基于某型高級教練機的數據加載記錄設備設計

宋志宏

（海裝西安局， 陜西 西安 710054）

0 引言

高級教練機一般用于高級訓練階段（AJT）和改裝訓練階段（LIFT），飛行員經過高級教練機的培訓和訓練，目標做到能夠駕駛同類型的各類型機型的目的， 是飛行員培養的重要工具。高級教練機每次執行任務前，都要預先向各機載電子設備中加載不同用途的數據信息（航路點、燃油、飛行訓練、電子地圖、IFF、威脅數據等），便于飛行訓練人員執行相關的任務和操作，模擬相關實戰場景；同時通過對記錄的數據進行回放處理后， 便于飛行訓練評估和檢查， 指導飛行員對相關命令和操作執行， 規范訓練，提高飛行技能。

某型高級教練機原配裝了飛行數據卡、飛訓數據卡、任務數據加載卡、音視頻數據卡等多種用途的存儲設備，空勤和地勤人員需按不同需求對不同的卡進行不同的處理或操作。

針對該型高級教練機平臺， 為提高數據使用的便捷性、集成度，更好實現飛行、音頻、SDI 總線視頻、LVDS 總、ARINC818 總線等各類型數據的同步性，提出了集合多種類型數據加載、綜合數據記錄的設計方案和架構，并采用先進視頻采集處理架構體系， 實現了SDI 總線、LVDS 總線和ARINC818 總線的多類型視頻數據采集和H.265 高性能的視頻編碼處理， 完成了數據加載記錄設備設計和關鍵技術的驗證工作，能夠滿足高級教練機的使用需求，打造出了能夠適用于高級教練機平臺的通用型設備。

1 系統架構設計

1.1 任務數據加載架構設計

任務數據包含航路點、燃油、飛行訓練、電子地圖、IFF、威脅數據等各類型數據。 高級教練機飛行訓練中，飛行員通過任務數據地面規劃站獲取任務數據， 然后在飛行訓練起飛前， 將各訓練任務相關參數加載到數據加載記錄卡中，通過數據加載記錄設備加載到任務處理機、導航系統、武器系統等各機載設備；在訓練過程中，各系統依據裝訂的任務參數信息， 提醒和指導飛行員執行相關操作，起到“引導”和“指導”飛行員作用。

基于某型高級教練機的任務加載流程見圖1。

圖1 任務數據加載架構

任務數據加載過程共包含： 地面數據生成上傳模式和全機數據分發模式。 各模式工作流程如下：

（1） 地面數據生成上傳模式。 任務數據地面規劃站按飛行任務要求完成航路點、飛行計劃、飛行參數、燃油、威脅、IFF、 電子戰、 電子地圖等各類型任務數據的生成（依據訓練任務），通過任務數據地面規劃站上傳至數據加載記錄卡。 具備如下特點：①采用圖形化界面，能夠直觀地對各類型參數實現設置，具有量程超限提醒、二維圖形化顯示（航路點、航線、空域等）、自動校驗等功能；②具備多卡同步加載功能， 任務數據地面規劃站能夠自動識別多個（最多16 個）數據加載記錄卡，實現任務編隊的任務數據的同步加載，具有高效性；③具備任務編輯快捷功能，能夠進行任務復制、刪除、在線校驗、一鍵加載等操作。

（2） 全機數據分發模式。 飛機上電后，數據加載記錄設備能夠從數據加載記錄卡中自動獲取各任務數據，按類型通過AFDX 總線加載到對應機載設備。

數據加載記錄卡設計原理見圖2。

圖2 加載記錄卡原理

數據加載記錄卡采用SATA 控制器+NANDFLASH存儲芯片陣列架構，具有體積小、 讀寫速度高等特點，主要由電源轉換單元、熱插拔識別控制單元、SATA 控制器和存儲芯片陣列組成，其實現任務加載數據和記錄數據的存儲工作，實現數據交互和存儲管理，是數據加載記錄設備的核心。

1.2 綜合數據記錄架構設計

基于某型高級教練機實際需求， 數據加載記錄設備需通過SDI 總線、LVDS 總線、ARINC818 總線、 千兆以太網總線、RS422 總線、離散量等接口，分別記錄飛行數據、總線監控數據、音頻數據、視頻數據、觸發信號數據、GPS時間數據等各類型信息， 并完成數據的統一打包處理和記錄，綜合數據記錄架構設計見圖3。

圖3 綜合數據記錄架構

數據處理主要過程如下：

（1）飛行數據接收及處理。 通過以太網總線接收飛行數據，由SoC 處理器打包處理。

（2）總線監控數據接收及處理：通過AFDX 總線接收總線監控數據，由SoC處理器打包處理。

（3）音頻數據接收及處理：通過平衡信號接收音頻信號， 由海思音視頻處理器進行采集編碼壓縮， 再由PCIe總線傳輸給SoC 進行打包處理。

（4）視頻數據接收及處理：通過SDI 總線、LVDS 總線、ARINC818 總線接收視頻信號， 經SoC 處理器完成解析后，由海思音視頻處理器完成H.265 壓縮，再轉入SoC 處理器進行打包處理。

（5）時標處理：通過RS422 總線獲取機上GPS 時間，并打包在各類型數據中作為同步時間回放基準源。

（6）數據記錄：SoC 處理器將各類型數據統一打包通過NVMe 總線寫入到大容量的數據加載記錄器卡中。

1.3 主要硬件平臺

數據加載記錄設備主要選復旦微電子SoC 平臺、華為海思的HI3531D 處理器和NVMe 總線接口的數據加載記錄卡的硬件平臺。 各硬件平臺簡介如下：

（1）復旦微電子SoC 平臺。 該處理器內部分為ARM處理器（PS）和FPGA 邏輯（PL）兩部分，其中，ARM 處理器（PS） 為四核處理器。 PS 外掛由2 片DDR3 組成的32 位1GB 內存、2 片QSPI FLASH 組成的32MB 配置FLASH、1片iNAND FLASH。 PS 部分完成以太網通訊、I2C 通訊、RS232 通訊，同時通過內部的AXI 接口與PL 通訊，主要完成外部接口信號的采集處理和總線通訊。

（2）華為海思的HI3531D 處理器。 是針對多路高清（1080p/720p）和多路標清（D1/960H）DVR 產品應用開發的一款專業芯片， 內置ARM A9 雙核處理器和高性能的H.265 視頻編解碼引擎，集成了包含多項復雜圖像處理算法的高性能視頻/圖像處理引擎，提供HDMI/VGA 高清顯示輸出能力，同時還集成了豐富的外圍接口，主要完成音視頻的解析和壓縮。

（3）NVMe 總線接口的數據加載記錄卡。其包括NVME控制器和SSD 存儲陣列，能夠向下兼容PCIE 3.0×4，PCIE 2.0×4，PCIE 1.0×4，同時支持PCIe×2，PCIe×1，具備S.M.A.R.T 和TRIM 功能，并采用了包括AES、國密標準SM2/3/4、SHA、RSA、ECC、CRC 和終端數據通路保護在內的多重數據加密和保護機制， 實現了最高級別的安全性能。 采用SOC 平臺及國產天脈操作系統通過NVME 總線接口實現存儲空間的線性存儲管理。

1.4 操作系統平臺

隨著國內軍工產業的發展和自主研發能力的增強，國內操作系統研發技術的發展以及國家和行業對基礎技術的大力投入， 天脈實時操作系統是專為機載領域需求研發的操作系統， 自2002 年開始研發，2008 年操作系統得到總裝獨立軟件型號立項，并于2014 年7 月通過航空軍工產品定型委員會的設計定型， 目前已經在多個飛機系統的多類系統中得到廣泛應用。天脈實時（ACoreOS）操作系統主要特點如下：①提供任務調度、任務通信、故障處理、設備管理等功能，任務可搶占，具備實時特征；②具備存儲保護和資源確定性分配，保證資源可用性；③提供了文件系統、圖形、網絡協議棧等支持，組件可剪裁配置，支持多類第三方組件；④支持多種處理器平臺，支持單核和部分處理器的多核能力（AMP），具有豐富的調試組件。

天脈實時系列操作系統主要實現總線通訊管理、采集/記錄任務調度、數據打包、存儲系統文件管理等工作。

1.5 多源多類型數據時間同步處理的系統架構

為達到各類型數據的時間同步， 數據加載記錄設備采用典型的“軟件授時、硬件同步”的機制。

數據同步記錄流程見圖4。

圖4 數據同步記錄流程

機載時間同步處理過程：所有數據源文件采用來自飛行參數采集設備的統一時間生成履歷， 并將全機GPS 時間和相對時間信息置入自采集數據包中。

地面數據回放同步機制處理過程： 地面數據處理回放軟件包含飛行數據回放模塊、總線數據回放模塊、 音頻數據通道、 視頻數據通道， 回放過程中， 根據需要選擇相應數據類型，通過計算各通道數據記錄的起止時間，選擇記錄時長最長的數據或通道作為基準通道， 其他模塊或通道被動接收來自基準通道的時標，并定位自身的播放進度。非基準模塊或通道定時獲取基準通道的時標， 用于調整自身播放進度， 減少累積誤差， 從而實現多源數據的同步回放，同時也支持隨機播放。

具有特點：①實現多類型數據快速檢索定位，飛行、音視頻、總監控等多源數據同步播放；②軟件界面根據用戶需求可自由拖動組合， 實現多源數據集中在同一界面展示，也可單獨顯示，顯示模式可任意定制切換。

1.6 文件系統設計

為了對滿足數據的快速解碼、易于分類檢索管理、易于分區存儲、高時間相關性要求，采用了通用性、擴展性、兼容性的一種文件組織方式。

文件系統架構： 將所有文件數據分成若干個文件子隊列， 每個文件子隊列包含一個文件頭和若干不同類型的數據包，其中文件頭包含文件頭標志、文件類型、時間履歷和配置信息；數據包中包含包頭、包體、包校驗，其中包頭包含包同步字、類型標識、數據長度和一級時標，包體包含二級時標、包計數、故障字和數據。

2 產品特點

數據加載記錄設備主要特點如下：①綜合化程度高，實現集成多類型數據加載和綜合記錄功能， 實現了數據卡輕小型設計；②多源多類型時間同步，實現了來自不同設備的飛行、音視頻等數據的同步處理；③完成了海量數據存儲管理架構驗證，實現了海量量數據卡快速檢索、快速定位、配置信息自動化更新等存儲架構設計和實現。

3 結束語

目前，各類型記錄設備采用分布獨立存儲模式，即采集設備將采集的數據通過總線發送至記錄設備，或直接通過目標源接收數據， 記錄設備按照一定存儲格式進行記錄，并針對每型記錄設備需單獨開發軟件。 為提高數據記錄設備消除大量冗余的數據復制操作，減少了數據跨層轉移的時延， 使系統能夠騰出總線空間和CPU 周期用于改進應用系統性能，節省了大量的內存帶寬，提高了CPU 處理器的利用率， 降低了時延， 推薦和建議后續采用基于RDMA 的云存儲系統，充分體現機載云存儲系統的“服務化”和“去中心化”特點，實現多類型數據的綜合記錄。

該型數據加載記錄設備， 能夠滿足某型高級教練機的機上使用需求，實現了輕小型、高速加卸載、多路視頻采集、時間同步處理、海量數據處理、新數據存儲架構等關鍵技術的突破，具有體積小、性能穩定、記錄時間長等特點， 相關技術要求能夠覆蓋目前高級教練機系列發展的需求。 同時提出了后續基于RDMA 的云存儲系統建議，提高數據記錄的實時和高效性。