飞行控制计算机系统的比较研究与发展趋势分析

  因此，在架构上，这两种计算机采用不同的硬件，每种计算机内 2 个支路采用不同的软件，最终有 4 种非相似计算机，带有 4 种软件包，充分实现了非相似设计，系统的功能在所有计算机之间分配，对于一个给定的功能，一个计算机有效，其他计算机为热备份。A380 飞行控制计算机系统架构同 A330 /340 相比，计算机的基本架构没变，但在综合化方面做了进一步的工作，PＲIM 除了完成飞行控制任务以外，还综合了自动飞行和飞行导引功能。SEC 采用较简单的控制律，保证飞机的安全。另外飞行控制计算机增加了AFDX 接口，这里特别注意的是，该接口与安全关键的飞行控制无关，主要功能为软件下载、维护和告警数据通讯及部分系统之间的通讯等。

  1． 2 波音飞机飞行控制计算机

  波音公司推出的第一架电传飞机从 B777 开始，其飞行控制计算机系统与空客相比，最大的不同是采用PFC + ACE + 数字总线的分布式架构，飞行控制计算机依然采用非相似余度设计，但是与空客不同，其非相似余度的设计主要在计算机内部实现，计算机之间是相似的。B777 的数字式主飞行控制计算机系统为 3 × 3的余度架构，包括 3 个相同的通道，每个通道内有 3 个非相似的支路。主飞行控制计算机系统包含了 3 个完全相同的计算机通道 PFC。每个 PFC 包含 3 个非相似的支路，分别采用 AMD29050、Motorola 68040、Intel 80486 处理器［7］。每个支路的软件采用非相似的编译器。主飞 行 控 制 计 算 机 系 统 各 个 通 道 之 间 采 用AＲINC 629 数据总线通讯。主飞行控制计算机的 3 个通道全部投入工作，每个主 PFC 的 3 个支路分别被分配为指令支路、备用支路和监控支路。指令支路将全部作 动 器 控 制 和 系 统 状 态 数 据 传 送 到 它 指 定 的AＲINC 629 总线，而其他 2 个支路则主要执行监控功能和支路余度管理任务，一旦指令支路失效，其任务由备用支路取代。剩下 2 个支路任意一个再次发生故障都将导致 PFC 断开输出。每个 PFC 内的支路同步工作，使用完全相同的输入数据用于控制律计算处理，并使它们之间的计算帧对准到 20 ms。为了增加系统对外部共态干扰的抑制能力，3 个通道以异步方式工作。B787 飞行控制计算机系统同 B777 飞行控制计算机系统相似，仍然采用 PFC + ACE + 数字总线的架构，其不同点主要在于: 将 3 × 3 余度的 PFC 简化为 3 × 2余度的 FCM; 将主要是模拟计算机的 ACE 变为主要是数字计算机的 ACE; 采用不同的数字总线。同 Boeing777 相比，主飞行控制计算机系统进行了功能综合和物理综合，将 ACE、PFC、AFDC、PSA、FSEU 综 合 成 4 个 FCE。 每 个 FCE 主 要 由 三 余 度FCM、四余度 ACE 及四余度电源调节模块( Power Con-ditioning Module，PCM) 组成。FCM 为高完整的计算机节点，由命令支路和监控支路组成，命令支路采用基于Lockstep 技术的 Power PC 比较对，监控支路采用单个MIPS 处理器。

  1． 3 F － 35 飞行器管理计算机

  为方便比较，首先简单说明三代战斗机中普遍采用的典型飞行控制计算机架构。通常采用 4 余度计算机系统( 部分机型增加模拟备份功能，以进一步提升安全性) ，在 2 次故障后通过剩余的 2 台计算机保证飞机的可靠飞行。两台计算机均采用集中式控制架构。20 世纪 80 年代中期 Knox 等［8］提出了综合飞行/火力/推进控制的概念，通过将飞行、火力、推进、导航及航电等子系统综合，大大提高了飞机的总体性能和攻击能力，该技术在 F － 22 飞机上得到应用。F － 35飞机则更进一步，其采用飞行器管理系统对飞机平台的多项功能进行综合管理，比如飞行控制、发动机控制、公共设备管理等。作为其核心的飞行器管理计算机系统与第三代飞机的飞行控制计算机系统不同，飞行器管理计算机系统需要在保持飞行控制系统的多余度安全特性的基础上，实现对多个任务的功能综合，满足不同安全级别、不同余度配置任务共享平台的系统要求，同时采用分布式架构降低开发和维护成本。F － 35 飞机的飞机管理计算机系统包含 3 台飞机管理计算机和多个分布式的远程接口，系统总线采用符合 AS5643 规范的军用版本的 1394B 总线，其对 1394B 总线的通信时延、数据格式、节点配置都进行了较严格的限制［9］，基于该总线的分布式互联系统架构也在美国 X － 47B 无人作战飞机上得到应用，这种分布式的系统互联架构也将是下一代有人及无人作战飞行器的标准。

  以飞行控制系统/飞行器管理系统为代表的机载平台安全关键系统的安全性指标需要满足失效率小于1． 0e － 7( 1 / fh) ( 军机飞行控制系统) 和 1． 0e － 9 ( 1 /fh) ( 民机飞行控制系统) 。三代战斗机中飞行控制计算机普遍采用四余度架构，而四代战斗机 F － 35 的飞行器管理计算机系统采用了三余度配置，为保证飞机安全性，其必须保证三余度中的每个节点均能独立可靠的工作，即每个节点都必须具备高完整性，节点内可以采用比较监控对提高单节点的完整性实现降低系统的余度数量。在民机中则普遍采用比较对架构，每个比较对组成一个完整的控制节点，剩余 1 个节点时依然可以保证飞机的可靠飞行。从整个发展趋势来看，军机飞行控制计算机和民机飞行控制计算机的发展过程既有独立性又有相互融合的部分，不论技术的融合还是独立发展，均取决于飞机运行场景带给飞行控制系统并逐步向下分解的需求，一定程度上来说，飞机需求决定了技术的发展前景，技术的优劣又会对需求产生影响，下面对几个主要的技术趋势进行简单说明。1) 飞行控制计算机余度架构。简单可靠是机载安全关键系统的普遍原则，为提高安全性采取冗余技术也是提升系统任务可靠性及安全性的重要且简单的途径之一。军机的多余度架构飞行控制计算机普遍基于相似余度架构，而民机基于更高的安全性需求，为避免共性故障带来的灾难性后果，民机飞行控制计算机普遍采用非相似余度架构。基于成本和安全性的不同考量，两条技术路线在各自的领域独立发展。2) 比较对 / Lockstep 容错技术。比较对技术是提高完整性的手段之一，但是代价较大，硬件资源翻倍，民机基于更高的安全性需求，比较对技术一直为民机飞行控制计算机节点的基本内部架构，实现了高完整的计算机节点。比较对技术进一步发展的一个分支为Lockstep 技术，其通过指令级监控技术提升了故障发现和故障隔离能力，降低了软件复杂度，将软件和硬件故障进一步解耦，是当前的高完整技术发展趋势之一。而军用飞机从电传飞行控制计算机得到应用的很长一段时间内，飞行控制计算机一致采用单一的多数表决机制，直到低成本需求的 F － 35 飞机开始，比较对技术得以在军机应用，从计算机的角度来说，四余度变为 3× 2 余度势必成本增加，但是从飞行控制系统来说，四余度降低为三余度却使得整体成本降低，同时还可以实现与四余度相同量级的安全性。3) 分布式架构这里的分布式更多指的是计算和控制资源的分布式，典型的联合式架构中，飞行控制计算机集中所有的资源如计算、调度、采集、控制等，牵一发而动全身，部件降级直接导致通道降级，基于通道降级的故障模式使得系统故障降级很快，各部件之间紧耦合也使得升级带来的代价极大，而分布式架构则进一步进行功能细分，依据不同的功能划分为不同的部件，形成多层级的系统架构，形成基于部件的故障降级模式，使得系统降级延缓，提升了系统的安全性和可用性，同时部件间的松耦合设计降低了验证难度，也有助于部件级升级和验证。从前面的分析可知，分布式架构是军机发展和民机发展的一致性选择，具体实现上，军机对重量要求苛刻，空间狭小，分布式架构不仅体现在功能上还体现在物理上; 民机则不同，这一方面更多的考虑是维护性，通常有划分明确的设备舱，虽然采用了分布式架构，但更多的关注功能而不是物理分布。4) 综合化的发展。既有来自于飞机对降低成本和提升性能的需求，也有电子技术飞速迭代发展带来的推动和限制，但是因其资源共享的根本特性也降低了任务间的故障隔离能力，导致飞行控制/飞管计算机的安全性降低，需要通过采用高完整的计算机节点、强分区的操作系统、高确定性的容错总线等技术来弥补这一缺陷。当前军机已经走向了飞机平台级的功能综合，尤其以 F － 35 飞机为代表，而民机飞行控制计算机的综合化依然围绕着飞行控制相关的功能，如自动驾驶、飞行导引等。三种军机综合能力对比如下: JAS － 39 飞行控制主要的系统功能为飞行控制、刹车控制、发动机电调、大气数据; F － 22 飞\推综合主要的系统功能为飞行控制、推力矢量控制、公共系统功能监测; F － 35 飞行器管理平台综合主要的系统功能为飞行控制、发动机控制、公共系统控制、燃油管理、供电管理、起落装置、液压供电管理控制、座舱和生命保控系统控制。5) COTS 应用技术的更广泛应用。在 F － 35 飞机飞行器管理计算机中，其处理器、系统总线、CCDL 总线均采用了 COTS 产品或技术，而在 F － 22 飞机的飞行器管理计算机中，其处理器和总线均为航空专用技术。主要的原因在于随着电子技术复杂度的提升，设计及验证的周期、成本和技术风险越来越大。在计算机应用早期，计算机的需求来自于军事需要，军事应用引领计算机发展，而到 20 世纪 90 年代，商用及工业用计算机大量普及，其功能、性能等需求反而高于军事用计算机，而且计算机技术的复杂程度使得遍历验证几乎不可能，另外其迭代极快，摩尔定律即是体现之一，因此电子技术实际应用的深度、广度及时间跨度已经成为评估计算机技术成熟度的依据，而军事装备的成本压力也越来越大，因此从成本和技术风险两个角度，不可避免采用更多的 COTS 技术，但是必须通过约束和增强等技术手段来满足军事装备的需求。随着混合关键系统［11］等概念的提出和应用，上述趋势中的分布式架构和功能综合化的概念及包括COTS 技术在内的诸多支撑技术又将得到进一步的扩展和提升，如引入冗余交换网络、多核处理器及光传输等技术，而相对应的交换网络的高确定性、多核处理器软件调度的强实时性［12］及光传输的高可靠性等的验证确认也将带来新的挑战。

  3 结束语

参考文献: