基于聯邦架構的數據總線應用

*通訊作者：秦嶺，1980年4月，男，漢族，重慶人，現任航空工業第一飛機設計研究院工程師，碩士。研究方向：航電系統集成。

摘? ? 要：航空數據總線技術是飛機航空電子綜合化最重要的關鍵技術之一，航空電子系統性能直接決定著飛機性能的優劣，隨著通用總線技術的發展以及航空電子系統綜合化程度的進一步提高，總線技術在航空電子系統中的作用日益重要?？偩€通信以其傳輸速率高、數據吞吐量大、可極大減少機上導線數量從而減輕飛機自重等優點，在現代飛機上獲得廣泛應用，作為傳輸信息指令的公共路徑，數據總線儼然已成為航空電子系統的“中樞神經”，通過數據總線可以實現飛機上各傳感器之間，以及各子系統之間的數據通信，最終達到信息共享和功能綜合的目的。

關鍵詞：總線;數據通信;聯邦架構;航空電子系統

一、概述

現代戰爭中，戰場信息的全方位收集、高速有效地傳輸和處理是大幅度提高飛機綜合作戰效能及取得戰爭主動權和勝利的關鍵[1]。自20世紀70年代以來，計算機技術、控制技術、電子技術等都有了長足的發展，這些技術推動了航空電子綜合化的進程，為實現飛機上各執行功能單元與子系統之間的信息傳遞與功能綜合，應用總線來實現是一個完美的解決方案。

二、數據總線的特點及其應用

聯邦架構（federated architectures）由一些相互連接但功能卻相互獨立的子系統組成，數據總線是聯邦架構系統的基本實現技術[2]，由于聯邦架構源于單個獨立子系統設計，有著廣泛可靠的產品供應基礎，設計風險最小，成本最優，因此成為現役飛機系統集成的標準結構?？偩€的基本功能是數據通信，數據通信的過程是兩個或多個節點之間借助于傳輸介質以二進制形式進行信息交換的過程，將數據準確、及時地傳送到正確的目的地，是數據通信系統的基本任務[3]?？偩€技術起源于航空電子系統的綜合化，歷經幾十年的發展，飛機航空電子系統對總線的性能提出了越來越高的要求，其傳輸協議和系統結構都發生了深刻的變化，從點對點的拓撲結構到總線、再到交換網絡，新的總線技術應用越來越廣泛，功能越來越強大。

隨著現代飛機要完成的任務越來越復雜，作為飛機的重要組成部分，航空電子系統凸顯出越來越重要的作用，總線作為傳輸媒質在信源（諸如各類傳感器）與信宿（機載計算機等）之間進行信息的傳遞與交換?？偩€是傳輸信號的公共路徑，各節點在總線上遵循著相同的技術規范與傳輸協議，數據通信是總線系統的基本功能，通過總線可以完成數據信息的多路傳輸并允許數據和計算結果共享，因而將會減輕系統的重量并保證所有連接到總線上的分系統能使用統一的數據庫，同時多路傳輸亦能優化航空電子系統設計，根據不同類型飛機的技戰術特點，可以選擇相應的總線類型與飛機設計需求相匹配。

三、數據總線的適用范圍及設計要求

自從有人駕駛的動力飛機問世以來，飛行安全要求一直是飛機設計的最高目標，其他所有的設計目標都要服從于這項最高的目標[4]。在民用航空領域中，把乘客安全的送達目的地始終是民用客機設計的最為關注的目標，其飛行的經濟性、舒適性和正點運行雖然同樣也是重要的目標，但相對于飛行安全而言，這些都處于次要的地位;在軍用領域中，除飛行安全性的目標要求之外，還有完成飛行任務的目標要求，在軍用設計規范中，這兩項目標是并列的。早期采用機械操縱系統的運輸機和轟炸機甚至殲擊機其飛行包線并不大，僅靠氣動布局設計所得到的自身穩定性已能夠滿足當時的飛行要求，隨著飛行任務日趨復雜化，駕駛員利用機械桿系操縱飛機變得越來越困難，此時將駕駛員操縱裝置所發出信號轉換成電信號，通過電纜直接傳輸到自主式舵機的電傳操縱系統應運而生[5]?，F代電傳操縱飛機的一般性設計要求可歸納如下。

（一）功能要求

具備人工與自動飛行控制功能。

（二）性能要求

滿足所屬類型飛機操縱穩定性設計要求。

（三）四性要求

適合所屬類型飛機的測試性（例如BIT）設計要求、可靠性（如平均故障間隔飛行時間MFHBF）設計要求、安全性（Ⅰ類、Ⅱ類功能故障的發生概率）設計要求、維修性與綜合保障性設計要求。

（四）冗余度要求

保證有多重（套）系統可以執行同一項工作任務。

（五）生存力要求

針對軍機的戰斗損傷及被擊中概率的設計要求。

四、設計實例分析

數字電子技術的進步促進了一些非常復雜子系統的發展，雖然仍注重功能的獨立，但能夠通過總線連接實現信息共享，這正是基于聯邦架構總線設計的優勢之一。在幾種常用的數據總線中，按傳輸能力可分為兩類，一類是最大傳輸速率在1～2 Mbps的數據總線;另一類是50～100 Mbps的高速數據總線。在軍用數據總線方面，MIL-STD-1553B是應用時間最早、最為持久、生命力最頑強的總線技術，它為適應軍事的需要而提出，具有很高的可靠性和靈活性，加之技術比較成熟，所以應用非常廣泛，不論是運輸機、轟炸機、殲擊機、預警機、直升機甚至飛機與掛載導彈之間的數據通信都采用該總線技術[6]。1553B總線傳輸介質采用屏蔽雙絞線，節點耦合的方式有直接耦合與變壓器耦合，數據傳輸采用曼徹斯特Ⅱ型碼，典型傳輸速率為1 Mbps，傳輸字長為20位，其中數據有效長度為16位，字的前三位是同步字頭，最后一位是奇偶校驗位，傳輸協議為命令/響應方式，故障容錯采用典型的雙冗余方式即實際使用中第二條總線處于熱備份狀態。MIL-STD-1553B廣泛應用于軍用飛機的總線結構，所有傳輸均由中央控制器嚴格控制，其主要功能是為所有連接到總線上的航空電子系統提供綜合化、集中式的系統控制和標準化接口，經過四十多年的研究與應用，已經成為第二、三代作戰飛機的主流總線結構[7]。由于具有較高的作戰耐損性和可靠性，特別適合在關鍵的計算模塊與實時傳感器和控制器之間互連應用，該總線技術首先運用于美國空軍的F-16戰斗機，其后的F-18、B-1、RAH-66等均使用這種總線[8]。如下圖1所示為國外某型飛機系統內部交聯結構示意圖。

飛機采用四余度飛控計算機對副翼、方向舵、升降舵等關鍵操縱面進行控制，輔助飛行控制系統采用兩余度計算機，對襟縫翼等輔助操縱面進行控制，余度計算機間直接采用交叉數據鏈進行信息共享。由于飛控系統必須具有很高的完整性及安全性（為飛機功能的最高級別飛行級），因此在選擇飛控系統總線時著重考慮關鍵模塊之間互聯的可靠性，故飛控系統內部即主飛控計算機、自動飛控計算機、襟縫翼控制計算機之間通信選用1553B總線作為獨立的內總線。

五、結束語

數據總線的出現和發展是由電子科學和系統工程的技術進步來推動的，是計算機技術、控制技術、網絡通信技術和電子技術等工程科學的交叉與融合?，F代飛機中各系統之間依靠總線來實現數據通信，通過總線完成數據信息的多路傳輸并允許數據和計算結果共享，聯邦架構由于邊界定義明確，從商業和技術諸角度看有著明顯的優勢。飛機上各系統角色分工不同，執行的任務不同，對信息傳輸的要求也各有差異，針對上述要求，我們應合理分析、強化論證、充分借鑒，結合前文所述內容對利用好、駕馭好基于聯邦架構的數據總線技術，對飛機航電系統的設計有重要的參考意義。

參考文獻：

[1]蒲小勃.現代航空電子系統與綜合.北京：航空工業出版社， 2013.

[2]熊華鋼，周貴榮，李峭.機載總線網絡及其發展[J].航空學報， 2006（6）.

[3]MIL-STD-1553 Designer’s Guide. Data Device Corporation， 1998.

[4]MIL-STD-1553 Tutorial. Condor Engineering， Inc. 2005.

[5]支超有.機載數據總線技術及其應用.北京：國防工業出版社， 2009.

[6]寇明延，趙然.現代航空通信技術[M].北京：國防工業出版社， 2011.

[7]Kowal Brian W，Scherz Cart J， Quinlivan Richard. C-17 Flight Control System Overview. IEEE AES MAGAZINE. 1992.

[8]趙永庫.新一代航空電子總線系統結構研究[J].航空計算技術， 2005（3）.