AFDX網絡在預警監視飛艇中的應用分析*

薄云蛟 王大華

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

AFDX網絡在預警監視飛艇中的應用分析*

薄云蛟 王大華

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

預警監視飛艇是一種新型信息化作戰平臺,針對其信息收集、處理和分發的任務特點,對其航空數據網絡進行了需求分析。介紹了AFDX網絡的技術特點,并在此基礎上分析了AFDX網絡作為預警監視飛艇數據網絡的應用優勢。

預警監視飛艇;航空數據網絡;AFDX

Class NumberTP393.03

1 引言

飛艇是一種輕于空氣的航空器,至今已有100多年的發展歷程,上世紀90年代開始,現代科學技術與工藝使得飛艇重新煥發生機。新型飛艇具有許多其它飛行器無法比擬的優秀性能,如有效載荷大、低空性能好、續航時間長、運動自由度高、運行成本低、節能減排等[1]。因此,新型飛艇受到世界許多發達國家的關注,并競相投入開發和使用。例如,2009年美國陸軍提出“長航時多情報飛行器(LEMV)”的飛艇研發計劃,該艇裝備全動態視頻系統和合成孔徑雷達等,可探測路邊炸彈和跟蹤運動車輛、人員;通過多用途戰術通用數據鏈,可插入“分布式通用地面站”系統,也可直接向陸軍指揮人員提供信息。

由此可見,飛艇是一種優秀的空中平臺,裝配相應的電子設備,即可成為優秀的空中預警和監視平臺、通信中繼平臺、海岸偵察和反潛平臺、探雷和掃雷平臺、空中指揮控制平臺、空中電子對抗平臺等[2]。如能利用低成本的飛艇聯合其它的監視預警平臺(衛星、地面雷達、艦船雷達、預警飛機等)構建立體多層面的預警體系,則可以不間斷地對邊境、領海和重要目標進行巡邏、監控,對越來越具威脅的隱身飛機、巡航導彈等高技術武器裝備具良好的預警能力。

預警監視飛艇系統主要由飛艇平臺系統、任務電子系統(包括預警雷達、SAR和光學偵察系統等)、遙控遙測系統、信息綜合系統、導航系統和通信系統等部分組成。整個系統應能在設計工作時間內,完成以下主要任務:

1)信息收集。實時收集預警雷達等多種傳感器獲得的目標信息。

2)信息處理。對目標信息進行分析處理,形成預警監測信息下行數據包。

3)信息分發。通過高速數據鏈發送預警監測數據,包括原始視頻數據和經過處理的目標圖文信息。

2 預警監視飛艇系統數據網絡信息交換需求

在航空平臺有限的空間中實現航空電子系統的有效運轉,需要解決兩個問題:第一是信息資源的共享;第二是設備資源的共享。各個設備、模塊和部件只有連成網絡,才能共享信息和設備資源,才能充分發揮整個系統的效能。

有效的航空電子系統的綜合對于內部互聯的需求主要體現在帶寬、實時性和可靠性三個方面。預警監視飛艇系統數據網絡是一個多級復合網絡,按照其功能可劃分為前端傳感器區、信號處理區、數據處理區、系統大容量存儲器區和后端顯示器區等。各個分區內部以及不同分區之間數據的傳輸交換任務不同,對數據網絡的需求也不相同,現針對主要功能分區分析如下:

2.2 產后2 h陰道出血量 48例患者中有45例出血量為50～100 ml，2例出血量為150～200 ml出血量，1例出血量250～300 ml。

1)前端傳感器數據網絡,主要完成前端傳感器信息到信號處理區的數據傳輸。前端傳感器如雷達、光電、導航等,會連續輸出大量數據,數據傳輸路徑固定,并且相互獨立。因此,前端傳感器數據網絡的拓撲結構相對固定,需要支持高速率、低延遲的數據傳輸,提供點到點和點到多點的連接。

2)信號處理區數據網絡。信號處理區由多個信號處理模塊和I/O模塊組成,信號處理模塊接收并處理前端傳感器區傳來的大量數據并且需要和I/O模塊、數據處理區以及其它信號處理模塊進行數據傳輸與交換。因此,信號處理區數據網絡的拓撲結構可變,需要支持高速率、高確定性的數據傳輸與交換。

3)數據處理區數據網絡,其拓撲結構和信息交換需求與信號處理區數據網絡類似。

4)后端視頻數據網絡,主要完成顯示處理機和顯示器之間的數據傳輸,拓撲結構相對固定。

5)分區之間的數據網絡,例如信號處理區與系統大容量存儲器區之間的數據網絡,主要進行突發數據和緊急消息(如系統控制命令和數據)的傳輸,因此對傳輸速率要求不高,但實時性和可靠性要求較高,需要進行容錯設計[3]。

綜上所述,高傳輸速率、強實時性、高可靠性和低延遲是預警監視飛艇系統數據網絡的基本需求。

3 AFDX網絡技術特點

隨著航空電子技術的發展,新一代高速航空數據網絡得到了廣泛的應用,其中基于IEEE 802.3的航空電子全雙工交換式以太網AFDX,由于其性能優良,被認為是未來大型飛機數據網絡的首選標準。

AFDX網絡主要由航空電子子系統、端系統(End System)和AFDX交換機(Switch)三部分組成。航空電子子系統通過端系統以全雙工方式連接到AFDX交換機,通過交換機完成數據的交換,如圖1所示。

圖1 AFDX網絡系統組成

·虛鏈路的隔離:為了避免在同一物理連接上不同虛鏈路之間的干擾,需要限制虛鏈路上所傳輸以太網幀的傳輸速率,以及限制以太網幀的大小,由帶寬分配間隔(BAG)和最大幀長度(Lmax)兩個參數決定。端系統在每個虛鏈路的基礎上調整要發送的數據幀,保證同一虛鏈路上一個BAG時間間隔內傳輸的數據包不超過一個。

·虛鏈路的調度:當端系統擁有多個虛鏈路時,虛鏈路調度程序按照一定實時調度策略對來自不同虛鏈路的數據幀進行調度,保證數據幀的發送滿足不同數據流的實時性要求。當數據幀到達虛鏈路時,端系統可能引起抖動。這個抖動的范圍為從開始的BAG到第一個以虛鏈路分配的最大分配帶寬傳輸的幀之間的間隔。為了限制端系統的瞬時幀速率,從而適應其他虛鏈路的幀,在調度器的輸出端,特定虛鏈路上數據幀要出現在有限的時間間隔內,這個時間間隔定義為最大可以允許的抖動(Max Jitter),如圖2所示。ARINC-664限制每條虛鏈路上最大的抖動為500μ s,以控制對于整個網絡確定性的影響。

圖2 抖動的定義

此外,AFDX網絡通過在每個端系統之間配置兩個獨立的路徑(包括媒體控制層MAC、PHY和電纜),并在網絡上同時傳輸相同的幀來實現冗余管理。

4 AFDX在預警監視飛艇中的應用分析

4.1 帶寬

預警監視飛艇搭載了預警雷達、SAR、光電系統等多種任務電子系統,根據綜合航電系統的設計思想,為了提高其系統信息融合能力,需要把傳感器原始數據通過高速數據網絡傳輸至通用核心處理模塊,因此其前端傳感器數據網絡對帶寬的要求很高。例如一個具有100萬像素、30Hz幀頻率和8位灰度等級的前視紅外成像傳感器將產生240Mb/s的原始數據速率。而AFDX網絡在采用電纜作為傳輸介質的情況下,其帶寬已經可以達到100Mb/s,如果采用光纖介質,更可以達到 1000Mb/s或更高,通過全雙工交換網絡連接傳感器和信號處理模塊,可以建立穩定的高速連接通道。

4.2 實時性

圖3 預警監視飛艇數據網絡結構圖

航空電子系統對網絡實時性的要求很高,傳統的以太網無法滿足,而AFDX通過精確的流量整形控制單個虛鏈路上分組的發送間隔,限制了虛鏈路的突發度,控制了聚合流量最壞條件下的排隊延遲界限[4～5],使得幀的傳輸服從一個有界的到達分布,進而保證網絡端到端的最大傳輸時延是可計算的。當發送端系統存在多條虛鏈路時,通過調度器對來自整形器的多個虛鏈路的數據流進行實時調度,以滿足不同的實時性要求,解決了以太網延遲不確定的問題。采用靜態虛鏈路表的方式進行目的端口的尋址,以控制尋址時間,保證網絡的實時確定性能。

4.3 網絡容錯能力與可靠性

AFDX通過冗余路徑來提高網絡的可靠性,每一個端系統與交換機之間有一條直接的雙向連接,同時還與另一個交換機之間保持第二條雙向連接[6～7]。每個端系統將要發送的幀編號復制成兩份,分別通過物理上獨立的交換設備向目的端發送。端系統具有冗余管理功能,目的端系統根據順序號按順序接收,如果兩個都傳輸正常,則后者被丟棄;如果其中一個傳輸出現了故障,用另一個替代。這樣一個網絡節點的癱瘓不會影響整個網絡的通信,從而減少了數據的丟失,提高了系統的可靠性。

4.4 網絡結構設計

以AFDX作為主干網絡的預警監視飛艇數據網絡,由中央處理系統、網絡介質總線、交換與連接設備共同搭建組成,其中交換與連接設備包括AFDX交換機和數據轉換器。通過這樣的核心網絡與艇載任務電子系統、信息綜合系統、飛行管理系統等系統設備互連便構成預警監視飛艇的綜合航空電子系統,如圖3所示。

中央處理系統包括兩臺互為冗余的機柜,每臺機柜中包含若干圖形生成模塊、通用計算處理模塊以及AFDX核心交換模塊等。這些模塊與模塊之間通過數據交換網絡、串行總線或并行總線相互聯系。

圖形生成模塊與綜合顯示系統相連接,提供駕駛艙綜合顯示控制平臺的信息處理與傳遞控制。通用計算處理模塊通過不同的應用軟件為艇載設備提供數據處理服務,以及發送控制命令。AFDX核心交換模塊將外部艇載設備或數據轉換器的數據傳遞給通用計算處理模塊。數據轉換器提供對模擬、數字、光信號和電信號之間的相互轉換功能,將信號轉換為AFDX網絡所能識別的信號協議形式。

這樣,由AFDX作為主干網絡的預警監視飛艇數據網絡結構清晰,系統互聯簡便易行,而且具有高度的開放性。

5 結語

預警監視飛艇是一種新型信息化作戰平臺,其作為信息收集、處理和分發中心的任務特點,對航空數據網絡的帶寬、實時性、可靠性等提出了很高的要求。AFDX基于IEEE 802.3以太網的物理層技術,通過精確的流量整形控制和實時調度策略有效地解決了以太網的延遲時間不確定問題,引入虛鏈路概念實現對帶寬資源的有效分配和隔離,提高了網絡的帶寬利用率,物理上的冗余路徑和基于虛鏈路的數據冗余管理提高了網絡的可靠性,具備優良的綜合性能,可以為作為預警監視飛艇的主干數據網絡。

[1]王大華,戴子杰,任鵬.救災需求牽引飛艇發展[N].中國航天報,2008-06-05(3)

[2]蘭俊杰,任壽亭,鄧光海.飛艇的信息戰應用研究[J].航天電子對抗,2007,23(2):22～24

[3]陶健,張占平,鄭戊午,等.機載實時容錯分布式計算機系統數據網絡的設計與實現[J].航空計算技術,2008,38(6):102～106

[4]熊華鋼,李峭,黃永葵.航空電子全雙工交換式從太網標準研究[J].航空標準化與質量,2008,2(1):25～28

[5]熊華鋼,李峭,黃永葵.航空電子全雙工交換式從太網標準研究(續)[J].航空標準化與質量,2008,4(2):20～23

[6]Bisson K.Troshynski T.Switched Ethernet Testing forAvionics Applications[J].IEEE A&E Systems Magazine,2004(5):31～35

[7]石改輝,張原,李達.全雙工交換式以太網研究[M].信息安全與通信保密,2007(5):51～55

Application Analysis of AFDX in Early Warning Surveillance Airship

Bo Yunjiao Wang Dahua
(College of Electronics Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)

Early warning surveillance airship is a new platform for information warfare.For its task of information collection,processing and distribution,this paper analyzes the requirements of its avionics data network.Then it introduces the characteristics of AFDX,after that,the application advantages of AFDX are analyzed as avionics data network of early warning surveillance airship.

early warning surveillance airship,avionics data network,AFDX

TP393.03

2010年8月21日,

2010年9月30日

薄云蛟,男,碩士研究生,研究方向:系統分析與設計。