航空电子通信系统关键技术问题的浅析
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发布时间：2022-12-06 21:06
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时间：2024-03-26 13:34
航空电子通信系统关键技术问题的浅析
摘要：现代航空电子综合化技术的发展走走提高了飞机的性能，信息综合化技术中最重要的技术之一就是航空电子通信技术。基于MIL—s11卜l553B总线，本文分析了航空电子通信系统设计中若干关键性问题的解决逢轻。最后着重说明了某机械ACT飞控系统1553/3总线通信网络的实现技术。
关键词：航空电子;通信;1553B总线
概述现代航空电子综合化技术的发展太大提高了飞机的性能，航空电子综合化的最关键基础是机载通信网络的组建。统计国内外机载电子通信系统，先进的大型民用飞机，如空中客车、渡音客机采用了ARINCA29或ARINC629建立了航空电子通信网络：而现役和正在研制的飞机绝大多数则基于MIL—STD一1553B建立了多路传输总线分布式航空电子通信系统。无论军民机，航空电子通信网络能够实现航空电子设备的信息综合，达到了航空电子信息综合化的目的。值得注意的是军机的高实时性、机动性和可靠性等特殊指标对航空电子通信系统提出了更高的要求。本文针对军机航空电子通信系统的关键性问题进行了分析说明，给出了先进可行的解决方案。最后以某机载ACT飞控系统的1553B总线通信网络为例，着重说明了其实现技术。
1 航电通信系统几个关键性问题的分析基于1553B多路传输总线网络。航空电子信息综合化的三个特点是：第一。以1553B总线方式将多个物理分布的子系统连接成网;第二，由于各子系统工作模式、控制对象及数据产生、传输、处理的实时性要求等不同，因而在网络的布局、信息的传输控制方面各自会有特殊的要求;第三，虽然各个子系统是异步工作。但要完成飞行和作战任务，一些共享信息需要在统一的时基上处理才有效。所以需要建立航电时钟同步机制。因此，下面从航电通信系统的层次结构、网络的拓扑结构、通信控制方案和航电时钟同步设计等角度进行分析。
1.1 航电通信系统层次结构参考ISO的开放式互连系统七层模式，航空电子通信系统分为5层：应用层、驱动层、传输层、数据链路层和物理层，如图1所示。这5层之间功能划分应明确，接口应简单，从而为硬软件的设计实现奠定良好的基础。
应用层是通信系统的最高层次，它实现通信系统管理功能(如初始化、维护、重构等)和解释功能(如描述数据交换的含义、有效性、范围、格式等)。
驱动层是应用层与底层的软件接口。为实现应用层的管理功能，驱动层应能控制子系统内多路传输总线接口(简称MBI)的初始化、启动、停止、连接、断开、启动其自测试，监控其工作状态，控制其和子系统主机的数据交换。
传输层控制多路传输总线上的数据传输，传输层的任务包括信息处理、通道切换、同步管理等。
数据链路层按照MIL—STD一1553B规定。控制总线上各条消息的传输序列。
物理层按照MIL—STD一1553B规定，处理1553B总线物理介质上的位流传输。
应用层、驱动层在各个子系统主机上实现，传输层、数据链路层、物理层在MBI上实现。
1.2 通信网络的拓扑结构选择航电通信网络的拓扑结构是指航电各个子系统物理上的互连结构。理论分析仿真和实际应用验证(如F一16、F一18、A一10、B一52等军机应用)的典型拓扑结构有以下三种：
第一，单一级总线拓扑结构，在该拓扑结构中，航电所有的子系统均连接到同一1553B总线电缆上。该结构适用于子系统数量较少、网络通信负荷量较低的航电系统。
第二，多个单级总线拓扑结构，在该拓扑结构中，航电的各子系统按功能相近或相互 阃 通信交换信息频繁度分类。将不同类子系统分别连至2个或多个1553B总线上 该结构适用于子系统数量较多、网络通信负荷量较重(单一级总线无法满足)的航电系统。典型例子如将航电通信网络组建为控制导航和武器管理两个总线。
第三，多级总线拓扑结构，在该拓扑结构中。至少存在通信功能层次高低有别的两级1553B总线，一般下级总线需接收上级总线的控制命令，同时向上一级总线回送工作参数。该结构适用于航空电子中部分子系统的功能单元数量较多、各单元需要1553B总线(即下级总线)连网通信，最终各个子系统通过上级1553B总线互连的航电系统。该结构管理复杂。不仅要求设计好上下总线 阃 的硬件网关，而且要组织好上下级总线间的信息交换。
航电通信设计者应根据机载电子设备的数量、通信的吞吐量、实时响应时问及通信的可靠性，从上述典型的网络拓扑结构中优选或组合出最佳的通信网络。
1.3通信控制方案1553B标准一“指令/响应式多路传输数据总线标准” 不仅支持集中模式的静态总线控制方案，而且支持分布模式的动态总线控制方案。
静态总线控制方案是由一个固定的总线控制器管理1553B总线上所有子系统间的消息通信。该方案具有通信控制简单、故障易检测、硬软件实现容易等优点，但存在集中控制网络固有的单点故障造成通信瘫痪的致命缺点。
动态总线控制方案是指1553B总线上有若干个具备作为总线控制器的子系统，但一个时 阃 段上仅允许一个作为总线控制器。总线控制权的交接方式有两种：时分制方式，即每个潜在的总线控制器被预先分配给固定的时间段来控制总线;循环交接控制权方式，该方式是按照各子系统的通信地址排列顺序交接控制权，该方式较时分制方式管理复杂但效率高。动态总线控制方案具有分布控制网络的优势一通信网络具备较强的可重构性和可靠性，却带来了通信控制复杂、故障检测难、硬软件实现难度大等缺点。
为满足航电总体指标的要求，综合分析静态/动态总线控制方案的特点。宜采用双余度静态总线控制器互为备份方式，其结构如图2所示。在此模式中，1553B总线上有两个具备总线控制能力的控制器。两者互为备份。上电时其中一个作为活动总线控制器管理总线通信。另一个则作为备份总线控制器;备份总线控制器一直监视活动总线控制器的工作状况。一旦发现其出现不可恢复的故障时，即替代之成为括动总线控制器管理总线通信。该方案既具有通信控制简单、故障易检测、硬软件实现容易等优点，又避免了单点故障造成通信瘫痪的致命缺点，是一种性能价格比优的可行控制方案。
1.4 时间同步机制由于航电系统的各子系统均分别按自己的计时时钟进行工作，其间必然存在计时误差问题。但为了实现各子系统之间的实时性任务和传输信息同步，要求航电通信系统提供一个统一的系统时间。
该时间的统一不仅是上电后的短时间内，而且在飞行中要一直保持。为实现这一需求，必须建立航电时间同步机制。该机制工作原理如下。
航电的每一个子系统均应具有一个时钟分辨率和长度都相同的实时计时器(RTC)，各子系统的实时计时器上电后。自动开始记数。由航电总线控制器周期性向各个子系统广播其实时计时器值，各个子系统按照此周期不断的计算自己的RTC与总线控制器RTC之间的误差，并以修正的统一的系统时间来处理实时任务。应根据航电系统及各个子系统对RTC精确度的要求。确定总线控制器广播RTC的周期值。当需要高精确度时，该周期值应小;反之，该周期值应选大一些。
采用该航电时间同步机制，实现了航电系统各个子系统的时基统一，保证了整个飞机飞行和作战高性能的发挥。
1.5 通信故障处理通信故障处理负责处理系统通信过程中发生的故障和错误。故障处理过程可分为临时故障和永久故障，临时故障指由于干扰出现的偶然性故障;而永久故障是由于子系统或通信电缆的硬件故障造成的`较长时间内或永久性存在的故障。
总线控制器对各个子系统报告的或电缆出现的通信故障，首先在双余度电缆上按系统要求进行若干次重试，若故障消失则认定为临时性故障;否则总线控制器将该故障记录在案，认定为永久性故障。
总线控制器对判定出的故障子系统下网，仅按一定查询周期去查询故障子系统;而对判定出的故障电缆需作记录。
非总线控制器所在子系统中发现的故障，分为以下三种处理方式：
第一，如果子系统中的多路总线接口硬件故障。
状态字中的终端标志位就应置位;第二，如果子系统中出现非MBI的故障，且此故障非瘫痪性故障，则状态字中的予系统标志位就应置位;第三，如果子系统中主机CPU停止了工作。应禁止MBI响应总线控制器命令。
2 某ACT飞控系统1553B总线通信网络的实现技术上述的航电通信系统关键问题及其解决途径，是一通用性设计准则。具体到某航空电子通信系统或某一些特殊的航电分系统内部1553B通信网络的组建，就要进行必要的优化设计。下面以某机载ACT飞控系统的1553B总线通信网络为例，说明上述航电通信设计准则的具体应用技术。
某机载ACT飞控系统由4个子系统组成，它们是：飞控计算机(眦)、机上维护BIT(MBIT)装置、码声器和飞行参数记录装置。其中FLCC采用4余度控制策略。因而具有4个通道，每一通道均需一个1553B通信接口(MBI)。这样一来ACT飞控系统内部的1553B通信网络共有7个节点。
首先。ACT飞控系统采用了基于1553B总线的分布式通信系统。因而上述的航电通信系统5层结构同样可以适用。采用该层次结构保证了ACT飞控系统网络设计的正确性、清晰性、易修改性和高可靠性。
在网络拓扑结构方面，ACT飞控系统的7个节点，正常情况下一个作为总线控制器(BC)，其余作为远程终端(RT)。系统通信量不繁重且网络所连节点较少。因而选择单一级1553B总线拓扑结构既可满足通信要求，又能够方便实现。
在选择通信控制方案时，必须从ACT飞控系统是飞机电子设备中最关键且可靠性要求最高的特点出发。为保证FLCC的万无一失，作为总线控制器的FLCC采用互为备份的4余度通信控制设计方案，比通常的双余度备份方案吏为可靠。4余度通信控制方案决定了FLCC需要4个嵌入式MBI，其中一个作为BC管理1553B总线通信，其余作为RT(备份Bc)工作。仅当活动的Bc出现故障时。由地址较小的RT顶替之成为BC开始管理1553B总线通信。这里不再详述故障判定与处理等问题。
在时间同步方面，第一，ACT飞控系统的FLCCA余度通道间有严格的时间同步。这由FLO2内部时钟系统实现，属于多余度计算机设计范围内的问题，与1553B通信网络各个节点之间的时问同步层次不同;第二，FLCC、MBIT装置、码声器和飞行参数记录装置之间155313总线信息的传递是按照FLCC的时间周期12.5ms进行的，其消息的更迭呈周期性时间特性;各个节点间没有前面第二节所述对实时时钟(RTC)同步的要求，故未在各个节点中增加基于RTC的同步机制。
最后在故障处理方面，第一，FLCC采用了冗余设计思想。实现了4余度MBI互为备份的方案，这样MBI出现故障不至于影响系统整体性能;第二，一旦F1J：C的BC出现故障，FLCC内部其他的RT可监视到其故障出现并及时处理;第三，如果FLCC的BC发现MBIT装置、码声器和飞行参数记录装置中任意一个出现通信故障，首先进行消息重试，若故障消失则认定为临时性故障，否则对判定出的故障节点下网。
3 结束语
航空电子通信系统是一个复杂的机载分布式实时通信网络，涉及到航空电子多路传输总线上所有的电子设备，其顶层设计的好坏直接影响到整个飞机的性能。上述的航电通信系统层次结构、网络的拓扑结构、通信控制方案、航电时钟同步设计和通信故障处理等均是航空电子通信系统的关键技术问题，文中提出的各项解决途径及某机载ACT飞控系统的1553B总线通信网络设计方案可供航空电子设计者与具体实现者作以参考
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