综合化模块化航空电子架构航电系统飞行管理模块的设计

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摘要

为了能够采用综合化模块化航空电子(integrated modular avionics，IMA) 架构，达到简化系统设计、开发和验证过程， 提升航电系统的安全性与可靠性的目的，针对当今主流的 IMA 架构的航空电子系统中的综合处理计算机系统，介绍了其中的飞行管理系统(flight management system，FMS) 计算机现场可更换模块和IMA系统软件架构，使用符合ARINC653 标准的天脉 2 (TM2) 嵌入式操作系统作为软件开发平台进行飞行管理模块的平台软件、应用软件设计和分区集成，并通过系统级仿真验 证证明其功能满足设计需求，有助于实现在 IMA 架构下飞行管理系统的具体型号应用。

航空电子系统发展至今经历了一个从分立式、联合式、综合化到高度综合化的过程，开放式体系结构和标准化、通用化设计的综合化模块化航空电子(integratedmodularavionics，IMA)系统架构是当今航电系统的主要实现方式。该架构能够有效降低飞机生命周期费用(lifecyclecost，LCC)、综合航电系统的各个应用、提高系统的性能、解决分立式和联合式航电系统应用需要各自进行维护升级的问题，提高了系统的兼容性、可移植性，可以支持不同关键安全级别的航电系统应用，得到了广大航空厂商的认同，并被广泛应用于波音787、空客A380、洛克希德马丁F-22及中国的C919等一系列新一代民用与非民用飞机的系统设计中。

飞行管理系统(flightmanagementsystem，FMS)是一个由机载飞行管理计算机系统、传感器系统、导航系统、显示控制系统、自动飞控系统以及自动油门系统等联合起来的飞机机载设备系统，可以大大减轻飞行员的负担，已经成为一种主要的航空电子系统，针对飞行管理系统的研究和设计也是航空电子系统领域目前的热点。

在系统设计方面，文献［4-5］分别对有人机和无人机的飞行管理系统进行了航迹优化设计，增加了航线预测精度的同时降低了油耗;文献［6］针对舰载机进行着舰航线设计及仿真;文献［7］建立了航路交叉角度设计的双层优化模型并分析了航路流量比例和速度区间对最优交叉角度的影响;文献［8-9］分别使用以文档为中心的系统工程方法和基于模型的系统工程方法对民用飞机飞行管理系统进行了正向设计。

在开发和验证方面，文献［10］提出了任务调度以及分区、任务通信等接口在Windows平台下的虚拟化技术方案，提高了飞行管理模块的开发效率;文献［11］设计了一种B/S架构的全数字仿真测试环境，能够提升测试效率75%;文献［12］设计了面向服务的架构，搭建了基于微服务的飞行管理方针系统，以满足大型复杂产品开发的灵活、可扩展和可重用仿真的需求。

在安全可靠以及适航性方面，文献［13］使用了基于模型的安全性分析方法对飞行管理系统进行了安全性分析;文献［14］引入了技术成熟度评价标准和流程并对某型飞行管理系统产品技术成熟度进行了评价;文献［15］探索了如何开展军用飞机飞行管理系统的适航性工作。

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随着航电设备综合化的进程，飞行管理计算机也向模块化的方向发展，通过IMA系统中的一个通用处理模块来实现其功能。现针对当今主流的IMA架构的航空电子系统，介绍了其软硬件架构，使用符合《航空电子应用软件标准接口》(ARINC653)的国产天脉2(TM2)嵌入式操作系统作为软件开发平台进行飞行管理模块的设计和实现，并通过仿真验证证明其功能性能满足设计需求，有助于实现在IMA架构下飞行管理系统的具体型号应用。

飞行管理系统

一、飞行管理系统功能和结构

飞行管理系统可以实现自动导航和飞行轨迹引导，辅助飞行员执行各项飞行任务，自动操控飞机以实现除起飞降落外的全航程自主飞行功能，给飞机带来可观的经济效益，满足空中交通管理需求，在军用民用领域都有广泛的应用。

现代飞机典型的飞行管理系统由飞行管理计算机、导航设备、显示输出设备和自动驾驶仪等构成，其中飞行管理计算机位于系统的核心位置，承担主要的运算和控制功能。

二、飞行管理模块设计

航空电子系统从联合式发展到综合化阶段，独立的飞行管理计算机功能由飞行管理模块来实现。飞行管理模块属于标准的现场可更换模块(linere-placeablemodule，LRM)，LRM是IMA系统的基本硬件组成单元，具有高度集成、器件通用、故障隔离、主动检测和维护方便等特点。

一个典型的IMA核心系统可以包括3～4个通用处理模块(common processing module，CPM)、1个数据存储模块(mass memory module，MMM)、2个机载网络交换模块(AFDX switch module，ASM)和2个电源模块(power supply module，PSM)等。其中飞行管理计算机功能由一块通用处理模块来实现，模块之间通过一组双余度航电全双工交换式以太网(avionicsfullduplexeXchangeinternet，AFDX)网络连接起来，并通过AFDX交换机模块与外部设备进行通信。

飞行管理模块硬件资源可以划分为5个功能单元:数据处理单元(data proces sunit，DPU)、模块支持单元(module support unit，MSU)、功能扩展接口(function expansion interface，FEI)、电源转换单元(power conversion unit，PCU)和物理接口单元(physical interface unit，PIU)。各个功能单元的硬件资源如表1所示。



飞行管理模块软件设计

一、IMA系统软件架构

ARINC653标准将IMA结构的航电软件体系结构是设计为分层的软件框架，可以简化软件设计和开发认证的成本、提高软件可信性和可复用性，增强系统的可移植性和可扩展性。

软件自上而下分为应用层、操作系统层和模块支持层3个功能层，其中应用层在系统的最顶层，实现航电系统的各种应用功能，与具体执行任务相关，例如飞行管理应用;中间层为平台基础软件，实现平台系统服务、管理及控制功能;最底层为模块支持层，实现为操作系统屏蔽模块硬件差异的功能。

应用层与操作系统层之间通过应用层/操作系统层接口进行操作，操作系统层软件调用模块支持层软件接口操作物理硬件。

二、飞行管理模块平台软件

平台软件为综合处理机(IPC)应用软件提供管理、运行的平台。包括嵌入式实时操作系统平台、扩展服务、系统管理等，为分区应用提供运行平台，如图1所示。



1、实时操作系统核心:提供软件运行平台，实现对各模块上运行的应用软件的支持。操作系统核心采用符合《航空电子应用软件标准接口》ARINC653的国产天脉2操作系统，提供分区管理、分区间通信、任务管理、时间管理、定时器管理、任务间通信管理、中断/异常管理、设备管理、调度表管理等功能。

2、扩展服务:为应用软件提供所需要的功能扩展，包括嵌入式文件系统支持、嵌入式数据库管理支持、图形图像支持、机内自检测(buildintest，BIT)、调试代理、简单网络管理协议(simplenetworkmanagementprotocol，SNMP)库、数据加/卸载加载端协议库等。这些软件包运行于分区环境中，依据应用软件的需求进行组合配置。

3、平台管理:提供综合处理平台一级的管理任务，包含健康监控、故障管理、配置管理、安全管理和网络管理等。

三、飞行管理模块应用设计

在IMA构架下，航空应用软件被封装在分区中，并被集成到标准的硬件处理平台上。通过时间与空间的隔离，IMA架构对系统资源进行了整合，将底层操作与上层应用分开，提供了共享共用的计算资源与通信资源。既保证了每个应用开发、验证的独立性，又实现了系统的深度集成与信息的高度共享。

1、应用分区

分区是IMA架构航电系统中一个重要的概念。如图2所示，IMA架构对航电任务进行区分，将能够并发执行的任务封装到同一个分区内，并允许若干分区处于同一个处理模块之上。IMA架构通过分区机制，实现不同应用间的空间隔离和时间隔离。

(1)空间隔离:每一个分区都被分配某一处理模块上，并得到一系列的空间资源，如内存、固定存储器等，只有本分区内的任务才能访问这些资源，其他分区内的任务则不能使用。IMA架构为每个分区分配互不交叉的物理空间，建立逻辑地址到物理地址的映射，实现空间隔离。

(2)时间隔离:每一个分区都被分配到一个特定的时间窗口，在该时间窗口内，分区内的任务可以按照一定调度算法来执行。当分区的时间窗口结束后，该分区就被挂起，分区内任务的执行也将结束。直到该分区的下一个时间窗口到来时，分区内的任务才能继续执行。



2、应用功能

飞行管理系统应用软件应该具备的主要功能如下。

(1)导航计算。接收导航设备传感器提供的导航信息，进行数据综合和位置计算，获得与所处的飞行阶段和所采用的飞行计划相符的位置引导信息。导航设备传感器主要包括惯性基准系统(inertial reference system，IRS)、大气数据计算机(air data computer，ADC)、测距仪(distance measuring equipment，DME)、全向信标(VHFomnidirectionalradiorange，VOR)、全球定位系统(global positioning system，GPS)、仪表着陆系统(instrument landing system，ILS)和飞行时钟等。

(2)飞行性能优化。利用飞机类型、重量、发动机特性和性能特性、风向风速、飞机状态等信息，实现飞行计划特定指标的最优化。连续监控飞行包线，确保飞机速度没有超出速度包线限制，同时计算飞行剖面不同阶段的最优速度。

(3)飞行计划管理。飞行计划制定根据当时的气象、机场、飞机情况和有关的限制规定，计算并确定该次飞行能装载量，以及完成该次飞行所需的时间和燃油量。

(4)对外接口单元。具备与导航设备传感器、自动驾驶系统、显示控制系统的接口功能。接收并预处理传感器信息，并将信息转发给导航计算、性能优化和飞行计划管理模块，收集计算结果并传送给自动驾驶系统和显控等其他系统。

如图3所示，机载导航设备提供的IRS、ADC、DME、VOR、GPS、ILS等导航数据信息，通过AFDX网络交换机将数据传送至综合模块化航空电子(IMA)平台的飞行管理模块中。驻留在飞行管理模块中的飞行管理应用软件通过对外接口单元接收数据，通过导航计算功能模块计算出当前飞机飞行状态的信息，然后将这些信息提供给性能优化功能模块，根据飞机类型、发动机特性和性能特性优化计算当前飞行性能;当前飞行信息提供给飞行计划功能模块，根据飞行计划和导航数据库计算目标飞行线路，输出信息控制自动驾驶仪和自动油门。将飞行状态信息输出到显控系统的主飞行界面(primary flight display，PFD)进行显示，将飞行计划信息和对地面导航台的控制信息传送至显控系统的导航界面(navigation display，ND)进行显示。



3、分区框架设计

(1)分区设计，在分区时间空间隔离的前提下，分区划分的原则主要有两种:将不同关键安全等级的任务设计为不同的分区;将不同功能部件的任务设计为不同的分区。具体到飞行管理模块，软件根据应用功能划分为导航计算、飞行性能优化、飞行计划管理和通信管理4个功能模块，同时参考DO-178B对软件安全等级的定义，导航计算和通信管理属于B级软件，飞行性能优化和飞行计划管理属于C级软件。

并且，平台提供一个系统分区用于处理平台级的管理类服务，例如，网络管理功能的模块代理端、615A加载功能的模块代理端、平台级BIT、平台级故障管理和上报等。综上，飞行管理模块软件划分为导航计算、性能优化、飞行计划、通信管理和平台管理5个分区，各分区及其任务属性如表2所示。



(2)分区调度。根据IMA架构和《航空电子应用软件标准接口》ARINC653标准定义，LRM处理模块核心操作系统按照预先定义的调度表依据时间片轮转策略依次处理多个不同的应用分区。调度表预先确定了LRM模块上所有应用分区的主时间框架、分区执行顺序、开始时间和结束时间。同时，分区之间的数据交互也必须在规定的时间内完成。其中，通信管理分区采用虚端口的方式与模块内其他分区通信，通过AFDX网络与模块外的其他设备进行数据交互。调度表的规划需要考虑分区的属性和分区内任务的周期。由于操作系统只能在分区切换的过程中处理该分区的接收消息，因此通信管理分区在一个主时间框架内设计多次执行，以提高系统运行效率。飞行管理模块分区调度设计主时间框架为250ms，其中导航计算分区(P1)为50ms，性能优化分区(P2)为30ms，飞行计划分区(P3) 为30ms，通信管理分区(P4)为80ms，分为4次执行，平台管理分区(P5)为10ms，如图4所示。



测试验证

一、验证方法

完成飞行管理模块的软硬件开发和集成后，验证过程应确保系统设计实现已满足IMA系统具体需求，参考民用飞机领域《IMA Development Guidanceand Certification Considerations》(DO-297)标准，典型的验证活动包括模块/平台级验证，应用验证和IMA系统级验证，采用增量验证的方式，分别由模块提供者、应用开发者和系统集成者进行。其中，IMA系统级验证的目的是验证应用满足其在目标平台和系统中的需求，是飞行管理模块提交航电系统进行系统综合前的最后一步，需要搭建系统集成测试环境进行验证。

二、IMA系统级验证环境

系统集成测试环境由综合处理计算机(integrate processing computer，IPC)、显示处理单元(display process modul，DPU)、远程数据采集器(remote data collection，RDC)等功能系统/子系统、无线电设备、以及高可靠AFDX数据交换网络组成。其中IPC包含飞行管理模块，采用真实设备。显示处理单元，远程数据采集器，无线电接口单元等设备采用虚拟设备。飞行环境执行软件采用跨平台开源飞行模拟软件flightgear，作为飞行仿真的可视化引擎，飞行数据激励源的产生器。

三、验证过程和结论

综合化模块化航电系统半实物仿真验证环境建立后，通过系统仿真联试的方式对飞行管理模块功能进行测试验证。

以导航计算和飞行计划为例，通过飞行仿真软件产生的ICD数据，通过AFDX网络和交换机将数据转发到飞行管理模块中，图5为飞行管理模块经过通信管理分区转发导航计算分区运算之后，将数据发送到显示控制单元的主飞行显示器和导航显示器进行显示。



图6为建立飞行计划后，仿真验证环境驱动飞行管理模块按照预先配置的飞行计划进行自动飞行的过程。经过系统级仿真联试，飞行管理模块功能满足设计需求。



结论

(1)针对当今主流的IMA架构的航空电子系统，介绍了其软硬件架构，使用符合ARINC653标准的国产天脉2嵌入式操作系统作为软件开发平台，在软件架构层面对飞行管理软件进行了分区设计和调度配置，在软件功能层面进行了导航计算、性能优化、飞行计划、通信管理和平台管理的设计和实现。

(2)通过IMA系统级验证证明其功能性能满足设计需求，有助于实现在IMA架构下飞行管理系统的具体型号应用。

(以上文章来源于《科学技术与工程》，作者：郝玉锴，戴小氐，崔西宁，作者单位：中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安电子科技大学计算机学院）

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