段。系統(tǒng)綜合化模塊化消除了設(shè)備物理結(jié)構(gòu)間的界限，實現(xiàn)了多任務(wù)之間的軟硬件資源共享，從而實現(xiàn)了航空電子系統(tǒng)由設(shè)備集成到功能綜合的根本性轉(zhuǎn)變。因此，模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是綜合CNI系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。

2.3 綜合CNI系統(tǒng)設(shè)計流程

作為現(xiàn)代飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，無線電通信、導(dǎo)航與識別功能具有相近的電波空間傳輸、檢測和處理的特征，將這些系統(tǒng)功能進行綜合設(shè)計是航空電子系統(tǒng)一個重要的設(shè)計方法，稱為綜合通信導(dǎo)航識別（Integrated Communication Navigation and Identification）系統(tǒng)。傳統(tǒng)的CNI系統(tǒng)是基于獨立設(shè)備的聯(lián)合式集成系統(tǒng)，采用多路傳輸數(shù)據(jù)總線將相關(guān)設(shè)備互連起來，并進行綜合顯示和控制。近年來，綜合CNI系統(tǒng)逐步演變?yōu)榛谀K結(jié)構(gòu)的綜合系統(tǒng)，其設(shè)計思路是：采用開放式的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)取代原先各自獨立的CNI設(shè)備，用軟件無線電技術(shù)對高速A/D轉(zhuǎn)換信號進行射頻信號數(shù)字化處理，用高速DSP和FPGA進行基帶信號處理，用軟件實現(xiàn)各種信號波形的重編程和無線電功能。

綜合CNI系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。根據(jù)無線電收發(fā)機結(jié)構(gòu)定義和通信導(dǎo)航識別設(shè)備的工作原理，在統(tǒng)一的標準下將原有的獨立設(shè)備分解為不同的功能單元，然后根據(jù)實現(xiàn)功能相似的原則對各個功能單元進行組合歸類，形成多個通用的功能模塊，并在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)總體框圖設(shè)計。

圖1：綜合CNI系統(tǒng)設(shè)計流程

2.4 綜合CNI系統(tǒng)典型構(gòu)型

綜合CNI系統(tǒng)按照上述自頂向下的設(shè)計流程，將CNI系統(tǒng)統(tǒng)一劃分為綜合孔徑、綜合信道、綜合數(shù)據(jù)處理等功能區(qū)域。其中，綜合孔徑區(qū)完成射頻信號的接收和發(fā)射；綜合信道區(qū)完成射頻信號適配、功率放大、射頻交換、射頻濾波及上下變頻、中頻濾波及放大、中頻信號數(shù)字化、中頻交換等功能；綜合數(shù)據(jù)區(qū)完成數(shù)字中頻信號處理、數(shù)據(jù)及協(xié)議處理、加/解密處理、語音處理等功能。

綜合CNI系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的某個傳感器設(shè)備實現(xiàn)某特定功能的設(shè)計思維模式，采用全新的軟件無線電技術(shù)，將整個CNI系統(tǒng)的各個子功能按照工作頻段和處理流程進行資源綜合化設(shè)計。各處理資源在系統(tǒng)統(tǒng)一的監(jiān)測、調(diào)度、管理下動態(tài)組合形成完整的硬件處理鏈路，并在通用的硬件平臺上加載不同的功能算法軟件實現(xiàn)某特定的傳感器功能。

綜合CNI系統(tǒng)與聯(lián)合式CNI系統(tǒng)相比，體積、重量、功耗可降低30%左右，綜合化、通用化、模塊化的系統(tǒng)設(shè)計使得模塊的種類和數(shù)量減少約60%，系統(tǒng)全壽命周期成本降低35%以上，采用模塊級的外場備品、備件模式，并將傳統(tǒng)的三級維護減少到二級。同時，系統(tǒng)提供的容錯和重構(gòu)能力可大幅提升關(guān)鍵功能的任務(wù)可靠性。

3 系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計

對于航空電子系統(tǒng)，可靠性和容錯性是兩個主要的設(shè)計目標。在開放式綜合CNI系統(tǒng)中，需要每一個重要的通用功能單元都能在故障發(fā)生時，通過系統(tǒng)重構(gòu)來重新恢復(fù)發(fā)送和接收鏈路，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障單元的備份冗余處理。因此，重構(gòu)是綜合CNI系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，重構(gòu)可定義為在某種條件或狀態(tài)發(fā)生時，利用系統(tǒng)通用資源，動態(tài)重建系統(tǒng)的局部功能甚至全部功能。

3.1 重構(gòu)頂層設(shè)計

3.1.1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

綜合CNI系統(tǒng)是一個硬件資源可配置、軟件可加載的有機系統(tǒng)集，系統(tǒng)通過各種獨立流程、功能線程來實現(xiàn)其功能。系統(tǒng)的分層模型如圖2所示。

圖2：綜合CNI系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)層負責系統(tǒng)工作全部流程的組織管理，包括對功能線程的狀態(tài)管理、對模塊的狀態(tài)管理、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和資源分配。功能層是系統(tǒng)中完成一定功能的對象單元集合，由若干功能線程組成，功能線程包含兩個基本要素：一個是功能線程的處理軟件，另一個是實現(xiàn)功能線程的資源模塊集。資源層由系統(tǒng)中的功能模塊硬件和底層驅(qū)動軟件構(gòu)成，是系統(tǒng)的最小功能單元。

3.1.2 重構(gòu)要素

根據(jù)綜合CNI系統(tǒng)典型構(gòu)型及分層結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)的重構(gòu)要素主要包括通用模塊、冗余信息交換、通用信號處理和通用數(shù)據(jù)處理，其邏輯框圖如圖3所示。

圖3：綜合CNI系統(tǒng)重構(gòu)邏輯框圖

（1）通用模塊：可供多個功能線程射頻處理使用的功能模塊，模塊的功能性能指標經(jīng)綜合化設(shè)計后，可滿足于一定頻段內(nèi)各個功能線程的使用需求，通過適當?shù)膮?shù)配置即可適用于不同的功能。

（2）通用信號處理：可適用于系統(tǒng)中任一功能線程的標準信號處理硬件平臺，通過功能應(yīng)用程序的動態(tài)加載實現(xiàn)不同功能的切換。

（3）冗余信息交換：通過冗余信息交換單元實現(xiàn)通用模塊、通用信號處理和功能線程之間的信號流重建，信號流包括了射頻信號、基帶數(shù)據(jù)及控制信號。

（4）通用數(shù)據(jù)處理：功能線程輸出的數(shù)據(jù)由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理平臺進行處理，并實現(xiàn)與航電系統(tǒng)外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互；同時，數(shù)據(jù)處理也是系統(tǒng)的控制中心，系統(tǒng)重構(gòu)控制軟件部署在該平臺，通過建立功能線程優(yōu)先級分配表、資源模塊健康狀態(tài)表和功能狀態(tài)表實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)狀態(tài)管理。

3.2 重構(gòu)邏輯設(shè)計

3.2.1 功能需求

綜合CNI系統(tǒng)主要完成飛機與飛機、飛機與地面之間的話音/數(shù)據(jù)通信、航路導(dǎo)航、著陸/著艦、敵我識別、航管應(yīng)答等功能，其典型的功能需求如表1所示。

表1：功能需求表

3.2.2 可重構(gòu)資源設(shè)計

在圖2系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜合CNI系統(tǒng)的可重構(gòu)資源設(shè)計主要從以下幾個方面開展：

首先對功能線程對象的相關(guān)性進行分析，明確哪些功能線程可以采用相同的資源模塊構(gòu)建，哪些功能可以時分復(fù)用。根據(jù)上表1的功能需求，功能相關(guān)性分析的首要考慮因素是工作頻段的一致性，由此確定具備功能相關(guān)性的功能線程主要包括兩個大的功能集，分別為工作于100~400MHz的VHF/UHF頻段功能集、工作于0.8GHz~1.5GHz的L頻段功能集，包含于這兩個功能集內(nèi)部的功能線程具備相關(guān)性和重構(gòu)的物理基礎(chǔ)。同時，從平臺的任務(wù)使命出發(fā)，其執(zhí)行通信功能4/5/6的任務(wù)剖面相互獨立，上述三項功能位于同一功能集中，可以時分復(fù)用。

其次對模塊資源相關(guān)性進行分析，對于綜合CNI系統(tǒng)，其基礎(chǔ)硬件架構(gòu)包括接收鏈路和發(fā)射鏈路，接收鏈路可細分為天線接口單元、下變頻單元、中頻處理單元等部分；發(fā)射鏈路可細分為中頻處理單元、上變頻單元、功率放大單元等部分。因此通用模塊資源的重構(gòu)設(shè)計集中在各個單元鏈路開展。在功能線程的信號處理部分，綜合考慮各類功能線程波形算法對處理器資源的需求，為各功能線程提供通用的處理平臺。

再次對功能線程信號數(shù)據(jù)流進行分析，找出功能線程重構(gòu)時，模塊對象間信息流的可能重建途徑，并結(jié)合物理實現(xiàn)代價，確定重構(gòu)信息流交換的路徑及規(guī)模。

最后對功能優(yōu)先級進行分析，在同一功能集中，由于功能線程數(shù)量眾多，若要實現(xiàn)各功能之間的任意重構(gòu)，所需的信息流交換規(guī)模將十分巨大，在設(shè)備體積、重量受限的情況下無法實現(xiàn)。因此，對功能優(yōu)先級進行分析，通過重構(gòu)保證當前任務(wù)階段最重要的功能始終能夠正常工作，在重構(gòu)能力和可實現(xiàn)的電路規(guī)模之間取得折中，才能達到最優(yōu)設(shè)計。

通過上述可重構(gòu)資源設(shè)計原則，對表1所示的綜合CNI系統(tǒng)進行如下重構(gòu)資源劃分：

3.2.2.1 VHF/UHF頻段功能集

該功能集中包含通信功能2/3/4/5/6、識別功能1，其中通信功能2具有最高優(yōu)先級，其鏈路中任一資源故障都具有重構(gòu)能力，識別功能1具備最低優(yōu)先級，不具備重構(gòu)能力。其余功能可根據(jù)優(yōu)先級設(shè)置進行重構(gòu)。

3.2.2.2 L頻段功能集

該功能集中包含通信功能7、導(dǎo)航功能2、識別功能2/3，其中識別功能3具有最高優(yōu)先級，其鏈路中任一資源故障都具有重構(gòu)能力。其余功能可根據(jù)優(yōu)先級設(shè)置進行重構(gòu)。

3.3 重構(gòu)流程設(shè)計

如圖3所示，一個典型的綜合CNI系統(tǒng)采用通用模塊（通用信號處理模塊、通用接收模塊、通用激勵模塊、功率放大模塊）的共享以及開關(guān)矩陣、中頻交換的硬件線程路由切換來實現(xiàn)硬件鏈路的備份，僅需加載不同的功能算法軟件即可完成不同的功能，進而實現(xiàn)系統(tǒng)功能的備份與重構(gòu)。

根據(jù)系統(tǒng)重構(gòu)執(zhí)行過程，重構(gòu)可分為任務(wù)重構(gòu)和故障重構(gòu)。

3.3.1 任務(wù)重構(gòu)

任務(wù)重構(gòu)的觸發(fā)條件為航電系統(tǒng)下發(fā)的任務(wù)階段切換命令，系統(tǒng)控制管理軟件接收到該命令后，按照預(yù)先設(shè)定的功能時分復(fù)用邏輯、啟動功能重構(gòu)過程。該過程與故障重構(gòu)過程的區(qū)別在于沒有資源選擇過程，直接使用分時復(fù)用功能的資源。例如，表1中綜合CNI系統(tǒng)任務(wù)重構(gòu)僅存在于通信功能4/5/6之間，三項功能占用相同的硬件資源，當飛行員執(zhí)行某項具體的任務(wù)時，系統(tǒng)會根據(jù)航電發(fā)下的指令將相應(yīng)資源配置為其中一項通信功能的工作狀態(tài)。任務(wù)重構(gòu)的流程如圖4所示。

圖4：任務(wù)重構(gòu)流程

3.3.2 故障重構(gòu)

故障重構(gòu)的觸發(fā)條件為綜合CNI系統(tǒng)實時檢測通用模塊資源狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)模塊故障后，觸發(fā)故障處理流程。故障重構(gòu)的原則如下：

（1）根據(jù)不同的飛行階段對功能的優(yōu)先級進行定義，重構(gòu)過程按照優(yōu)先級由高到低的優(yōu)先順序進行；

（2）低優(yōu)先級功能的喪失不影響高優(yōu)先級功能，當前最低優(yōu)先級功能喪失將不啟動系統(tǒng)重構(gòu)過程；

（3）高優(yōu)先級功能的喪失，用當前最低優(yōu)先級功能資源進行重構(gòu)。

根據(jù)上述原則，出現(xiàn)模塊故障后，系統(tǒng)先判斷使用該故障模塊功能的優(yōu)先級，如果是最低，直接報故，不進行故障重構(gòu)處理；如果使用該模塊功能的優(yōu)先級不是最低、且存在可使用的資源，則解構(gòu)低優(yōu)先級的功能，然后把低優(yōu)先級功能使用的資源分配給報故功能，通過加載功能程序代碼、重新下發(fā)參數(shù)等，使該功能能夠正常工作。故障重構(gòu)的流程如圖5所示。

圖5：故障重構(gòu)流程

3.4 重構(gòu)對系統(tǒng)任務(wù)可靠性的影響

綜合CNI系統(tǒng)采用了開放式模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得各個功能線程能夠在時域上進行復(fù)用，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)通用硬件資源的共享，功能波形、算法的可重構(gòu)和可擴展，從而提高了CNI系統(tǒng)的可靠性。與聯(lián)合式CNI系統(tǒng)串行結(jié)構(gòu)相比較，綜合CNI系統(tǒng)采用容錯能力較強的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計，假定系統(tǒng)各部件的故障率服從指數(shù)分布且相互獨立，令第i個部件的壽命為L(i=1,2,…,n)，則其可靠度為

R(t)=P{L>t}

若初始時刻為t=0，則串行結(jié)構(gòu)的聯(lián)合式CNI系統(tǒng)可靠度為：

R(t)=P{min(L,L,…,L)>t}，n∈N

并行結(jié)構(gòu)的綜合CNI系統(tǒng)可靠度為：

R(t)=P{max(L,L,…,L)>t}，n∈N

由此可知聯(lián)合式CNI系統(tǒng)的可靠性取決于可靠性最低的部件，而采用并行結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合CNI系統(tǒng)可靠性取決于可靠性最高的部件，因此，通過系統(tǒng)重構(gòu)可使綜合CNI系統(tǒng)的任務(wù)可靠性得到顯著提高。

4 結(jié)論

本文對機載開放式綜合CNI系統(tǒng)的特征及設(shè)計方法進行探究，結(jié)合典型綜合CNI系統(tǒng)的構(gòu)型開展系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計，提取系統(tǒng)重構(gòu)要素和可重構(gòu)資源，并對任務(wù)重構(gòu)和故障重構(gòu)開展了詳細的流程設(shè)計，可為其它類型綜合化模塊化系統(tǒng)的重構(gòu)設(shè)計提供參考。