0 引言

　　以科曼奇為代表的直升機航電系統(tǒng)采用了高度綜合化技術，綜合了航電任務系統(tǒng)、座艙顯示系統(tǒng)、設備管理、傳感器信號處理等，體現(xiàn)了高性能的特征；采用模塊化來解決航電系統(tǒng)在維護性、保障性和全壽命周期成本方面的問題。綜合化航電系統(tǒng)提高了系統(tǒng)任務能力，減輕了重量體積，又縮短研制周期、降低了成本。

　　目前我國大部分的直升機航空電子系統(tǒng)的發(fā)展水平有限，通用化、系列化和模塊化的程度很低，不僅影響了直升機的可靠性、維護性和保障性，還導致了航空電子系統(tǒng)在直升機全壽命費用中的比例越來越高。因此，本文針對新一代直升機航電系統(tǒng)綜合化處理需求，開展了適用于直升機應用環(huán)境綜合核心處理機技術的研究，實現(xiàn)直升機航電系統(tǒng)信息綜合化處理。

1 直升機航空電子系統(tǒng)發(fā)展分析

　　直升機航空電子系統(tǒng)開始向綜合化發(fā)展，比較典型的直升機綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)有科曼奇的綜合化航空電子系統(tǒng)MEP、科林斯公司的綜合處理中心IPC、瑞典SAAB公司的分布式模塊化航空電子系統(tǒng)DIMA以及霍尼威爾公司的Primus Epic/Apex 航空電子系統(tǒng)結構。此外，一些舊機型航電系統(tǒng)的更新?lián)Q代也向綜合化模塊化的方向發(fā)展，如在黑鷹、支努干等多種直升機上使用的通用航空電子結構體系CAAS、AH-64D長弓阿帕奇的旋翼機開放式航空電子系統(tǒng)ROSA等。

　　MEP[1]的核心由兩臺結構相同而任務不同的計算機、存儲設備和顯示控制系統(tǒng)構成，與其他設備通過HSDB、1553B等總線進行互連。其特點是對航電任務處理、座艙顯示、設備管理、信號處理等進行了高度綜合化。

　　ROSA系統(tǒng)通過FC網(wǎng)絡實現(xiàn)了顯示控制計算機、任務計算機與雷達、傳感器之間的互連，將一些分散在各子系統(tǒng)的處理能力綜合到任務計算機中。ROSA特點是對原有航電系統(tǒng)的升級，通過局部綜合，既提高了操作性能、減輕了重量體積，又縮短研制周期、降低了成本。

　　IPC由于研發(fā)的年代較早，起初主要通過采用模塊化來解決航電系統(tǒng)維護性、保障性和全壽命周期成本方面的問題，在后期改進中才逐步采用了綜合化措施，如數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡采用了AFDX，操作系統(tǒng)選用了與ARINC653分層結構兼容的Posix系統(tǒng)。

　　CAAS[2-3]是由科林斯公司針對直升機特點開發(fā)的。它構建了一個規(guī)?？缮炜s的、適用于多種型號的系統(tǒng)，并通過開放式模塊化通用化的設計，降低全壽命周期成本。CAAS對航電任務處理、座艙顯示系統(tǒng)進行了綜合，其特點是采用分布式綜合化模塊化的方式降低成本，提高系統(tǒng)的靈活性，以適應多種機型的需要。

　　Primus Epic/Apex采用了集成機架和現(xiàn)場可更換模塊，實現(xiàn)了模塊航空電子單元，使用了一種航空電子標準通信總線作為虛擬底板總線實現(xiàn)模塊的互聯(lián)。Primus Epic/Apex的特點是將飛行器管理系統(tǒng)進行了一定程度的物理綜合。

　　DIMA[4]是瑞典的SAAB公司提出的。它使用AFDX作為互聯(lián)總線，連接分散在不同位置上的現(xiàn)場可更換模塊。同時也允許使用1553B數(shù)據(jù)總線將核心航空電子系統(tǒng)與其他任務系統(tǒng)連接在一起，實現(xiàn)低速率設備的信息傳輸。它主要對航電任務計算、座艙顯示和設備管理進行綜合，其特點是邏輯上綜合，物理上分布。

2 直升機航電綜合處理系統(tǒng)架構考慮

　　新一代直升機綜合化航空電子系統(tǒng)[5]需要實現(xiàn)航電系統(tǒng)的綜合控制與管理、總線網(wǎng)絡管理、任務綜合處理、傳感器信號及數(shù)據(jù)綜合處理、通信管理、懸掛物管理、人-機接口控制和管理、數(shù)字地圖生成、視頻交換、音頻視頻壓縮與記錄控制、任務/維護數(shù)據(jù)的加卸載控制等功能綜合。綜合處理系統(tǒng)輸入為前端傳感器信息以及圖像圖形信息，傳輸信息量非常大，需要高速通信網(wǎng)絡；另一方面系統(tǒng)信號處理量比較大，要求浮點處理能力高，需要很高的信號和數(shù)據(jù)處理性能。

　　圖1為處理系統(tǒng)體系結構。該處理系統(tǒng)架構中，HICP是直升機綜合航電任務系統(tǒng)的基礎平臺，具備數(shù)據(jù)、圖形圖像和視頻的綜合處理能力以及系統(tǒng)存儲能力，并為整個航空電子系統(tǒng)提供時間服務。直升機航電系統(tǒng)以HICP為核心，通過高速FC網(wǎng)絡和1553B總線實現(xiàn)航電系統(tǒng)通信，使得航電系統(tǒng)具有強壯性和可擴展性。高頻機架、低頻機架、光電設備、氣象雷達、信號傳感器和面板控制等系統(tǒng)設備要求提供高帶寬、低延遲、大數(shù)據(jù)塊傳輸服務，通過高速FC網(wǎng)絡互連傳輸數(shù)據(jù)；而低速設備和原有成熟的關鍵系統(tǒng)(如外掛系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)等)采用1553B總線傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹妷研缘耐瑫r，降低系統(tǒng)成本；與座艙多功能顯示器間通過DVI、1553B總線相連。

3 綜合處理機關鍵技術

　　3.1 系統(tǒng)容錯重構技術

　　HICP通過硬件、軟件、應用三級容錯措施來提高系統(tǒng)的可靠性。(1)硬件級容錯：電路上采用可靠性高的大規(guī)模集成電路、校驗電路，關鍵功能模塊(如電源、網(wǎng)絡、處理器模塊)備份。HICP通過電源、網(wǎng)絡、模塊等各元素的備份和容錯保證系統(tǒng)的可靠性。HICP采用余度供電體系保證當一塊電源模塊出現(xiàn)故障時系統(tǒng)的運行；采用容錯的FC通信網(wǎng)絡，能夠保證模塊、傳輸、交換機任一處出現(xiàn)故障時通信的正常進行；處理模塊采用備份方式，并根據(jù)系統(tǒng)的需要，采取熱備份、溫備份或冷備份的備份方案。(2)軟件級容錯：HICP通過系統(tǒng)管理的健康監(jiān)控服務監(jiān)控軟件模塊的運行，對故障的軟件模塊進行定位、分析和處理，并記錄故障現(xiàn)場，供軟件人員分析。當出現(xiàn)功能模塊故障、軟件故障等情況時，就需要對出現(xiàn)的故障的模塊或分區(qū)中運行的任務進行容錯重構的處理，該處理是在分布式操作系統(tǒng)的綜合管理下進行的。(3)應用級容錯采用應用分區(qū)備份，在不同模塊上備份一個完全相同的分區(qū)。

　　3.2 高速實時網(wǎng)絡通信技術

　　直升機綜合處理系統(tǒng)采用高速FC網(wǎng)絡實現(xiàn)航電系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通信。光纖通道提供一種通用網(wǎng)絡傳輸機制，定義各種高層通信協(xié)議到光纖通道的映射方法。提供一套完整故障檢測手段和流量控制方法，保證通信網(wǎng)絡的可靠性。光纖通道支持3種基本的拓撲結構：點到點、仲裁環(huán)和交換結構。每一種拓撲結構都適用于不同的目的，并且這些拓撲結構都能夠組合起來構成更大規(guī)模的網(wǎng)絡。FC網(wǎng)絡具有以下技術特點[6]：

　　(1)全雙工：發(fā)送通路與接收通路獨立，可同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；

　　(2)傳輸速率高：支持1 Gb/s、2 Gb/s傳輸速率；

　　(3)高可靠：物理鏈路傳輸誤碼率BER<10-12；

　　(4)傳輸距離遠，采用單模光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)時，傳輸距離可高達10 km；

　　(5)可擴展性好：支持點到點、仲裁環(huán)和交換結構3種拓撲結構，可采用多個交換機集連構建更大的網(wǎng)絡；

　　(6)多種傳輸介質(zhì)：支持銅纜、光纜等多種傳輸介質(zhì)；

　　(7)標準化：FC網(wǎng)絡技術有完整標準體系，支持開放式系統(tǒng)互連。

　　3.3 高分辨率圖形圖像處理技術

　　系統(tǒng)需要實現(xiàn)1 024×768高分辨率圖形圖像處理，支持2D/3D硬件加速和OpenGL標準圖形接口，完成二維/三維圖形的生成、圖像疊加和圖像壓縮功能，涉及到二維/三維圖形顯示、多路圖像疊加和多路圖像壓縮等技術[7]。

　　采用圖形加速芯片實現(xiàn)二維/三維的圖形加速功能，應用跨平臺的開放式圖形庫OpenGL1.3實現(xiàn)圖形應用接口，采用實時操作系統(tǒng)VxWorks5.5實現(xiàn)圖形處理任務的管理。圖形顯示接口采用DVI視頻接口，單個圖形處理器芯片配置為同時輸出DVI視頻信號，分辨率支持1 024×768，刷新頻率為60 Hz。

　　多路圖像疊加采用FPGA實現(xiàn)圖像疊加的邏輯運算，以像素行為單位實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的緩存，而前景圖像和背景圖像進行疊加時運用ALPHA疊加算法，通過配置前景圖像和背景圖像的疊加系數(shù)方法，實現(xiàn)半透明疊加和覆蓋疊加。FPGA邏輯實現(xiàn)了兩個對DDR2 SDRAM控制器，運用乒乓方式來訪問DDR2 SDRAM，在往DDR2 SDRAM控制器1的DDR2 SDRAM寫圖像數(shù)據(jù)時，能夠同時從DDR2 SDRAM控制器2的DDR2 SDRAM讀取圖像數(shù)據(jù)進行疊加，保證了圖像疊加時不丟棄任何圖像幀。視頻疊加原理如圖2所示。

　　多路圖像壓縮采用完全自主的H.264壓縮算法[8]，使用FPGA硬邏輯實現(xiàn)H.264算法，并針對航空畫面復雜的特點，提出最佳的壓縮策略，在顯著提高畫面清晰度的同時，減少數(shù)據(jù)存儲量。壓縮算法采用硬邏輯實現(xiàn)，保證了圖像壓縮的實時性，同時采用DDR2 SDRAM實現(xiàn)圖像原始數(shù)據(jù)的緩存和壓縮中間數(shù)據(jù)的緩存。

　　3.4 獨立可控安全供電技術

　　HICP各功能模塊采取獨立供電，使得模塊內(nèi)的電源故障不向其他模塊蔓延傳遞，實現(xiàn)電源故障隔離[9]，如圖3所示。

　　HICP通過主控模塊對其他功能模塊實施上下電控制。每個功能模塊的28 V轉內(nèi)部5 V模塊帶有控制端，低電平使能5 V輸出，高電平關閉5 V電源輸出，控制信號來自主控模塊。

　　3.5 自主分布式系統(tǒng)軟件技術

　　HICP軟件由航電綜合任務軟件、系統(tǒng)管理軟件、嵌入式核心操作系統(tǒng)、模塊支持層軟件組成。該體系結構充分考慮了各子功能系統(tǒng)間、各層間的安全隔離，以防止故障蔓延。操作系統(tǒng)代碼的可浮動、可重載使操作系統(tǒng)可動態(tài)引導和重加載。系統(tǒng)管理軟件通過健康監(jiān)控、故障管理、配置管理實現(xiàn)系統(tǒng)故障的監(jiān)視、濾波、定位、恢復及重構。機載實時操作系統(tǒng)通過藍圖管理航電軟件的運行，在藍圖中給出系統(tǒng)資源的配額使用和分區(qū)/進程調(diào)度、系統(tǒng)容錯/重構的策略定義。

　　HICP采用天脈2和天脈1兩種自主知識產(chǎn)權核心操作系統(tǒng)。

　　天脈2操作系統(tǒng)全面實現(xiàn)了ARINC653要求[10]的分區(qū)管理、進程管理、時間管理、存儲管理、分區(qū)內(nèi)通信、分區(qū)間通信及健康監(jiān)控服務；對下實現(xiàn)了模塊支持層的剝離，使得硬件模塊支持層具有強獨立性，能夠滿足不同應用需求和升級需要。

　　天脈1是一個針對航空應用需求設計的機載嵌入式實時操作系統(tǒng)，能夠完全滿足機載環(huán)境所提出的強實時、高可靠、可裁剪性、可升級性等特殊要求。

　　3.6 開放式機架抗惡劣環(huán)境設計技術

　　直升機中沒有液冷，也沒有環(huán)控風，產(chǎn)品散熱需要自帶風機解決。風機冷卻利用風機驅(qū)動冷卻空氣流經(jīng)電子設備把熱量帶走，其冷卻能力約為自然風冷的10倍。

　　HICP開放式風冷散熱結構如圖4所示，風機驅(qū)動冷卻風直接吹過器件表面散熱器換熱，有效縮短散熱路徑，大幅提高散熱能力。

　　HICP電磁防護采用安裝風壓損失較小的金屬發(fā)泡網(wǎng)方法來處理通風散熱孔，由于金屬發(fā)泡網(wǎng)不能直接裸露，所以在發(fā)泡網(wǎng)增加金屬打孔板，在保護金屬發(fā)泡網(wǎng)的同時提高電磁密封性能。

　　HICP防塵部件選擇鋁制發(fā)泡金屬網(wǎng)，發(fā)泡金屬網(wǎng)是一種經(jīng)特殊工藝制成的帶有大量層疊微孔的鎳鐵等金屬支撐的既能屏蔽輻射干擾又能通風的材料。

　　4 綜合核心處理機實現(xiàn)

　　新一代直升機綜合核心處理機系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理模塊、信號處理模塊、圖形圖像模塊、大容量存儲器模塊、網(wǎng)絡支持模塊及電源模塊等高度通用化LRM模塊組成，模塊功能和數(shù)量配置如下：

　　(1)數(shù)據(jù)處理模塊：2塊，負責任務計算、數(shù)據(jù)融合和系統(tǒng)控制管理等任務以及1553B總線通信、IO信號處理，其中1塊作為備份；

　　(2)信號處理模塊：3塊，負責高頻機架、低頻機架、光電設備的傳感器信號處理；

　　(3)圖形圖像模塊：1塊，負責有關多功能顯示器、備份顯示器的圖像生成與處理；

　　(4)大容量存儲器模塊：1塊，負責數(shù)字地圖、大容量數(shù)據(jù)存儲與管理、任務數(shù)據(jù)加卸載；

　　(5)視頻處理模塊：1塊，負責傳感器圖像生成與處理、視頻交換，視頻/音頻的壓縮與記錄傳輸控制，人-機接口控制和管理；

　　(6)網(wǎng)絡支持模塊：2塊，負責HICP內(nèi)各模塊之間以及與前端傳感器間高速數(shù)據(jù)傳輸；

　　(7)電源模塊：2塊，負責電源處理和各個模塊上/下電的管理，采用余度供電方式。

　　5 結束語

　　新一代直升機綜合核心處理機采用綜合化、模塊化、開放式的系統(tǒng)結構，具有數(shù)據(jù)、信號、圖形、視頻處理能力和大容量存儲、高速網(wǎng)絡通信、系統(tǒng)容錯重構能力，具有技術先進、性能高、重量輕、體積小、功耗低的特點。與直升機現(xiàn)有先進航電處理系統(tǒng)相比，新一代直升機綜合核心處理機的重量、功耗和體積均減少30%以上，性能提高4倍以上。

　　參考文獻

　　[1] 諸葛卉.直升機航空電子系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].航空科學技術，2006，24(5)：25-27.

　　[2] BERGEY J.The U.S.army′s common avionics architecture system[C].Technical Report，2005：1-6.

　　[3] SKAGGS M.Sikorsky avionics integration on the UH-60M[Z].Sikorsky Pilot′s Office，2004.

　　[4] GERMANETTI S.Common core avionics architecture for tactical and navy version benefits of open system approach for future needs[C].Military Avionics Conference，28th &29th October2004-London，UK，2004.

　　[5] MOIR I，SEABRIDGE A.Civil avionics systems[M].Profes-sional Engineering Publishing，UK，2003.

　　[6] 熊華鋼，周貴榮，李峭.機載總線網(wǎng)絡及其發(fā)展[J].航空學報，2006，27(6)：1135-1144.

　　[7] 孔淵.機載高性能圖形引擎技術研究[D].上海：上海交通大學，2006.

　　[8] 宋青.基于IDATA的高級座艙顯示界面設計方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

　　[9] 孟穎悟.新型機載計算機電源架構的研究[J].航空計算技術，2007，37(5)：63-65.

　　[10] ARINC specification 653：avionics application software standard interface，part 1-required services[Z].2005.