F_22航空电子系统重构设计研究_朱万年

F-22航空电子系统重构设计研究朱万年周童(中国航空工业总公司第615研究所上海200233)摘要简述了重构技术在综合航空电子系统发展中的作用;详细分析了F-22航空电子系统执行重构的过程,包括故障前操作、故障检测、恢复方案确定与实现以及返回操作;最后对F-22航空电子系统重构与/宝石柱0计划重构设计进行了初步的比较。

关键词机内测试(BIT)容错重构1概述F-22航空电子系统重构技术是新一代综合航空电子系统的重要标志。

七十年代以来,综合航空电子系统经历了几个发展阶段。

七十年代初,美国莱特实验室提出的/数字航空电子信息系统(DAIS)0,以1553多路传输数据总线、综合显示控制等核心技术为基础,实现了系统的综合,并广泛应用于F-15、F-16等现役飞机。

八十年代中期,/宝石柱0计划被认为是新一代综合航空电子系统的代表。

该系统采用光纤数据总线、传感器及视频数据分配网络(SDDN、VDDN)等先进技术,满足了信息交换的需要,提高了系统综合的范围和综合的程度;系统采用模块化结构、资源共享的综合原则,实现了高度的实时动态重构,改进了系统的可用性,降低了全寿命周期成本,提高了飞机的整体效能。

/宝石柱0计划的预研成果直接应用于F-22飞机。

F-22飞机是目前世界上已研制的最先进的制空战斗机,集中了美国当今最先进的技术,尤其是航空电子系统,是进入新一代的标志。

九十年代,美国国防部又根据电子技术发展的新水平与飞机性能不断提高的需要,提出了/宝石柱0计划,进一步改进了系统结构,探索信息采集孔径与窗口的综合方法,采用共用天线,传感器综合,传感器管理与数据融合的新技术,进一步发展了核心处理技术,为2010年左右实现的多用途战斗机进行了新的探索。

二十年来,不断探索航空电子系统结构新概念及新技术的发展历程,其目的就是要兼顾系统对性能、可用性、可扩展性及全寿命周期成本诸方面越来越高的要求。

在二十世纪八十年代,航空电子系统低成本和高可用性对达到所需性能似乎是难以克服的矛盾,如果这个矛盾不解决,则将意味着或者只能得到性能较差的飞机,或者只能得到少量高性能的飞机。

正是在这种情况下,系统实时动态重构技术成为新一代综合航空电子系统必不可少的一项关键技术。

/宝石柱0计划实时动态重构真正意义上的实现,使航空电子系统在性能、可用性、成本等方面获得巨大的改进,成为新一代综合航空电子系统的重要标志。

目前,国内的系统实时动态重构技术研究正在起步,我们在深入研究这一先进技术的过程中,应该努力借鉴国外的经验,学以至用,洋为中用,为加速我国综合航空电子系统研制作出应有的贡献。

2F-22航空电子系统重构设计分析211F-22航空电子系统核心处理子系统结构为充分理解F-22航空电子系统故障报告机制及重构方案,有必要先对该系统的核心处理子系统结构和能力加以了解。

F-22是一个综合设计的系统,其核心处理子系统是它最基本的宿主。

由于该子系统可以为航空电子子系统的互相通信提供媒介及服务,并提供它们完成各自功能所需的处理能力,因此,核心处理子系统成为整个航空电子系统的中心。

核心处理子系统的软/硬件提供F-22综合航空电子系统结构所需的存储、输入/输出、数据处理和信号处理能力。

它支持F -22机载雷达、电子战(EW)、通信导航识别(CN I)及任务软件的功能要求。

F-22的核心处理子系统是一个包括全局大容量存储器在内的、可支持信号和数据处理的、开放的、可扩展的结构。

这种结构非常有利于设计一种松散耦合、故障容错的实时软件。

设计中最基本的特征)))共用综合处理器(CIP)是由各种类型的可重编程的数字信号处理和数据处理模块所组成,为进行有效的处理和数据流通,模块是按群集分组的(如图1所示)。

这种结构以一种自选路由的数据网络和全局大容量存储器(GBM)为中心,外面围绕着一层信号处理模块和高速接口模块。

高速接口模块由3段PI总线依次连接。

在PI总线上同时还接有数据处理模块和通用接口模块,其中包括MIL) STD)1553接口模块。

PI总线是CIP中的基本通信媒介,其带宽可达400兆位/秒。

连接着每个模块的还有测试和维修总线(T M BUS),它用于错误的检测及恢复。

212F-22航空电子系统核心处理子系统硬件故障容错设计为使系统能达到某种程度的任务可靠性和系统可用性,F-22航空电子系统核心处理子系统具有较强的系统硬件容错特性。

为支持所需的功能,CIP结构内的处理资源被分配到航空电子系统中的各个子系统(如电子战、雷达等)。

除了那些用于支持正常运行的资源外,CIP结构内还具有在系统发生故障时可用于航空电子系统功能恢复的备份资源。

CIP所采用的综合设计的好处之一,就是可以共享处理资源及重构处理任务。

由此,既改善了系统故障容错特性,又不必付出余度过多的代价。

在大多数情况下,系统结构为CIP中的每种模块类型都提供了一个备份模块。

因为一个故障容错模块能支持同一类型的众多模块故障,这一技术被称为/n+10备份。

这种综合结构的方法能以最少数目(/n+10个模块),提供较大的系统故障容错特性。

且当一个模块发生故障时,备份模块可被分配给任一功能区。

CIP的设计使故障不会危及多个功能,从而其影响可以被系统所包容。

CIP能够提供足够的故障检测及隔离能力,即快速发现并定位故障。

同时,还提供了用一个备份模块来逻辑替代一个故障模块的机制。

此外,在每个CIP中,还包含能提供核心计算结构的全局资源(如GW,GBM等)。

故障容错体现在这些核心资源的设计中。

例如,每个CIP共有三个网关,每个网关都能分隔模块间PI总线的传输。

当丧失一个网关时,核心处理子系统将重构剩下的网关以允许通过必需的通信信号。

如果在一个CIP中有两个网关发生故障,那么子系统将失去一个处理群集。

每个CIP中都有向所有CIP资源提供电源的模块,其中供给+5V电源和-5V电源的模块是独立的。

其数目是这样决定的,即:若CIP中每种类型的电源模块都发生单一故障,则CIP仍能利用剩余电源模块处理所有功能。

3F-22航空电子系统核心处理子系统故障报告机制能够及时地确定系统中哪些资源正在正常运行、哪些资源出现故障是实现系统重构的前提。

因此,CIP应能根据硬件检测故障和软件检测故障建立相应的故障报告机制。

311硬件检测故障CIP含有可被所有CIP模块所使用的共用硬件模块,以检测及报告硬件故障和未经处理过的Ada异常。

这个特殊的硬件模块连接到一条专门用于维修数据的总线上,称为测试和维修总线。

CIP模块的硬件故障通过母板TM总线引起一个中断到CIP诊断软件,CIP诊断软件将根据从故障模块的TM总线寄存器中所获得的数据,有条件地重构故障子系统。

312软件检测故障CIP包含构成故障容错方案基础的软件。

这个软件使用机内测试方法(BIT)(上电BIT、周期BIT和启动BIT)来监控航空电子子系统的健康状态。

当子系统软件检测到一个故障时,故障通过PI总线被发送到CIP的诊断软件。

然后,由诊断软件负责故障的滤去并适当地进行重构。

一般的策略是/在可能的最低层次上滤去故障0。

为能最好地实现这一策略,需要进行许多基于子系统知识和能力的综合考虑。

例如,每个子系统没有用于与电源系统或环境冷却系统的专用接口。

因此,当子系统向诊断软件报告的故障与电源或冷却问题有关时,航空电子系统诊断管理器应滤除此类故障。

子系统的软件应负责滤除非持久性的或非关键性的故障。

子系统所报告的应该是内部的和关键的外部软件接口故障。

对关键外部软件接口的故障检测可利用握手协议监控,用看门狗定时器和对准检测来实现。

4F-22航空电子系统核心处理子系统重构准备在检测故障之前,子系统软件就应为可能的硬/软件故障作好准备,使系统恢复成为可能。

为缩短系统恢复时间,子系统应将关键数据存储到非易失的地址。

所谓关键数据,是指存储在应用程序以外的、在重新启动后可缩短应用程序恢复其全部性能所要求的时间、且并又不能重新获得的状态数据。

是否有必要成为关键数据由数据的以下特性决定:)))快速获得全部或部分性能的价值;)))数据的时效性;)))重新获得数据的时间;)))关键数据的数量;)))估计的故障率等。

关键数据在使用前必须保证数据是有效的。

数据很可能在故障检测前就已经被应用程序破坏或者数据已经超过其生存有效期。

关键数据有两种:长期关键数据和短期关键数据。

通常,长期关键数据是那些在长时间内(大于45秒)有效的数据,而短期关键数据是在短时间内(10到45秒)有效的数据。

411长期关键数据长期关键数据被定义为在致命性故障导致一次重新启动后,对使功能恢复到全部或几乎全部性能具有高价值的数据。

应用程序在被通告子系统刚经历过一次重新启动时,将重载并确认长期关键数据。

飞行员无线电台频段设置数据就是长期关键数据的一个例子。

在一次CNI处理机重构后,飞行员不愿意重新设置其通信频段。

在正常的情况下,长期关键数据存放在可装卸的数据传输磁带盒(DT C)中。

DT C 中含有自备电源的RAM,可以不被任何CIP 的电源故障所影响。

如果没有可用的DT C,长期关键数据中的一个非常重要的数据子集将被存放在大容量存储设备中。

它有一个限制写的快速PROM。

因此,只有对故障恢复贡献大的且使用频度低的关键数据才能写入。

412短期关键数据短期关键数据是那些随着时间增长而价值很快降低的数据。

当CIP诊断软件显示子系统刚经历过一次热启动时,应用程序重载短期关键数据。

短期关键数据存储在GBM中或数据处理存储器中。

存储在GBM中的短期关键数据不会被造成大多数较小重构的故障所破坏。

当重构的应用程序重建它的GBM文件时,CIP系统软件就将重构前属于它的文件与应用程序连接起来。

短期关键数据的一个例子是飞机跟踪文件。

在F-22飞机处于动态情况下,被跟踪飞机的位置数据很快就变得过时。

5F-22航空电子系统核心处理子系统重构机制经过上述操作,子系统已经作好了可能发生故障的准备,而通过机内测试,系统也已了解到故障的发生情况,下面就是如何来恢复系统功能,实现系统重构。

重构应完成资源与任务功能之间的映射,评价并确定由资源故障造成任务功能的损失,以及报告任务功能的可用性及状态。

重构功能利用任务功能的优先级帮助决定是通过移去还是降低较低优先级的功能,以全部或降级的性能来重新获得丧失的功能。

通常情况下,驻留在CIP中的应用程序只是一味忍受混沌而不参与CIP的重构处理,直到接收需执行一次恢复到正常或降级的工作状态的指示。

所有应用程序的映射,加载和初始化的执行对子系统都是透明的。

重构有三种类型:较小重构、较大重构和降级重构。

较小重构是通过简单的规则和算法在可用硬件上软件分布的改变和/或数据路由的改变。

典型的情况是用功能等效的故障容错模块代替故障模块。

几乎所有的单一故障都属于这种情况。