分布式協同箭載電氣系統總體架構研究

杜 丹，李 強

(1. 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2. 北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

隨著現代電子技術、高性能實時計算、軟件虛擬化、高速總線等技術的迅猛發展，大型復雜電氣系統集成由傳統的獨立設備級綜合集成向模塊級綜合集成方向轉變。在開發模式上，從傳統“以硬件平臺為中心，面向專用功能”的設計思路向“以軟件服務為中心，面向應用需求”的設計思路轉變[1]。未來電氣系統不僅要求能夠快速適應任務需求，還應具備較高的故障診斷和自修復能力[2]。

運載火箭電氣系統中，在滿足飛行任務的同時,要求其具備較高的可靠性及冗余度。傳統設計中采用單機整機或整板備份的方式進行冗余，雖然在一定程度上提高了可靠性，但抵抗共因失效的能力相對較弱，同時也造成了箭上電子資源的極大浪費。相對松散的系統級綜合難以滿足未來智慧火箭研制的需求，如何構建緊耦合的集成系統，實現新型冗余方式，以滿足未來任務擴展需求，具備可修復的軟硬件重構能力，都是智慧火箭電氣系統需要解決的問題。

本文首先回顧了運載火箭電氣系統總體架構的發展歷程，針對智慧火箭的可重構技術需求，提出了分布式協同的一體化電氣系統總體架構，對其中的關鍵技術以及可重構的運行機制進行研究。

1 運載火箭電氣系統總體架構發展歷程

從運載火箭電氣系統發展過程來看，其總體架構的演變大致經歷了3個階段。

1.1 分立式架構

20世紀60年代至70年代前期,運載火箭電氣設備采用專用的控制器、傳感器和模擬運算單元來完成運載任務，而各個設備之間相對獨立,關聯較少,不存在獨立的中心控制器對各設備進行統一控制、調度。這種電氣架構是第一代火箭電氣系統架構，稱之為分立式架構。分立式架構中包含一系列獨立的子系統,每個子系統相互獨立，能夠獨立完成相應功能。同時，系統中也沒有數據總線,系統專用性強、靈活度差、子系統信息之間信息交換少。

1.2 集中式架構

20世紀80年代,隨著數字技術發展箭上開始采用數字計算單元完成導航和姿控解算的數據處理與計算,作為箭上的計算中心,其他采用模擬量的系統包括慣組數據在內的都通過數模轉換與之進行信息交互。這種以數字計算為中心的計算架構,被稱為集中式箭載電氣系統總體架構。

1.3 集中分布式架構

20世紀90年代后期,上一代電氣系統架構中的模擬單元全部被數字計算單元取代,以獨立功能的形式將各系統和箭上電子設備進行集成,各系統之間采用1553B 總線互連，以并行的方式與核心計算單元完成數據信息通信。這種以數字技術為基礎的集中分布式架構實現了信息交互的控制與數據資源的共享。同時，軟件設計也開始出現模塊化的設計思想。在節省了研制經費的同時壓縮了研制周期，增強了系統的可維護性與可擴展性[3]。

總的來看，我國運載火箭電氣系統架構已經經歷了分立式、集中式、集中分布式3個階段的發展。而美國在20世紀90年代開展的“寶石臺”研究計劃(Pave Pace Plan)，提出了新一代的航電總體架構。針對模塊化、開放式、高容錯性和高靈活性等需求，以超大規模集成電路(VLSI)技術、數字信號處理技術為基礎，通過對射頻部件的廣泛共享，實現了傳感器信號和數據的高度綜合。系統采用了一種較為開放的體系，與傳統定制設備不同，更大程度地采用了低成本的商業貨架產品作為系統軟硬件搭建的基礎。通信方面則采用了光纖網絡作為統一的接口。

2 箭載電氣系統總體架構發展趨勢分析

2.1 推動電氣系統發展的因素

回顧運載火箭電氣系統的發展歷程，可以發現有3個主要因素推動電氣系統的發展。

1)信息技術的高速發展。高性能計算機、信號處理、高速網絡、軟件工程等技術的應用和發展，推動了箭載電氣系統向模塊化、集約化發展，開放的體系結構、高性能的系統為先進一體化電氣架構提供了技術基礎。

2)日益提高的性能需求。新的控制算法、故障診斷以及人工智能等處理要求對電氣系統提出了越來越高的性能需求，例如快速發射、全覆蓋測試、健康監測以及自我修復等，都對系統實現提出了較高的性能指標要求[4]。

3)商業化的成本控制。航天發射商業化的日益發展，對運載火箭成本的控制提出了更高的要求，可靠性的不斷提高使得電氣系統越來越復雜，與低成本的理念相悖。有效控制火箭電氣系統成本為電氣系統總體架構的發展提出了約束條件。

2.2 總體架構發展的趨勢分析

先進的電氣系統總體架構不僅要滿足系統高可靠、高性能的要求，同時需要盡量降低成本，縮短研制周期。根據硬件、軟件、信息、功能、診斷、重構等方面的需求，未來電氣總體架構的發展趨勢如下：

采用SPSS 16.0統計學軟件對本研究所有數據進行分析,計數資料X2檢驗,組間比較采用T檢驗,以P<0.05為差異具有統計學意義。

1)處理資源共享。先進的電氣總體架構要最大限度地滿足系統綜合的需求。一方面硬件資源能為應用程序所共享，另一方面能夠信息高度融合，統一調度和監測，有利于指令決策和系統管理。

2)軟硬件平臺解耦。通過各類標準接口將軟件隔離成應用程序層、操作系統層和硬件模塊支持程序層，弱化三者之間的耦合程度，程序設計時只與飛行功能相關，無須考慮硬件即可載入新的應用程序，增強軟件可移植性，便于硬件的更新換代。

3)一體化網絡連接。未來的電氣系統中應盡量減少數據通信的種類，采用統一的通信網絡，降低開發成本的同時提升開發效率，實現數據處理的有效融合。

4)系統驗證可累計。先進電氣系統架構需要引入驗證累計認證思想。當需要對系統功能進行擴展或修改時，只需要對特定硬件、軟件模塊進行替換、修改,然后再對此模塊進行安全認證，而不需要對整個系統的安全性再進行整體認證,能夠有效減少認證代價。

5)智能感知與重構。通過數據監測，對系統感知信息和運行規則進行不斷的調整使其性能達到最優。完成檢測、定位、跟蹤、識別、處理等功能對各任務模式的匹配，對出現的故障進行快速識別，實現電氣系統動態重構。

3 分布式協同電氣系統總體架構設計

分布式協同架構設計本質是實現一個分布式實時運算網絡，通過網絡交互將箭上獨立的單機虛擬化為一個整體，將分布式體系結構的靈活性擴展到對不同功能程序的支持上。在分布式架構下，所有功能程序分散運行在整個火箭各部段中，實時容錯的網絡將所有模塊相連，協同組成箭上電氣系統資源。當火箭分離時隨著分離部分功能的完成，對電氣系統進行裁剪，完成任務重新重構分配，工作性能與冗余度保持不變。下面分別從硬件和軟件兩個方面對分布式協同的電氣系統架構進行設計[5-6]。

3.1 硬件架構

分布式協同的電氣系統硬件采用通用化的設計思想，即實現高適應性的通用化硬件平臺，由信號預處理資源、信號運算處理資源、信息控制處理資源以及磁盤存儲冗余陣列四類資源組成，其架構如圖1所示。各資源模塊之間通過虛擬網絡將分散在不同物理節點上的虛擬機資源連接起來，其采用面向數據中心架構，中心服務器負責管理與維護虛擬網絡中的節點，通過IP封裝技術將虛擬網絡數據在各節點之間轉發，從而在復雜的網絡環境中建立一條虛擬通道實現節點的連通，通過多網卡的虛擬機作為路由組件來搭建虛擬網絡。系統通過控制總線進行監測和時序控制，資源模塊內部采用全交換方式。應用軟件的運行可以靈活配置成陣列處理、并行處理、流水處理等不同特點的架構。

預處理資源以FPGA為基礎，由信號處理單元與交換網絡構成,高速通信的同時具有較低的時延和較強的信號間同步能力,通過對預處理單元、高速交互網絡的設置以及對軟件模塊的加載,可以完成信號預處理功能，包括信號變頻、信號均衡處理、信號波束形成以及高速信號獲取等預處理功能。

信號運算處理資源以DSP單元為基礎，構成運算處理模塊和高速輸入輸出網絡功能,通過密集的計算資源實現多通道高速率信號的處理能力,通過對運算處理模塊和高速輸入輸出網絡中間件的靈活配置和程序進程的動態加載,可實現箭上控制計算的功能，包括導航制導、姿態控制、增壓計算和利用調節等信號處理功能。

通用信息處理池由負責信息控制與處理計算模塊和數據通信網絡組成,完成數字信息處理和數據存儲與轉發的功能,通過對計算資源虛擬化、軟件程序動態加載使計算平臺具備綜合計算功能,具備參數測量、數據提取、信息融合等信息處理的功能。

存儲陣列由存儲介質和冗余介質兩部分組成,兩種介質組合可實現可靠且高效的空間訪問,完成飛行數據的存儲與讀取控制功能。

四類資源池在獨立運行的同時相互連接，通過控制總線和高速網絡相互連接。飛行過程中，各模塊能自主協調完成任務調度和分配。從程序運行角度來看，分布式的硬件平臺被整合為一個獨立且完整的資源池。

3.2 軟件架構

分布式協同電氣系統中采用構件化的軟件設計思想，提高軟件的復用程度，對軟件的復制性、封裝性、透明性、互換性和通用性給出詳細的設計，以功能為單元屏蔽底層與硬件交互的協議，向用戶開放軟件操作的邏輯層。軟件總體架構采用分層策略，層與層之間通過標準接口進行交互，旨在實現應用軟件與硬件的相互隔離。同時需要對功能軟件進行構件化管理，將功能軟件作為可調度的資源，通過底層軟件進行配置部署、動態加載和功能重構，實現軟件定義一切功能。圖2給出了分布式協同電氣系統的軟件架構。

軟件架構可以分為4層，分別是設備驅動層、操作系統層、功能應用層和智慧感知層。設備驅動層主要由平臺的系統配置、設備驅動等與硬件相關的軟件組成；操作系統層除了完成資源管理、狀態監測外，還實現了處理資源的虛擬化，將通過網絡連接的多臺設備資源進行抽象化，為應用計算提供統一的平臺；功能應用層由飛行任務中的具體功能軟件組成，設計時可以不考慮平臺的差異；智慧感知層在其他層級的基礎上實現資源配置管理、功能部署和可靠性修復等功能，對下層平臺和功能資源的虛擬化進行管理，實現任務可感知配置的智能服務能力。

4 分布式可重構運行機制研究

實現分布式可重構的電氣系統平臺，需要建立高可靠一體化網絡(見圖3)，在通用化硬件、構件化軟件的基礎上，實現異構處理資源的虛擬化，完成智能感知和動態重構[7]。分布協同可以結合空域和時域優勢，實現各單機設備間的互補，形成自組織、自康復的聯合體，而高效可靠的運行機制則是實現動態重構的關鍵。

圖3 網絡協同冗余機制示意圖Fig.3 Network cooperative redundance mechanism

4.1 一體化互連機制

高可靠一體化運行的基礎是實現網絡的統一互聯。實現網絡的一體化互連，不僅要獲取網絡中各單機的參數、數據，還需要對其進行管理,包括對網絡的控制、上網設備的控制、設備的健康管理、網絡軟件的版本管理以及系統運行的結構控制等。

網絡運行機制如圖4所示。管理控制層運行在各分布設備的協處理器上，通過驅動層與功能應用交互[8]。驅動層將應用的數據、指令傳遞給網絡管理控制層接口，同時將收到的數據傳遞給應用。網絡管理控制層與遠端設備進行信息交互，將操作結果提交給驅動層處理。

4.2 分布式處理資源虛擬化

各單機設備通過一體化網絡連接后，由虛擬化技術將分散在不同物理位置的設備抽象化，整合為單個的計算資源，以整體計算能力的形式為應用軟件的計算存儲提供統一的平臺。通過虛擬化管理提供一個電氣系統的管理接口，實現功能軟件與物理資源的邏輯分離。

實現虛擬化后，應用程序的設計與底層硬件分開，軟件功能設計時可以不考慮硬件產品的可靠性問題，軟件的冗余性由虛擬化管理系統進行調度，實現了功能設計與可靠性設計的分離。計算進程方面,不同的運行程序加載到不同的運算組,同時為每個組配置了一個根進程。在網絡協同架構下每個組內的計算進程按照分布式的運行策略相互共享負載信息,而各個組的根進程之間則按照集中的策略完成負載信息的交換。

4.3 智能感知與動態重構

分布式協同平臺具備了應用動態加載的能力，通過智能監測和診斷算法進一步解決功能自適應加載，基于新架構下數據管理模式，對系統信息和運行規則進行不斷的調整，使系統性能達到最優。同時，在多任務并發、計算負載隨時間變化的條件下，通過獨立的任務調度實現負載的均衡。

在任務模式自適應匹配的基礎上，對飛行過程中出現的故障進行快速識別，通過軟件定義對系統功能進行動態重構，使系統可靠性和性能得到保障。如圖3所示，每一個單機設備中，通過虛擬化運行著3條應用任務，假設設備M3出現故障時，M1、M2、M4中運行的任務仍滿足兩度冗余的要求。同時，通過在另外一臺冷備份單機中重新虛擬化獲得新的M3設備，完成可靠性的修復。有效的動態重構機制可以實現分布式協同增效的目標，在滿足可靠性要求的前提下盡量提高箭上資源的利用率。

5 結論

運載火箭電氣系統正在向綜合化、模塊化和通用化方向快速發展。電氣總體架構的演化是實際需求與科技進步共同推動的結果。本文結合運載火箭電氣系統需求特點提出了分布式協同的電氣總體架構，該架構在硬件上支持模塊化集成，軟件上實現應用功能的構件化，充分繼承現有架構優勢，以應用開發與硬件設計的解耦為目標，基于虛擬化和負載均衡等技術，實現具有智能感知和動態重構功能的一體化電氣系統平臺。

未來電氣系統發展中，需要針對分布式架構中的技術途徑開展更為細致和深入的研究。研究更為優化的信息綜合處理技術，實現低功耗、高集成模塊化處理單元；結合智能技術開發應對故障的高可靠性算法，研究靈活、可靠的軟件調度機制；建立相應的軟件接口標準，對系統評估技術、累計安全認證技術等進行深入的研究。