面向切面思想的無線電通信導航監視系統設計與分析

雷國志

(西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引言

機載CNS系統是飛機接入新航行系統所必須的機載系統，涉及的機上操作與通信導航監視業務關聯度高，其核心的無線電收發信機也有著相似的信號處理架構和相同的發展趨勢，因此機載CNS系統經常作為一個整體進行綜合化設計[1]。機載CNS系統的綜合化方法隨著電子技術發展階段而有所變化，目前綜合化方法是通過公用和共用資源在少量硬件模塊上集成多個無線電功能。這種方式已經在軍機綜合射頻和軍艦綜合射頻領域取得了一定成果[2-3]，實現了預期的功能性能，但由于系統過于復雜，內部功能的耦合度高，也會導致系統維護性差，適航審查困難。

另一方面，軟件工程領域也存在“代碼分散”和“代碼糾纏”使得系統變得復雜、難以擴展和難以重用的問題。為解決此類問題，很多研究者提出采用面向切面的編程技術[4]，通過“關注點分離”將系統功能劃分為功能性需求和非功能性需求兩類，并分別設計實現，從而保證了系統功能與非功能的獨立，進而實現關注點模塊的獨立重用[5-7]。

傳統的機載綜合射頻系統都圍繞產品的功能需求進行系統設計[8]，與非功能需求相關的設計研究都集中在可靠性、維修性、測試性、保障性等專業技術領域[9]，對于“參數修改功能”這類與系統功能相關但不直接實現功能的非功能性需求研究甚少，這導致這類非功能性需求的設計分散在不同功能模塊中，成為導致系統內模塊功能耦合度高，系統維護性差的主要原因。因此本文以典型機載CNS系統的綜合化設計為背景，提出面向切面思想的系統設計方法，解決由于資源高度復用、需求交叉依賴、功能模塊耦合度高的問題，提高系統的維護性和可擴展性。

1 機載CNS設計

1.1 需求分析

為了使系統綜合效益最大，系統集成功能的領域模型、業務模型和方法學應盡可能一致，使被綜合功能在關注點分離后，各功能之間具有一致的“相關性”和“形式規范性”[10]。其中，相關性一致能夠使得被綜合的各功能的業務流圖的復雜度基本一致，形式規范性一致使得關注點分離后的功能能夠再次編織成功。因此面向切面思想的需求分析，建立領域模型和業務模式是基礎，關注點分離是關鍵。下面重點從領域模型、業務模型以及關注點分離3個方面進行機載CNS系統需求分析。

1.1.1 領域模型

機載CNS系統領域模型分析，主要確定系統的功能、配置、操作和設計約束。領域模型分析過程與飛行器航電系統設計緊密相關，典型CNS系統一般有2部甚高頻電臺(VHF)、2部儀表著陸設備(LOC/GS)、1部無線電測距(DME)和1部航管應答(ATC)設備。無線電收發信機的設計約束如表1所示，機載CNS系統通過接收和發射無線電信號實現空地雙向語音通信，航路輔助導航，機場輔助著陸以及航管監視功能。

表1 收發信機特性

1.1.2 業務模型

機載CNS系統業務模型分析，主要確定系統的組成、架構、數據流和工作原理，數學建模是進行業務模型分析的有效手段。業務模型分析過程與具體的實現技術相關，在射頻數字一體化設計架構下[11-12]，機載CNS系統的數學模型可以表示為若干個時間輸入/輸出自動機(TIOA)的集合[13]，其中TIOA表示為二元組M=(B,H)，B是一個時間自動機(TA)可以通過狀態轉化圖進行描述，H=(I,O)是將∑B分為輸入動作和輸出動作的一個劃分，因H是一個典型的線性時不變系統，可以通過信號流圖進行描述。因此無線電功能M的系統數學模型如圖1所示，將來自射頻前端(或航電)的數據經過若干個時間輸入/輸出自動機的處理后輸出至航電(或射頻前端)。

圖1 無線電功能模型

1.1.3 關注點分離

機載CNS系統關注點分離過程是面向切面思想的關鍵，其核心是將系統需求分割為相互獨立的功能需求和非功能需求。從前文業務模型分析得出機載CNS系統數學模型中的H和B是相互獨立的，將H和B分別映射為核心業務功能和系統橫切功能，則通過需求分析得到的功能性需求和非功能性需求也是相互獨立的。

因此基于面向切面思想的機載CNS系統功能開發由核心業務功能開發和橫切系統功能開發兩部分組成。核心業務功能開發包括無線電通信、導航和監視等功能的信號處理；橫切系統功能開發包括系統集成和系統應用。從圖2看出機載CNS系統的核心業務功能為VHF話音發射、VHF話音接收、LOC航向接收和ATC航管應答等功能，橫切系統功能為功能配置、參數調諧、自檢維護、安全隔離、日志管理等功能，橫切系統功能貫穿于全部業務功能。

圖2 機載CNS系統關注點分離示意圖

1.2 系統設計

需求分析確定了機載CNS系統的功能、性能、通用質量特性和適航性，系統設計的重點是開展系統架構、組件設計、組件編織、運行部署等設計工作。

1.2.1 系統架構設計

機載綜合CNS系統的系統架構如圖3所示，由天線、3類6臺RRU、1臺CRU組成，其中RRU RRU(remote radio units遠端無線電單元)靠近天線部署完成射頻信號的采樣并將數字信號生成為射頻信號，CRU(central radio units中央無線電單元) 部署在設備柜完成VHF/LOC/GS/DME/ATC等無線電信號的處理實現CNS系統功能。

圖3 機載CNS系統架構

1.2.2 組件設計

從需求分析得到的數學模型可以看出，機載CNS系統由若干個信號處理模塊組成，每個信號處理模塊都是由信號處理組件加載不同算法(函數)在控制指令和配置參數下實現預期功能，因此組件設計的核心就是設計信號處理模塊。

不涉及具體語言，本文采用(OPM)系統建模語言描述的組件信號處理模塊的結構模型[14-15]，首先采用關注點分離技術將信號處理模塊組件分割為業務功能部分和橫切功能兩部分(如圖 4)。其中左側為業務功能部分，由業務數據的緩存、處理和封裝等構成，不同的信號處理模塊通過加載不同的算法實現；右側為橫切功能部分，為信號處理業務執行過程中必須和常見功能的集合，其中調諧功能按照控制指令的要求完成信號處理算法所需參數的調整，重構功能按照系統配置更新算法和重置業務數據流，暫停功能按照自檢命令將狀態機置于暫停狀態，啟動異常收集功能完成模塊自檢上報，狀態收集功能完成模塊當前工作參數和狀態機狀態的上報。

圖4 信號處理模塊OPM模型

1.2.3 組件編織

組件編織將分別實現的業務功能組件和系統功能組件通過依賴的方式與接口進行連接，確保功能組件與橫切組件的設計沒有相互依賴，實現組件模塊獨立重用。為避免業務功能組件和橫切功能組件在組合過程中產生糾纏，采用如圖5所示的面向方面連接件組裝的模型將模塊級橫切組件與核心業務組件進行組裝。同時參考AspectJ利用面向方面的通知機制，在連接件的接口處加入切入點和通知，并按照通知類型在連接點調用通知執行模塊級橫切組件提供的功能，在面向方面連接件中進行編織[16]。

圖5 面向方面連接件組裝的模型

1.2.4 集成和部署

系統集成和部署是機載CNS系統實現預期功能的主要活動，本文采用加載藍圖的方式實現功能部署和系統集成。從圖 6系統集成部署模型可以看出，藍圖由功能部署圖、信號流圖和組件裝配圖嵌套組成，其中組件裝配圖描述了組件模型信息和組件編織方式，信號流圖描述了組成功能線程的組件模塊之間的連接關系和接口定義，功能部署圖描述了功能線程所需的計算資源以及資源的物理分布。在系統通過人工(或自動)藍圖加載的方式完成系統模型實例化后，在系統綜合模塊的統一調度下實現多個無線電信號的處理以及航電系統中業務功能和維護功能的處理。

圖6 系統集成和部署過程OPM模型

1.3 系統變更

變更是機載CNS系統長期演進過程重要活動，本文以圖3中的第2路VHF話音通信功能更改為ACARS波形的數據收發功能為例闡述系統變更過程[17-18]。

根據前面的分析，實現ACARS數據通信的信號調制解調，僅需要完成新增編碼、解碼和系統藍圖修改工作。其中波形編解和波形解碼為新開發的信號處理模塊，其余信號處理模塊直接復用信號模塊庫，同時將ACARS數據接收/發射信號流圖(見圖 7和圖 8)添加到系統藍圖中即可，而不影響其他功能和非功能模塊，提高了系統的維護性和健壯性。

圖7 ACARS數據接收信號流圖

圖8 ACARS數據發射信號流圖

新增的ACARS數據波形的正確性可通過文獻18闡述的方法進行驗證。

2 實驗結果與分析

完成機載CNS系統設計后，在實驗室借助Aeroflex IFR4000導航/通信測試儀和Aeroflex IFR6000航空應答機測試儀對系統的功能性能進行測試，實驗結果顯示采用本文方法研制的機載CNS系統功能具備VHF話音/數據功能、LOC/GS著落功能、DME測距功能和ATC應答功能，其性能指標滿足表1，達到ICAO附件10的要求，實驗結果滿足實際應用需求。

下面從提高維護性和降低適航難度兩個方面綜合評估采用面向切面思想設計的機載CNS系統。

2.1 維護性分析

為了便于定量評估系統維護性，本文按照GB/T29834的建議從易分析性、模塊化、穩定性、易改變性、可驗證性和規范性6個方面建立系統可維護性的3層指標評估體系(圖9)[19]。通過采用模糊層次分析法(FAHP)完成系統維護性指標評測權重集W(結果如表2所示)，定義評價結論標準集U={A，B，C}(指標選擇見表3)，單因素指標權重R，最后采用模糊綜合評判模型B=W·R*UT=0.933 1，得出機載CNS系統得維護性評價為A[20]。

圖9 維護性指標評估體系

表2 維護性指標權重表

表3 評價結論表

R={(0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (0, 1, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0) (1, 0, 0, 0, 0)}。

2.2 適航符合性分析

復雜機載設備的適航性是通過其過程設計的符合性來表明的，ARP SAE4754、DO-178C、DO-254分別規定系統設計、軟件設計、硬件設計過程所需的符合性材料，其中建立各材料之間的追溯關系是表明復雜產品符合性的重要環節[21]。由于關注點分離取消了系統需求間的橫向依賴，將為適航符合性驗證過程帶來如下益處：

1)通過將產品設計到需求、驗證到設計、確認到需求之間建立追溯矩陣，由多對多的圖形追溯變更為一對多的樹形追溯，降低了符合性證明難度；

2)實現了產品需求之間的獨立性，以及設計之間的獨立性和非相關性，有助于提高產品的安全性[22-23]；

3)當產品發生變更時，根據CCAR-21.93需重新開展符合性驗證，而“修改影響當局部化”也能有助于縮小影響范圍，縮短再次取證時間。

3 結束語

隨著新技術的發展與應用，通過系統綜合技術擴展系統能力，提升機載產品SWaP-C(體積、重量、功耗和成本)效益，已形成了一個蓬勃發展的趨勢[24]。綜合化系統的可維護性和適航符合性設計，已成為航電系統研制的關鍵技術[25]。

通過實際綜合化機載CNS系統研制可以得出，基于面向切面思想的系統設計方法，采用關注點分離技術識別并分別獨立實現VHF話音、ATC航管應答等無線電功能和參數調諧、日志管理等非功能性需求，再通過組件編制技術將二者集成為統一的無線電系統。實際系統測試表明，綜合后的CNS系統能夠實現預期的無線電功能。增加ACARS數據鏈功能的變更設計過程表明，變更的影響被限制在新增模塊和系統藍圖這兩個部分，其余設計無需變更。最后通過維護性和適航性進行綜合評估，可以得出本文提出的方法能夠提升系統的維護性，有助于產品適航符合性驗證，可以為射頻綜合CNS系統適航性研究奠定基礎。