CC BY
478
2005
НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника
№ 96
УДК 621.396
Принципы выбора функциональных задач и архитектуры интегрированного бортового радиоэлектронного оборудования навигации, посадки, обмена данными и УВД
В.И. БАБУРОВ, Б.В. ПОНОМАРЕНКО
Рассматриваются особенности функционирования бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) навигации, посадки, обмена данными и УВД в составе авиационных комплексов. Формулируются критерии выбора функциональных задач интегрированного БРЭО. Излагается теоретический подход к формированию архитектуры интегрированного БРЭО навигации, посадки, обмена данными и УВД, рассматривается его связь с концепцией интегрированной модульной авионики.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с увеличением количества функциональных задач и сложности бортовых авиационных радиоэлектронных комплексов (РЭК) все более важное значение приобретают вопросы универсализации, унификации и интеграции авиационной электроники (авионики), в том числе бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО). К настоящему времени в США уже проведены значительные исследования и разработки по программам интеграции авионики (DAIS, Pave Pillar, ICNIA, Pave Pace) [1-3], разрабатываются спецификации для аппаратурного и программного обеспечения интегрированной авионики. Запланировано, что авионика с полностью модульной архитектурой, разработанная в рамках программы Pave Pace, поступит в эксплуатацию в 2005г. [4]. В Европе в рамках Комитета НАТО по созданию стандартной архитектуры БРЭО (ASAAC) разрабатываются стандарты модульной авионики для различных европейских самолетов XXI века. Проводятся широкомасштабные работы по внедрению в гражданскую авиацию концепции интегрированной модульной авионики (IMA), изложенной в спецификациях ARINC серии 600. Зарубежные фирмы разрабатывают и вводят в эксплуатацию различные типы интегрированной авионики [5].
В настоящее время в России на государственном уровне выполняется программа по созданию интегрированных РЭК для гражданских воздушных судов (ВС) [6].
В рамках перечисленных исследований и разработок наибольшее внимание уделяется интеграции бортовых вычислительных средств и в меньшей степени - интеграции БРЭО. Несмотря на то, что теоретические вопросы построения интегрированного БРЭО интенсивно рассматривались в США на протяжении более 10 лет на конференциях NAECON, PLANS и др., в частности, при обсуждении программ модернизации самолета F-16 и создания БРЭО для самолета ATF (F-22) и вертолета LHX (RAH-66 Comanche), продолжают существовать различные точки зрения по вопросам архитектуры интегрированного БРЭО.
В гражданской авиации наиболее последовательно концепция IMA изложена в спецификации ARINC 651 [7]. Компонентами архитектуры IMA являются шкафы (стойки) с легко сменяемыми модулями, предоставляющие вычислительные возможности для различных функций авионики; шины данных, выполненные в соответствии со спецификациями ARINC 629 и ARINC 429; оборудование (датчики, исполнительные устройства и индикаторы), имеющие интерфейс ARINC 629; концентраторы удаленных данных - датчики, собирающие на самолете данные различного типа и выдающие эти данные на шины самолета, соответствующие ARINC 629.
Функциональные модули в шкафу включают процессор ядра; стандартные и специальные устройства ввода-вывода, сопрягающие внутреннюю шину данных шкафа, соответствующую ARINC 659, с внешними системами, датчиками и приводами; мост шины,
сопрягающей друг с другом шины, работающие по одному протоколу (ARINC 629 либо ARINC 659); межсистемный интерфейс (шлюз), преобразующий данные из одного формата шины данных в другой формат (например, ARINC 659 в ARINC 629).
К датчикам и приемникам данных вне шкафа отнесено, в частности, БРЭО. Идеология построения IMA распространяется в ARINC 651 только на оборудование в шкафу. Архитектура БРЭО в этой концепции не рассматривается и, таким образом, отдана на усмотрение производителей. В то же время ряд идей концепции IMA может быть использован и при разработке принципов построения интегрированного БРЭО.
В отечественной литературе одной из первых работ, посвященных принципам организации интегрированных РЭК, является статья [8]. В ней с позиций, близких к теории иерархических многоуровневых систем [9], проводится аналогия между организацией сложной технической системы и живым организмом и излагается подход к организации интегрированного авиационного РЭК на основе «принципа иерархической автономности». Отмечается, что существующие точки зрения на вопросы организации бортового комплекса можно разделить на три группы:
1.Полная централизация и интеграция всего оборудования ВС. При этом отдельные виды оборудования выполняют роль датчиков информации, а вся ее обработка сосредоточена в одном вычислительном ядре - бортовой цифровой вычислительной машине или системе.
2.Децентрализованная (иначе - федеративная) организация, при которой на ВС устанавливается не связанное между собой однофункциональное оборудование.
3.Организация комплекса с различным уровнем централизации и децентрализации.
Более поздние работы до 1996 г. либо содержат обзоры зарубежных программ интеграции авионики [1, 10], либо посвящены вопросам формирования функциональной структуры интегрированной авионики [11,12]. Теоретические вопросы организации технической структуры интегрированной авионики после 1996г. впервые рассмотрены в [13, 14]. Проведено сравнение исследуемых в публикациях NAECON федеративной, иерархической архитектур и “аппаратурно-интегрированного РЭК (АИРЭК)” [13],
осуществляется формализация иерархической модели АИРЭК на основе описания процесса координации уровней иерархической системы [14]. Авторов работ [13, 14] можно отнести к сторонникам крайней точки зрения, что все оборудование ВС должно быть подвергнуто полной интеграции.
В [15] развита концепция создания базового эргатического интегрированного бортового комплекса ВС, основанная на идеях работы [9]. Весь авиационный АИРЭК рассматривается как большая система, внутри которой, однако, в зависимости от цели функционирования выделяются функционально-ориентированные архитектуры. Указывается, что современный этап развития РЭК характеризуется тем, что разработчик комплекса при синтезе его структуры может уже исходить не из ограниченных возможностей ресурсов, а из множества задач, целей и функций, предписанных комплексу. Тем самым поддержан взгляд авторов работы [12] на возможность раздельного синтеза функциональной и технической структур комплекса. В то же время предлагаемые в [15] варианты конкретной структуры всего авиационного РЭК (повторяемые также в [16]) отражают реально существующее в современных авиационных комплексах иерархическое функциональное и аппаратурное разделение на базовые системы и подсистемы.
В [17] излагается близкий к предыдущим работам подход к построению авиационного РЭК как одной большой системы с функционально ориентированной архитектурой. Здесь также высказывается взгляд, что «основные задачи ЛА позволяют выделить в составе его бортового комплекса базовые функциональные системы по аналогии с базовыми системами организма», что напоминает принцип «иерархической автономности».
В [18] поставлена задача создания интегрированного комплекса бортового оборудования (ИКБО) новых самолетов гражданской авиации России как сетевой информационно-
управляющей системы, в которой интеграция ресурсов производится путем организации связей между ее элементами на основе сетевой технологии. В отличие от концепции IMA предлагается при отказах вычислительного ядра использовать ресурсы оборудования, не входящего в состав шкафов IMA. Таким образом, данный подход близок к позициям авторов работ [13, 14] - сторонников полной интеграции всего авиационного РЭК. Принципиальные особенности БРЭО в [18] не рассматриваются и соответственно не учитываются.
В целом, анализ упомянутых и некоторых других работ показывает, что в отечественной литературе отсутствует детальная проработка принципов построения интегрированного БРЭО, в частности, БРЭО навигации, посадки, обмена данными и УВД. Обычно авторы ограничиваются общесистемными соображениями, которые больше относятся к бортовым вычислительным средствам, чем к радиооборудованию, которое, как и в ARINC 651, рассматривается просто как радиочастотный датчик.
ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ИНТЕГРИРОВАННОГО БРЭО
Начальный этап создания интегрированного БРЭО включает рассмотрение вопроса выбора его функциональных задач. Анализ положения БРЭО различных типов в составе авиационных РЭК гражданских ВС и военных летательных аппаратов (ЛА) позволяет сформулировать следующие критерии этого выбора:
1.Необходимо интегрировать БРЭО, относящееся к одному типу информационного взаимодействия с внешними источниками (потребителями) информации - согласованному, индифферентному либо антагонистическому [19].
Данный критерий позволяет учесть резкое возрастание сложности БРЭО при переходе от согласованного взаимодействия к антагонистическому [20]. Если распределить основные группы БРЭО по этому признаку и сравнить это распределение с их положением в составе авиационного РЭК, то можно сделать вывод, что, в частности, БРЭО навигации, посадки, обмена данными и УВД, относящееся к согласованному типу взаимодействия, входит в состав пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) ВС или ЛА. Поэтому интеграция в пределах одного типа информационного взаимодействия практически равнозначна интеграции БРЭО в пределах комплексов, выделяемых в авиационном РЭК.
2.Необходимо обеспечить работу интегрированного БРЭО в составе тех систем, которые являются наиболее перспективными и вносят наибольший вклад в эффективность авиационного РЭК. Функции авиационного РЭК в гражданской и военной авиации различаются, поэтому и состав функций интегрированного БРЭО будет различным.
3.Необходимо интегрировать БРЭО систем сходных принципов действия, сравнительно близких частотных диапазонов и темпов передачи информации, чтобы достичь максимальной однородности структуры интегрированного БРЭО.
4.Необходимо обеспечить снижение стоимости жизненного цикла интегрированного БРЭО по сравнению с однофункциональным оборудованием. Интеграция должна быть предложена только там, где гарантированно будет получен выигрыш в стоимости.
5.В результате интеграции необходимо резко уменьшить число внутрисамолетных информационных связей.
6.Нецелесообразно включать в состав интегрированного БРЭО системы (функции), имеющие достаточно хорошие массогабаритные характеристики при их отдельном исполнении, а также работающие непрерывно на протяжении всего полета (например, радиовысотомеры).
Следует отметить, что интегрированное БРЭО для самолета F-22 (ICNIA, INEWS, IRST) разрабатывалось отдельно для каждого из трех выделенных в рамках РЭК комплексов (комплекса самолетовождения и управления вооружением, комплекса связи и управления и комплекса обороны). При этом даже общие модули, разработанные для этих датчиков (например, процессор CIP), имеют несколько конфигураций и лишь частично являются
унифицированными. В архитектуре А3, разработанной в США рабочей группой JIAWG, также сохранено выделение трех функциональных областей: центрального процессорного комплекса - около 100 модулей 10-15 типов; комплекса связи, навигации и опознавания -около 100 модулей 30-40 типов; комплекса управления боевыми задачами (функции РЛС, РЭП и др.) - 80-120 модулей 50-60 типов [21].
Представляется, что при интеграции необходимо учитывать не только стремление сделать РЭК возможно более однородным и универсальным, но и необходимость его эффективной работы в составе каждой из систем, бортовое оборудование которой РЭК в себя включает. Этого можно достичь, если интеграция будет осуществляться в пределах каждого из комплексов, входящих в авиационный РЭК. В частности, интеграцию БРЭО навигации, посадки, обмена навигационными данными и УВД целесообразно осуществлять в пределах ПНК. Сходная позиция представлена в [4], где для реализации в РЭК пятого поколения предложена архитектура, содержащая аппаратурно интегрированные системы, разделенные, фактически, по комплексам авиационного РЭК.
В гражданской авиации интегрированное БРЭО навигации, посадки, обмена данными и УВД перспективного ВС должно решать функциональные задачи, соответствующие концепции CNS/ATM, принятой ICAO, с учетом особенностей российской авиации. Исходя из этого, в минимальный состав функциональных задач интегрированного БРЭО могут быть включены:
навигация (GNSS, РСБН, VOR, DME); посадка (GLS, ILS, MLS, ПРМГ); обмен данными по радиолиниям (VDB);
УВД (ответчик режимов УВД, RBS, S); предупреждение столкновений с землей (TAWS); обмен данными с бортовыми системами ВС.
В максимальный состав, включающий практически все функциональные задачи, отраженные в концепции CNS/ATM, входят: навигация (GNSS, РСБН, VOR, DME); посадка (GLS, ILS, MLS, ПРМГ);
обмен данными по радиолиниям (VDB, ДМВ ЛПД на частотах РСБН, КВ ЛПД, AMSS);
УВД (ответчик режимов УВД, RBS и S; БСПС типа TCAS II, ADS-B на базе 1090ES и VDL-4);
предупреждение столкновений с землей (TAWS); функции вычислителя самолетовождения; обмен данными с бортовыми системами ВС.
На рис. 1 представлена типичная структура авиационного РЭК ВС с интегрированным БРЭО навигации, посадки, обмена данными и УВД.
Рис. 1. Структура авиационного РЭК гражданского ВС с интегрированным БРЭО навигации, посадки, обмена
данными и УВД
МНОГОУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ БРЭО
При решении задач интеграции БРЭО удобно пользоваться представлениями о многоуровневых моделях, развитыми в теории иерархических систем [9] и конкретизированными применительно к техническим системам в [22]. В соответствии с этим подходом в [22] введено понятие многоуровневой модели структуры системы как совокупности двух видов стратифицированного описания - функциональной и технической структур.
Функциональная структура - это совокупность функциональных подсистем и отношений между ними. Функциональные подсистемы - это выполняемые системой функции разного уровня детализации (функциональная задача, функция системы, функция устройства, процедура). Техническая структура - это совокупность технических подсистем и отношений между ними. Выделены технические подсистемы следующих уровней детализации:
¡.Топологическая структура - подсистемы и средства их сопряжения в систему;
2.Подсистемы, выделяемые по признакам выполняемых функций (функций системы или частей функциональной задачи) и по типу обслуживаемых объектов;
3.Подсистемы как объединения устройств, выполняющих свои функции для выполнения функции системы;
4. Устройства конкретных типов.
Таким образом, на уровнях 1-3 рассматриваются концептуальные подсистемы, на уровне 4 - конкретные типы устройств.
Отношения между функциональными задачами и подсистемами, входящими в топологическую структуру, показывают, каким образом задачи распределены между подсистемами. Отношения между функциями системы и техническими подсистемами уровня
2, которые выделяются по признакам выполняемых функций (например, подсистема обработки сигналов), показывают, каким образом функции системы распределены между подсистемами. На уровне 3 детализации технической структуры рассматриваются подсистемы, представляющие объединения устройств одного вида (например, ПОС). На уровне 4 рассматриваются устройства конкретных типов, определяются отношения их технической совместимости в системе и анализируется реализуемость различных процедур в этих устройствах.
Типовые варианты интегрированных систем, в частности, БРЭО, могут быть определены (сконструированы) путем анализа возможных отношений между многоуровневой функциональной структурой и многоуровневой технической структурой. Будем далее называть степенью интеграции на 1-м уровне соответствие между количеством функций 1-го уровня и количеством элементов 1-го уровня, выполняющих эти функции. Можно выделить следующие варианты такого соответствия:
одноцелевая система - система, решающая одну функциональную задачу; однофункциональная система - система, выполняющая одну функцию; однофункциональная подсистема - подсистема, выполняющая одну функцию; однофункциональное устройство - устройство, выполняющее одну функцию.
Если две или более системы решают одну и ту же функциональную задачу в рамках суперсистемы, в которую они входят, то можно говорить о функциональной интеграции суперсистемы. Несколько искусственным примером может служить отображение на нескольких системах электронной индикации одной и той же навигационной информации.
Если в системе несколько подсистем (устройств) выполняют одну и ту же функцию, то говорят о функциональной интеграции системы [16]. Примером может служить ПНК, в котором навигационная информация принимается от нескольких независимых датчиков и используется для решения одной и той же навигационной задачи. В этом случае говорят также о комплексировании навигационных датчиков [11, 12].
Многофункциональность системы (подсистемы, устройства) приводит к понятию аппаратурной интеграции, как оно определено в [16] (одни и те же ресурсы выполняют разные функции). Многофункциональность на уровне топологической структуры определяет системную аппаратурную интеграцию, на уровне 2 технической структуры - аппаратурную интеграцию подсистемы, на уровне 3 - устройства, на уровне 4 - узла.
Аппаратурная интеграция различных уровней весьма распространена в БРЭО различных поколений, где часто многофункциональное оборудование (аппаратурно интегрированное на уровне топологической структуры) содержит однофункциональные устройства и многофункциональные узлы.
Одновременность выполнения функций при аппаратурной интеграции не является обязательной и в строгом смысле слова не всегда осуществима. Часто можно говорить о квазиодновременном выполнении системой (подсистемой, устройством, узлом) нескольких функций, когда чередующиеся интервалы времени между выполнением одной и той же функции существенно меньше общего времени работы. Далее для краткости будем говорить в подобных случаях об одновременном выполнении функций. Примером истинно одновременного выполнения функций является многоканальное приемное устройство.
От рассматриваемого варианта аппаратурной интеграции отличается случай, когда функции выполняются с разделением во времени, то есть на протяжении интервала времени, соизмеримого с общим временем работы, аппаратурно интегрированная система (подсистема, устройство, узел) выполняет только одну функцию.
ТИПОВЫЕ ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ АППАРАТУРНО ИНТЕГРИРОВАННОГО БРЭО НАВИГАЦИИ, ПОСАДКИ, ОБМЕНА ДАННЫМИ И УВД
Наличие на борту ВС оборудования многочисленных радиотехнических систем [23] приводит к необходимости обобщения и формализации принципов построения БРЭО как распределенной системы обработки информации (РСОИ). Рассмотрим с этой точки зрения структуру современного БРЭО навигации, посадки, обмена данными и УВД.
Анализ схем многочисленных типов эксплуатируемого однофункционального БРЭО позволяет представить его в виде топологической структуры (рис. 2) [24].
Рис.2. Топологическая структура однофункционального БРЭО
Эта структура включает антенну с фидерами и антенным переключателем, составляющие вместе антенно-фидерное устройство (АФУ), приемное (Прм) и передающее (Прд) устройства, а также измерительно-вычислительную подсистему (ИВП), состоящую из процессоров обработки сигналов (ПОС), формирования сигналов (ПФС), обработки данных (ПОД) и ввода-вывода (ПВВ). В некоторых типах БРЭО антенный переключатель, Прд и ПФС могут отсутствовать. Разделение функций между ПОС и ПОД в основном соответствует разделению обработки на первичную и вторичную.
В топологической структуре однофункционального БРЭО можно выделить следующие виды обработки информации: 1) преобразование сигнала; 2) обработка сигнала;
3) формирование сигнала; 4) обработка данных; 5) ввод-вывод сигналов или данных; 6) управление. Их распределение по устройствам БРЭО (табл. 1) позволяет квалифицировать однофункциональное БРЭО как РСОИ. Тем более это относится к взаимодействующим различным типам БРЭО и к интегрированному БРЭО.
В результате некоторое время в полете практически каждый из типов однофункционального БРЭО не работает, что снижает эффективность использования авионики.
Таблица 1
Функция устройства Вид обработки информации Устройство
Преобразование полей в электрические сигналы Преобразование сигналов АФУ
Пространственная селекция сигналов Преобразование сигналов АФУ
Поляризационная селекция сигналов Преобразование сигналов АФУ
Предварительное усиление сигналов Преобразование сигналов АФУ
Предварительная частотная селекция сигналов Преобразование сигналов (активная антенна) АФУ
Усиление сигналов Преобразование сигналов (активная антенна) Приемник
Преобразование частоты сигналов Преобразование сигналов Приемник
Частотная селекция сигналов Обработка сигналов Приемник
Нормирование сигналов Обработка сигналов Приемник
Автоматическая регулировка усиления Управление Приемник
Автоматическая подстройка частоты Управление Приемник
Формирование сообщений Обработка данных ПФС
Кодирование сообщений (сигналов) Формирование сигналов ПФС
Скремблирование и перемежение сигналов Формирование сигналов ПФС
Модуляция сигналов Формирование сигналов ПФС
Усиление мощности сигналов Преобразование сигналов Передатчик
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые Обработка сигналов ПОС
сигналы Обработка сигналов ПОС
Демодуляция сигналов Обработка сигналов ПОС
Дескремблирование и деперемежение сигналов Обработка сигналов ПОС
Декодирование сообщений (сигналов) Обработка сигналов ПОС
Поиск, обнаружение сигналов Обработка сигналов ПОС
Синхронизация Обработка сигналов ПОС
Оценивание информативных параметров Управление ПОС
Управление АФУ Обработка данных ПОД
Вычисление навигационных параметров (формирование навигационных данных) Обработка данных ПОД
Ввод и хранение программы полета Обработка данных ПОД
Формирование траекторий Обработка данных ПОД
Фильтрация навигационных данных Обработка данных ПОД
Комплексная обработка навигационных данных Обработка данных ПОД
Обработка сообщений Обработка данных и ПОС или
Функции канального уровня и уровня подсети ЛПД управление ПОД
Управление настройкой приемника и передатчика Управление ПОД+ПВВ ПОД+ПВВ
Управление ПВВ
Контроль оборудования Ввод и вывод сигналов
Ввод и вывод сигналов или данных или данных
Свойства данной классической топологической структуры БРЭО привели к перегрузке современных самолетов однофункциональным оборудованием, что увеличивает стоимость жизненного цикла и снижает надежность авионики в целом.
Указанное противоречие можно разрешить, если при построении аппаратурно интегрированного (многофункционального) БРЭО использовать принципы модели
коллектива вычислителей [32]: параллельность обработки, переменность и однородность структуры.
Учитывая, что все устройства, входящие в структуру БРЭО, являются устройствами обработки информации (УОИ), введем понятие модели коллектива устройств обработки информации. По аналогии с моделью коллектива вычислителей модель коллектива УОИ формально может быть описана парой <У, А>, где У=(а1,^, аь, Ь^..., Ьм с^..., См ё^..., ёя, ¡1,..., Гя §1,...§д, Ь1,., Ид) - множество связанных между собой антенно-фидерных устройств а; (1=1,...,Ь), приемников Ь; (1=1,.,М), процессоров обработки сигналов С; (1=1,...,К), процессоров формирования сигналов (1=1,., Я), передатчиков Г; (1=1,.,Я), процессоров обработки данных (;=1,.,0), процессоров ввода-вывода (;=1,.,0); А -
алгоритм функционирования коллектива УОИ в целом.
В приведенном выражении учтены следующие особенности модели, вытекающие из задач БРЭО:
1.Число антенно-фидерных устройств Ь может отличаться от числа приемных и передающих трактов и определяется количеством функций БРЭО, принятых для конкретного ВС, типом ВС, необходимостью резервирования и другими факторами. На эксплуатируемых самолетах используются, в основном, одно- и двухфункциональные антенны с различным типом поляризации. В перспективе, в результате разработки многофункциональных антенн либо даже «интеллектуальной обшивки» самолета, число антенн может измениться.
2.Число приемников и ПОС одинаковое, поскольку они должны образовывать тракты приема и обработки сигналов.
3.Число ПФС и передатчиков также одинаковое, поскольку они должны образовывать тракты формирования и излучения сигналов.
4.Число ПОД и ПВВ целесообразно выбрать также одинаковым, поскольку, как правило, при выполнении функций самолетовождения, число ПОД, с учетом резервирования, не превышает двух, и в каждом вычислителе самолетовождения имеется свой ПВВ. Число пар ПОД-ПВВ определяется соображениями резервирования.
Алгоритм А работы коллектива УОИ должен обеспечивать решение функциональной задачи интегрированного БРЭО. Он представляет собой композицию алгоритмов обработки информации в различных УОИ, алгоритмов установления связей и взаимодействия УОИ между собой и зависит от структуры О подсети связи УОИ.
В отличие от модели коллектива вычислителей в данной модели принципиально не может соблюдаться принцип конструктивной однородности (однотипности) всех устройств обработки информации. Однако практически плодотворным является принцип регулярности структуры, который заключается в наличии в этой структуре повторяющихся однотипных устройств. Повышение регулярности аппаратурной части системы заключается в уменьшении числа типов конструктивных единиц и унификации связей между ними на различных структурных уровнях. С экономической точки зрения повышение степени регулярности является осуществлением внутриприборной стандартизации и унификации. Экономический эффект от повышения степени регулярности имеет место как в процессе создания, так и в процессе эксплуатации системы, что характеризует прямую взаимосвязь критерия стоимости жизненного цикла системы с критерием сложности структуры.
Максимальная регулярность в рассматриваемой топологической структуре модели коллектива УОИ достигается, если используются одинаковые устройства каждого типа, т. е. реализуется принцип конструктивной однородности однотипных составных частей коллектива УОИ.
В зависимости от степени аппаратурной интеграции УОИ можно предложить несколько типовых топологических структур аппаратурно интегрированного БРЭО (рис. 3-6).
Преимущества и недостатки однофункционального БРЭО и типовых структур аппаратурно интегрированного БРЭО приведены в табл. 2.
Таблица 2
Типовая топологическая структура интегрированного БРЭО Преимущества Недостатки
Однофункциональное БРЭО Решение только одной функциональной задачи. Низкая надежность и высокая стоимость жизненного цикла ПНК с несколькими типами БРЭО.
Многофункциональное БРЭО с однофункциональными разнотипными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 1) Возможность одновременного решения нескольких функциональных задач. Отсутствие взаимозаменяемости приемников, передатчиков, ПФС, ПОС.
Многофункциональное БРЭО с одиночными аппаратурно интегрированными каналом формирования и каналом обработки сигналов (архитектура 2) Возможность решения нескольких функциональных задач. Разделенная во времени обработка сигналов.
Многофункциональное БРЭО с разнотипными аппаратурно интегрированными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 3) Возможность одновременного решения нескольких функциональных задач. Неполная взаимозаменяемость приемников, передатчиков, ПФС, ПОС.
Многофункциональное БРЭО с однотипными аппаратурно интегрированными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 4) Возможность одновременного решения нескольких функциональных задач. Полная взаимозаменяемость приемников, передатчиков, ПФС, ПОС.
Архитектура 1 интегрированного БРЭО (рис. 3) содержит Я однофункциональных разнотипных каналов формирования сигналов и N однофункциональных каналов обработки сигналов, которые обмениваются информацией с ПОД и ПВВ через подсеть связи процессоров. Данная структура обладает наименьшей степенью интеграции УОИ, которая реализуется только в ПОД и ПВВ.
Архитектура 2 интегрированного БРЭО (рис. 4) содержит одиночный
многофункциональный канал формирования сигналов, включающий многофункциональные ПФС и передающее устройство, а также одиночный многофункциональный канал обработки сигналов, включающий многофункциональные приемное устройство и ПОС. Процессоры формирования и обработки сигналов обмениваются информацией с ПОД и ПВВ по отдельным линиям связи. Приемное и передающее устройства могут подключаться в зависимости от режимов работы к различным антеннам, входящим в АФС, с помощью ВЧ коммутаторов 1 и 2.
Такая структура выгодна, если БРЭО должно работать в режиме временного разделения с радиосистемами близких частотных диапазонов. Степень интеграции модулей БРЭО определяется технологическими возможностями.
Рис.3. Топологическая структура многофункционального БРЭО с однофункциональными разнотипными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 1 интегрированного БРЭО)
Рис. 4. Топологическая структура многофункционального БРЭО с одиночными аппаратурно интегрированными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 2 интегрированного БРЭО)
Основным недостатком архитектуры 2 является невозможность одновременной работы БРЭО в нескольких режимах. Этот недостаток устраняется использованием нескольких разнотипных многофункциональных каналов формирования и обработки сигналов в
архитектуре 3 интегрированного БРЭО (рис. 5). В отличие от архитектуры 1 данное решение позволяет обеспечить одновременную работу БРЭО в значительно большем количестве режимов при том же количестве модулей. Количество функций в многофункциональных ВЧ модулях определяется в основном диапазонами частот и технологическими возможностями.
Рис. 5. Топологическая структура многофункционального БРЭО с разнотипными аппаратурно интегрированными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 3 интегрированного БРЭО)
Для архитектуры 1 и архитектуры 3 характерно использование разнотипных каналов обработки и формирования сигналов. Хотя модули такого БРЭО могут быть реализованы со значительной степенью унификации, степень регулярности этих структур невысока, что не позволяет в полной мере реализовать все принципы и достоинства модели коллектива УОИ.
Наибольшая степень регулярности достигается в архитектуре 4 - топологической структуре с универсальными УОИ (рис. 6). Она содержит универсальные приемники, состоящие из аналоговых (АПрм) и цифровых (ЦПрм) частей, универсальные передатчики, состоящие из преобразователей частоты и усилителей мощности (ПрЧ) и цифровых частей, входящих в ПФС, универсальных ПОС, ПОД и ПВВ.
Коммутаторы служат для связи приемников и ПрЧ с ПОС и ПФС. Подсеть связи процессоров обеспечивает обмен навигационными данными и управляющими сообщениями между ПОС, ПФС, ПОД и ПВВ. Коммутаторы и подсеть связи процессоров составляют вместе подсеть связи О, каждое из состояний которой создает N трактов параллельной обработки информации аналогично N комплектам однофункционального БРЭО, обеспечивает параллельную обработку данных в Q процессорах обработки данных и одновременный обмен данными со смежными системами через Q процессоров ввода-вывода.
Рис. 6. Топологическая структура многофункционального БРЭО с однотипными аппаратурно интегрированными каналами формирования и обработки сигналов (архитектура 4 интегрированного БРЭО)
Наиболее перспективной является архитектура 4 интегрированного БРЭО. В соответствии с ней разработано оборудование ICNIA для истребителя F/A-22 и разрабатывается новое оборудование MIRFS для самолета JSF. Интегрированное БРЭО для гражданской авиации, выпускаемое за рубежом [5], разработано, в основном, на основе архитектур 1 и 2.
Выпускаемое в России (ВНИИРА) оборудование VIM-95, РСБН-85 реализовано по архитектуре 2, новое разрабатываемое оборудование БМРП, ИМРНП-2005 - по архитектуре
3. Архитектуру 4 будет иметь планируемое к разработке оборудование ИРК.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукин В.Н., Мищенко И.Н., Молочко С.В. Основные направления создания интегрированной авиационной бортовой радиоэлектронной аппаратуры систем связи, навигации и опознавания в США. // Зарубежная радиоэлектроника, №8, 1987.
2. Boule D., Hewish M. Avionics for the future // Defense Electronics &Computing, №2, 1990.
3. Rhea J. The next generation of avionics. // Air Force Magazine, V.73, №1, 1990.
4. Турчак А. Архитектура и основные аппаратурно-программные модули комплекса авиационного
бортового оборудования пятого поколения. // Мир авионики, №6, 1999.
5. Aviation Week and Space Technol., January 19, 2004.
6. Федеральная целевая программа “Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010
годы и на период до 2015 года”.
7. ARINC 651-1 “Design Guidance for Integrated Modular Avionics”, 1997.
8. Громов Г.Н., Пахолков Г. А. Принципы организации комплексов бортового самолетного оборудования, обеспечивающих повышение эффективности и надежности решения задач навигации, посадки и УВД. // Вопросы радиоэлектроники, Сер. ОТ, Вып.4, 1980.
9. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.
10. Балясников Б.Н., Емельянова И.И. Пути повышения эффективности радиотехнических комплексов МО США // Зарубежная радиоэлектроника, №7, 1989.
11. Коблов В.Л., Ярлыков М.С. Принципы построения радиоэлектронных комплексов интегрального типа. // Радиотехника, №2, 1987.
12. Ярлыков М.С. Радиоэлектронные комплексы - современный этап развития радиотехники. // Радиотехника, №4-5, 1995.
13. Андросов В.А., Кутахов В.П., Лавров А.А. Архитектура перспективного авиационного радиоэлектронного комплекса. // Радиотехника, №5, 1996.
14. Андросов В.А., Кутахов В.П. Архитектура аппаратурно интегрированного радиоэлектронного комплекса. // Радиотехника, №9, 1996.
15. Кулабухов В.С. Вариант облика и архитектуры эргатического интегрированного бортового комплекса летательных аппаратов. // Радиотехника, №9, 1996.
16. Шаламов А.С., Буков В.Н., Кулабухов В.С., Гузенко В.Г. Научные проблемы комплексных исследований в области создания и эксплуатации бортового оборудования ЛА на базе информационновычислительных сетей. // Научный Вестник МТГУ ГА, серия Авионика, №3, 1998.
17. Кулабухов В.С., Меркулов В.А., Чигин Г.П. Облик многоуровневой информационной системы базового бортового комплекса перспективных летательных аппаратов. // Известия РАН. Теория и системы управления, №3, 1999.
18. Евгенов А.В. Направления развития интегрированных комплексов бортового оборудования самолетов гражданской авиации. // Авиакосмическое приборостроение, №3, 2003.
19. Петров А.В., Яковлев А.А. Анализ и синтез радиотехнических комплексов. М.: Радио и связь, 1984.
20. Кутахов В.П. Архитектура радиоавионики летательных аппаратов пятого поколения. // Радиосистемы: Радиоэлектронные комплексы, №1, 2002.
21. Бочкарев А.М., Струков Ю.П. Бортовое радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов. // Итоги науки и техники, Авиастроение, T.II.,1990.
22. Соломатин Н.М., Шертвитис Р.П., Макшанцев М.М. Выбор микроЭВМ для информационных систем. М.: Высшая школа, 1987.
23. Кузнецов С.В. Анализ структуры современных комплексов и систем авионики воздушных судов гражданской авиации. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Авионика, №3, 1998.
24. Пахолков Г.А., Збрицкая Г.Е., Криворучко Ю.Т., Пономаренко Б.В., Шатраков Ю.Г. Обработка
сигналов в радиотехнических системах ближней навигации. М.: Радио и связь, 1992.
25. Мультипроцессорные системы и параллельные вычисления; Под ред. Ф.Г. Энслоу. М.: Мир, 1976.
26. Leibowitz B. Distributed Processing. - International Computing. Madrid, 1977.
27. Farber D.J., Larson K.C. The System Architecture of the Distributed Computer System - the Communications System/Symposium on Computer-Communications Networks and Teletrafic, Polytechnics Institute of Brooklyn, April 4-6, 1972.
28. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микроЭВМ / Пер. с англ. В.И. Шяудкулиса и В.А. Шапошникова; Под ред. Г.П. Васильева. М.: Финансы и статистика, 1982.
29. Лорин Г. Распределенные вычислительные системы; Под ред. Э.В. Евреинова. М.: Радио и связь, 1984.
30. ASAAC Phase 1: ASAAC Feasibility Study: Core Architecture Concept Definition, ASAAC: 02, Issue 4, Feb. 1994.
31. Турчак А.А., Чернышов Е.Э., Михайлуца К.Т., Шейнин Ю.Е. Архитектура вычислительных систем для интегрированной модульной авионики перспективных летательных аппаратов. // Радиосистемы: Радиоэлектронные комплексы, №2, 2002.
32. Евреинов Э.В. Однородные вычислительные системы, структуры и среды. М.: Радио и связь, 1982.
V.I. Baburov, B.V. Ponomarenko
Principles of functional problems choice and architecture of integrated airborn radio electronic equipment for navigation, landing, data exchange and ATM
The function features of airborn radio electronic equipment for navigation, landing, data exchange and the ATC in structure of aviation complexes are considered. The criteria of functional problems choice of integrated equipment are formulated. The theoretical approach to formation of architecture of integrated equipment for navigation, landing, data exchange and the ATC is stated, its connection with integrated modular avionics concept is considered.
Сведения об авторах
Бабуров Владимир Иванович, 1954 г.р., окончил ЛЭИС (1976), кандидат технических наук, директор филиала ОАО “ВНИИРА” “ВНИИРА-Навигатор”, автор более 30 научных работ, область научных интересов -бортовое оборудование навигации, посадки, обмена данными и УВД.
Пономаренко Борис Викторович, 1947 г.р., окончил ЛЭТИ (1971), доктор технических наук, начальник сектора ОАО “ВНИИРА”, автор более 150 научных работ, область научных интересов - бортовое оборудование навигации, посадки, обмена данными и УВД.
