ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВИОНИКИ
УДК 681.5: 681. 3
В. В. ГРИГОРЬЕВ, Д. В. КОЗИС, А. Н. КОРОВЬЯКОВ, Ю. В. ЛИТВИНОВ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ
Рассмотрены вопросы построения бортового радиоэлектронного оборудования гражданских самолетов на основе принципов интегрированной модульной авионики.
Ключевые слова: авионика, пилотажно-навигационный комплекс, бортовое радиоэлектронное оборудование.
Введение. В настоящее время в России ведутся работы по созданию комплекса бортового радиоэлектронного оборудования перспективного семейства гражданских самолетов, обеспечивающего решение навигационно-пилотажных задач летным экипажем, состоящим из двух человек.
Комплекс бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) предназначен для решения следующих задач:
— самолетовождения горизонтальной и вертикальной плоскости; — связи с наземными службами управления воздушным движением; — внутрисамолетной радиосвязи; — внутреннего и наружного видеонаблюдения; — регистрации полетной информации; — контроля полета и формирования предупреждающей, уведомляющей, аварийной сигнализации и т.д. Принципы интегрированной модульной авионики. В основе комплекса бортовой аппаратуры для разрабатываемых гражданских самолетов предполагается использовать информационно-управляющую среду (ИУС), создаваемую на основе принципов интегрированной модульной авионики (ИМА). Идеология интегрированной модульной авионики предусматривает использование при создании БРЭО единого набора аппаратных и программных ресурсов, которые легко настраиваются и адаптируются к многофункциональным задачам. Этот набор образует платформу, которая обеспечивает функционирование в соответствии с заданными требованиями по безопасности и по функциональности самолета. Элементы ИМА унифицированы по конструктивному исполнению, электрическим и программным интерфейсам. В соответствии с принципами ИМА весь комплекс бортового оборудования (КБО) реализует следующие функции: — экранной индикации; — самолетовождения;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
8 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов
— управления полетом; — управления тягой двигателей; — диагностики и технического обслуживания; — автоматизации и управления самолетным оборудованием; — предупреждения экипажа; — бортовой связи. Следование принципам интегрированной модульной авионики обеспечивает: — высокую надежность комплекса БРЭО, — удобство в эксплуатации и обслуживании ИУС, — высокий уровень унификации аппаратной составляющей ИУС и программного обеспечения, — простоту модернизации и наращивания решаемых комплексом БРЭО задач (также упрощается интеграция новых систем). Реализацию задач пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) предлагается осуществлять на аппаратных средствах ИУС в рамках единого подхода к разработке программного обеспечения. Разработка современных комплексов бортового радиоэлектронного оборудования проводится в целях повышения надежности комплекса, а также минимизации затрат на разработку, сертификацию и эксплуатацию. Для достижения этих целей предусматривается: — максимальная интеграция аппаратуры комплекса; — открытая архитектура комплекса; — минимизация количества связей (упрощение кабельной сети) и введение унифицированного канала передачи информации, допускающего простое масштабирование (наращивание количества абонентов) и реконфигурацию; — централизация вычислительных ресурсов — создание вычислительного ядра комплекса; — конструктивная и интерфейсная унификация вычислительных ресурсов. Принципы организации архитектуры комплекса БРЭО: — аппаратная и функциональная интеграция бортовых вычислительных систем и датчиков, автономных и радиотехнических систем навигации, систем связи; — модульность построения основных вычислительных систем на основе единой сетевой ИУС с распределенными ресурсами и высокоскоростными шинами обмена; — открытость архитектуры, обеспечивающей возможность наращивания и модернизации комплекса; — использование новейших технических решений в области электроники и информационных технологий; — внутрипроектная унификация как аппаратных средств, так и программного обеспечения. Информационные потоки БРЭО. Бортовое радиоэлектронное оборудование самолета, функциональная схема которого представлена на рис. 1, должно обеспечивать следующие функции: а) прием информации от самолетных систем и органов управления самолетом и КБО; б) обработку полученной информации и формирование потока управляющей информации; в) преобразование потока управляющей информации в сигналы управления самолетными системами; г) представление экипажу в удобной для восприятия форме объективной информации, необходимой для выполнения полета.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе модульной авионики 9
Особенностью информационных потоков является разнородность информации, как по интерфейсам, так и по протоколам ее передачи (интерфейсы и протоколы определяются сопрягаемыми с ИУС системами).
КБО а
б
в
КБО
ИУС
г Экипаж
Рис. 1
Выделим два основных типа передаваемой информации: 1) параметрическая (параметры полета, параметры состояния систем и т.д.); 2) видеоинформация (изображения, поступающие с камер видеонаблюдения, локатора, метеолокатора и т.д.). При выборе элементов аппаратуры БРЭО для упрощения обработки получаемой информации унифицируются внутренние интерфейсы БРЭО. При выборе интерфейсов учитываются как уровень аппаратуры (модуль, блок), так и тип передаваемых по нему данных (параметрическая, видеоинформация). Для передачи параметрической информации используется интерфейс AFDX (в настоящее время скорость передачи 100 Мбит/с, потенциально — до 1 Гбит/с), для видеоинформации — Fibre Channel (скорость передачи 1 Гбит/с, потенциально — до 10 Гбит/с). Повысить надежность БРЭО возможно за счет повышения надежности отдельных элементов системы, а также подбирая такую структуру системы, когда максимальное количество ее элементов (отказ которых приводит к отказу системы либо к снижению ее функциональности) можно резервировать. Наиболее „слабое звено“ самолета — индикаторы, их резервирование возможно с помощью реконфигурации индикации на другой индикатор. Для повышения надежности индикаторов необходимо, чтобы они содержали минимум элементов — отображающий элемент и простейший контроллер, обеспечивающий регистрацию полученной видеоинформации и ее отображение. При этом формирование видеоинформации происходит в дисплейном процессоре, не входящем в состав индикатора. Таким образом, функциональную схему БРЭО представим в виде, изображенном на рис. 2, 3, выделив в ней: 1) подсистему ввода информации — на пульты управления, подсистему ввода и концентрации параметрической информации (концентраторы), подсистему ввода видеоинформации (видеокоммутатор); 2) подсистему индикации, включающую графическую подсистему (графический крейт) и индикаторы. Следующим шагом повышения надежности БРЭО является дублирование всех элементов системы, кроме вычислительного ядра. Таким образом, функциональная схема примет вид, приведенный на рис. 4. Для обеспечения возможности дублирования графической подсистемы в каждый индикатор введено два канала приема видеоинформации от каждого графического крейта. Резервирование вычислительного ядра обеспечивается его представлением в виде двух вычислительных крейтов. При частичном отказе ведущего вычислительного крейта происходит полный переход к управлению от следующего по приоритету крейта.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
10 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов
Подсистема
КБО
ввода
информации
ИУС
Вычислительное ядро
Рис. 2
Подсистема выдачи
информации
Подсистема индикации
КБО Экипаж
КБО
Пульты управления ИУС
Подсистема ввода и концентрации параметрической
информации
Вычислительное ядро
Подсистема выдачи
информации
КБО
Подсистема ввода
видеоинформации
ИУС
Графическая подсистема
Индикаторы
Экипаж
Однонаправленный канал передачи видеоинформации (Fibre Channel) Двунаправленный канал передачи параметрической информации (AFDX)
Рис. 3
Подсистема ввода видеоинформации
Графическая подсистема
Концентратор
Пульты управления ИУС
Концентратор
Вычислительное ядро
Индикаторы
Подсистема ввода видеоинформации
Графическая подсистема
Однонаправленный канал передачи видеоинформации (Fibre Channel) Двунаправленный канал передачи параметрической информации (AFDX)
Рис. 4
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе модульной авионики 11
Заключение. На основе анализа состояния, тенденций и перспектив развития бортового оборудования (БО) ЛА в России и за рубежом, научно-технических исследований, выполненных в этой области, и опыта разработки бортовых комплексов гражданских самолетов всех классов предложена практическая методология интеграции БО.
Из анализа задач функционирования самолета, вычислительных процессов, процессов информационного обмена и опыта разработок бортовых комплексов предложена структура БРЭО, базирующаяся на отказоустойчивой бортовой локальной вычислительной сети открытой архитектуры на основе высокоскоростных мультиплексируемых и радиальных каналах со стандартизованными подключениями.
Реализация идеологии ИМА при проектировании БРЭО обеспечивает: — минимизацию кабельных связей; — высокую надежность (резервирование на борту самолета обеспечивается двухконтурностью системы обработки данных, вычислительного ядра и индикации); — открытую архитектуру за счет использования сетевых технологий (на базе AFDX и Fiber Channel) путем оперативного перераспределения ресурсов и унификации модулей аппаратуры БРЭО и их конструктивного исполнения; — масштабируемость, позволяющую без изменения структуры БРЭО модернизировать и/или адаптировать БРЭО к конкретному типу самолета. Программное обеспечение проектируется в виде иерархической системы независимых модулей с унифицированными программными интерфейсами. Открытая архитектура позволяет модернизировать структуру и ПО БРЭО на протяжении всего жизненного цикла самолета, интегрировать в его состав перспективные комплексы БО. Предлагаемый системный подход к обеспечению отказоустойчивости БРЭО — основа безопасности и точности полетов, повышения качества и снижения стоимости отработки и сертификации, а также уменьшения эксплуатационных расходов в течение жизненного цикла самолета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авиационная радионавигация. Справочник / Под ред. А. А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990. 264 с.
2. Алексеев Ю. Я., Бенев В. Н., Ефимов В. А., Каверин С. Н., Татарский Б. Г. Авиационное радиоэлектронное оборудование / Под ред. В. А. Ефимова. М.: Изд-во ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1993. 230 с.
Валерий Владимирович Григорьев
Дмитрий Владимирович Козис Анатолий Николаевич Коровьяков
Юрий Володарович Литвинов
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: grigvv@yandex.ru — канд. техн. наук; ОКБ „Электроавтоматика“ им. П. А. Ефимова; Санкт-Петербург, начальник лаборатории; E-mail: kozisd@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: anatoliyru@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: yur113@yandex.ru
Рекомендована кафедрой систем управления и информатики
Поступила в редакцию 01.07.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
УДК 681.5: 681. 3
В. В. ГРИГОРЬЕВ, Д. В. КОЗИС, А. Н. КОРОВЬЯКОВ, Ю. В. ЛИТВИНОВ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ
Рассмотрены вопросы построения бортового радиоэлектронного оборудования гражданских самолетов на основе принципов интегрированной модульной авионики.
Ключевые слова: авионика, пилотажно-навигационный комплекс, бортовое радиоэлектронное оборудование.
Введение. В настоящее время в России ведутся работы по созданию комплекса бортового радиоэлектронного оборудования перспективного семейства гражданских самолетов, обеспечивающего решение навигационно-пилотажных задач летным экипажем, состоящим из двух человек.
Комплекс бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) предназначен для решения следующих задач:
— самолетовождения горизонтальной и вертикальной плоскости; — связи с наземными службами управления воздушным движением; — внутрисамолетной радиосвязи; — внутреннего и наружного видеонаблюдения; — регистрации полетной информации; — контроля полета и формирования предупреждающей, уведомляющей, аварийной сигнализации и т.д. Принципы интегрированной модульной авионики. В основе комплекса бортовой аппаратуры для разрабатываемых гражданских самолетов предполагается использовать информационно-управляющую среду (ИУС), создаваемую на основе принципов интегрированной модульной авионики (ИМА). Идеология интегрированной модульной авионики предусматривает использование при создании БРЭО единого набора аппаратных и программных ресурсов, которые легко настраиваются и адаптируются к многофункциональным задачам. Этот набор образует платформу, которая обеспечивает функционирование в соответствии с заданными требованиями по безопасности и по функциональности самолета. Элементы ИМА унифицированы по конструктивному исполнению, электрическим и программным интерфейсам. В соответствии с принципами ИМА весь комплекс бортового оборудования (КБО) реализует следующие функции: — экранной индикации; — самолетовождения;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
8 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов
— управления полетом; — управления тягой двигателей; — диагностики и технического обслуживания; — автоматизации и управления самолетным оборудованием; — предупреждения экипажа; — бортовой связи. Следование принципам интегрированной модульной авионики обеспечивает: — высокую надежность комплекса БРЭО, — удобство в эксплуатации и обслуживании ИУС, — высокий уровень унификации аппаратной составляющей ИУС и программного обеспечения, — простоту модернизации и наращивания решаемых комплексом БРЭО задач (также упрощается интеграция новых систем). Реализацию задач пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) предлагается осуществлять на аппаратных средствах ИУС в рамках единого подхода к разработке программного обеспечения. Разработка современных комплексов бортового радиоэлектронного оборудования проводится в целях повышения надежности комплекса, а также минимизации затрат на разработку, сертификацию и эксплуатацию. Для достижения этих целей предусматривается: — максимальная интеграция аппаратуры комплекса; — открытая архитектура комплекса; — минимизация количества связей (упрощение кабельной сети) и введение унифицированного канала передачи информации, допускающего простое масштабирование (наращивание количества абонентов) и реконфигурацию; — централизация вычислительных ресурсов — создание вычислительного ядра комплекса; — конструктивная и интерфейсная унификация вычислительных ресурсов. Принципы организации архитектуры комплекса БРЭО: — аппаратная и функциональная интеграция бортовых вычислительных систем и датчиков, автономных и радиотехнических систем навигации, систем связи; — модульность построения основных вычислительных систем на основе единой сетевой ИУС с распределенными ресурсами и высокоскоростными шинами обмена; — открытость архитектуры, обеспечивающей возможность наращивания и модернизации комплекса; — использование новейших технических решений в области электроники и информационных технологий; — внутрипроектная унификация как аппаратных средств, так и программного обеспечения. Информационные потоки БРЭО. Бортовое радиоэлектронное оборудование самолета, функциональная схема которого представлена на рис. 1, должно обеспечивать следующие функции: а) прием информации от самолетных систем и органов управления самолетом и КБО; б) обработку полученной информации и формирование потока управляющей информации; в) преобразование потока управляющей информации в сигналы управления самолетными системами; г) представление экипажу в удобной для восприятия форме объективной информации, необходимой для выполнения полета.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе модульной авионики 9
Особенностью информационных потоков является разнородность информации, как по интерфейсам, так и по протоколам ее передачи (интерфейсы и протоколы определяются сопрягаемыми с ИУС системами).
КБО а
б
в
КБО
ИУС
г Экипаж
Рис. 1
Выделим два основных типа передаваемой информации: 1) параметрическая (параметры полета, параметры состояния систем и т.д.); 2) видеоинформация (изображения, поступающие с камер видеонаблюдения, локатора, метеолокатора и т.д.). При выборе элементов аппаратуры БРЭО для упрощения обработки получаемой информации унифицируются внутренние интерфейсы БРЭО. При выборе интерфейсов учитываются как уровень аппаратуры (модуль, блок), так и тип передаваемых по нему данных (параметрическая, видеоинформация). Для передачи параметрической информации используется интерфейс AFDX (в настоящее время скорость передачи 100 Мбит/с, потенциально — до 1 Гбит/с), для видеоинформации — Fibre Channel (скорость передачи 1 Гбит/с, потенциально — до 10 Гбит/с). Повысить надежность БРЭО возможно за счет повышения надежности отдельных элементов системы, а также подбирая такую структуру системы, когда максимальное количество ее элементов (отказ которых приводит к отказу системы либо к снижению ее функциональности) можно резервировать. Наиболее „слабое звено“ самолета — индикаторы, их резервирование возможно с помощью реконфигурации индикации на другой индикатор. Для повышения надежности индикаторов необходимо, чтобы они содержали минимум элементов — отображающий элемент и простейший контроллер, обеспечивающий регистрацию полученной видеоинформации и ее отображение. При этом формирование видеоинформации происходит в дисплейном процессоре, не входящем в состав индикатора. Таким образом, функциональную схему БРЭО представим в виде, изображенном на рис. 2, 3, выделив в ней: 1) подсистему ввода информации — на пульты управления, подсистему ввода и концентрации параметрической информации (концентраторы), подсистему ввода видеоинформации (видеокоммутатор); 2) подсистему индикации, включающую графическую подсистему (графический крейт) и индикаторы. Следующим шагом повышения надежности БРЭО является дублирование всех элементов системы, кроме вычислительного ядра. Таким образом, функциональная схема примет вид, приведенный на рис. 4. Для обеспечения возможности дублирования графической подсистемы в каждый индикатор введено два канала приема видеоинформации от каждого графического крейта. Резервирование вычислительного ядра обеспечивается его представлением в виде двух вычислительных крейтов. При частичном отказе ведущего вычислительного крейта происходит полный переход к управлению от следующего по приоритету крейта.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
10 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов
Подсистема
КБО
ввода
информации
ИУС
Вычислительное ядро
Рис. 2
Подсистема выдачи
информации
Подсистема индикации
КБО Экипаж
КБО
Пульты управления ИУС
Подсистема ввода и концентрации параметрической
информации
Вычислительное ядро
Подсистема выдачи
информации
КБО
Подсистема ввода
видеоинформации
ИУС
Графическая подсистема
Индикаторы
Экипаж
Однонаправленный канал передачи видеоинформации (Fibre Channel) Двунаправленный канал передачи параметрической информации (AFDX)
Рис. 3
Подсистема ввода видеоинформации
Графическая подсистема
Концентратор
Пульты управления ИУС
Концентратор
Вычислительное ядро
Индикаторы
Подсистема ввода видеоинформации
Графическая подсистема
Однонаправленный канал передачи видеоинформации (Fibre Channel) Двунаправленный канал передачи параметрической информации (AFDX)
Рис. 4
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11
Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе модульной авионики 11
Заключение. На основе анализа состояния, тенденций и перспектив развития бортового оборудования (БО) ЛА в России и за рубежом, научно-технических исследований, выполненных в этой области, и опыта разработки бортовых комплексов гражданских самолетов всех классов предложена практическая методология интеграции БО.
Из анализа задач функционирования самолета, вычислительных процессов, процессов информационного обмена и опыта разработок бортовых комплексов предложена структура БРЭО, базирующаяся на отказоустойчивой бортовой локальной вычислительной сети открытой архитектуры на основе высокоскоростных мультиплексируемых и радиальных каналах со стандартизованными подключениями.
Реализация идеологии ИМА при проектировании БРЭО обеспечивает: — минимизацию кабельных связей; — высокую надежность (резервирование на борту самолета обеспечивается двухконтурностью системы обработки данных, вычислительного ядра и индикации); — открытую архитектуру за счет использования сетевых технологий (на базе AFDX и Fiber Channel) путем оперативного перераспределения ресурсов и унификации модулей аппаратуры БРЭО и их конструктивного исполнения; — масштабируемость, позволяющую без изменения структуры БРЭО модернизировать и/или адаптировать БРЭО к конкретному типу самолета. Программное обеспечение проектируется в виде иерархической системы независимых модулей с унифицированными программными интерфейсами. Открытая архитектура позволяет модернизировать структуру и ПО БРЭО на протяжении всего жизненного цикла самолета, интегрировать в его состав перспективные комплексы БО. Предлагаемый системный подход к обеспечению отказоустойчивости БРЭО — основа безопасности и точности полетов, повышения качества и снижения стоимости отработки и сертификации, а также уменьшения эксплуатационных расходов в течение жизненного цикла самолета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авиационная радионавигация. Справочник / Под ред. А. А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990. 264 с.
2. Алексеев Ю. Я., Бенев В. Н., Ефимов В. А., Каверин С. Н., Татарский Б. Г. Авиационное радиоэлектронное оборудование / Под ред. В. А. Ефимова. М.: Изд-во ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1993. 230 с.
Валерий Владимирович Григорьев
Дмитрий Владимирович Козис Анатолий Николаевич Коровьяков
Юрий Володарович Литвинов
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: grigvv@yandex.ru — канд. техн. наук; ОКБ „Электроавтоматика“ им. П. А. Ефимова; Санкт-Петербург, начальник лаборатории; E-mail: kozisd@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: anatoliyru@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: yur113@yandex.ru
Рекомендована кафедрой систем управления и информатики
Поступила в редакцию 01.07.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 11