Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе интегральной модульной авионики

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВИОНИКИ

УДК 681.5: 681. 3

В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ

Рассмотрены вопросы построения бортового радиоэлектронного оборудования гражданских самолетов на основе принципов интегрированной модульной авионики.

Ключевые слова: авионика, пилотажно-навигационный комплекс, бортовое радиоэлектронное оборудование.

Введение. В настоящее время в России ведутся работы по созданию комплекса бортового радиоэлектронного оборудования перспективного семейства гражданских самолетов, обеспечивающего решение навигационно-пилотажных задач летным экипажем, состоящим из двух человек.

Комплекс бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) предназначен для решения следующих задач:

— самолетовождения горизонтальной и вертикальной плоскости;

— связи с наземными службами управления воздушным движением;

— внутрисамолетной радиосвязи;

— внутреннего и наружного видеонаблюдения;

— регистрации полетной информации;

— контроля полета и формирования предупреждающей, уведомляющей, аварийной сигнализации и т.д.

Принципы интегрированной модульной авионики. В основе комплекса бортовой аппаратуры для разрабатываемых гражданских самолетов предполагается использовать информационно-управляющую среду (ИУС), создаваемую на основе принципов интегрированной модульной авионики (ИМА). Идеология интегрированной модульной авионики предусматривает использование при создании БРЭо единого набора аппаратных и программных ресурсов, которые легко настраиваются и адаптируются к многофункциональным задачам. Этот набор образует платформу, которая обеспечивает функционирование в соответствии с заданными требованиями по безопасности и по функциональности самолета.

Элементы ИМА унифицированы по конструктивному исполнению, электрическим и программным интерфейсам.

В соответствии с принципами ИМА весь комплекс бортового оборудования (КБО) реализует следующие функции:

— экранной индикации;

— самолетовождения;

— управления полетом;

— управления тягой двигателей;

— диагностики и технического обслуживания;

— автоматизации и управления самолетным оборудованием;

— предупреждения экипажа;

— бортовой связи.

Следование принципам интегрированной модульной авионики обеспечивает:

— высокую надежность комплекса БРЭО,

— удобство в эксплуатации и обслуживании ИУС,

— высокий уровень унификации аппаратной составляющей ИУС и программного обеспечения,

— простоту модернизации и наращивания решаемых комплексом БРЭО задач (также упрощается интеграция новых систем).

Реализацию задач пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) предлагается осуществлять на аппаратных средствах ИУС в рамках единого подхода к разработке программного обеспечения.

Разработка современных комплексов бортового радиоэлектронного оборудования проводится в целях повышения надежности комплекса, а также минимизации затрат на разработку, сертификацию и эксплуатацию. Для достижения этих целей предусматривается:

— максимальная интеграция аппаратуры комплекса;

— открытая архитектура комплекса;

— минимизация количества связей (упрощение кабельной сети) и введение унифицированного канала передачи информации, допускающего простое масштабирование (наращивание количества абонентов) и реконфигурацию;

— централизация вычислительных ресурсов — создание вычислительного ядра комплекса;

— конструктивная и интерфейсная унификация вычислительных ресурсов.

Принципы организации архитектуры комплекса БРЭО:

— аппаратная и функциональная интеграция бортовых вычислительных систем и датчиков, автономных и радиотехнических систем навигации, систем связи;

— модульность построения основных вычислительных систем на основе единой сетевой ИУС с распределенными ресурсами и высокоскоростными шинами обмена;

— открытость архитектуры, обеспечивающей возможность наращивания и модернизации комплекса;

— использование новейших технических решений в области электроники и информационных технологий;

— внутрипроектная унификация как аппаратных средств, так и программного обеспечения.

Информационные потоки БРЭО. Бортовое радиоэлектронное оборудование самолета, функциональная схема которого представлена на рис. 1, должно обеспечивать следующие функции:

а) прием информации от самолетных систем и органов управления самолетом и КБО;

б) обработку полученной информации и формирование потока управляющей информации;

в) преобразование потока управляющей информации в сигналы управления самолетными системами;

г) представление экипажу в удобной для восприятия форме объективной информации, необходимой для выполнения полета.

Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе модульной авионики 9

Особенностью информационных потоков является разнородность информации, как по интерфейсам, так и по протоколам ее передачи (интерфейсы и протоколы определяются сопрягаемыми с ИУС системами).

КБО

Рис. 1

Выделим два основных типа передаваемой информации:

1) параметрическая (параметры полета, параметры состояния систем и т.д.);

2) видеоинформация (изображения, поступающие с камер видеонаблюдения, локатора, метеолокатора и т. д.).

При выборе элементов аппаратуры БРЭО для упрощения обработки получаемой информации унифицируются внутренние интерфейсы БРЭО. При выборе интерфейсов учитываются как уровень аппаратуры (модуль, блок), так и тип передаваемых по нему данных (параметрическая, видеоинформация).

Для передачи параметрической информации используется интерфейс AFDX (в настоящее время скорость передачи 100 Мбит/с, потенциально — до 1 Гбит/с), для видеоинформации — Fibre Channel (скорость передачи 1 Гбит/с, потенциально — до 10 Гбит/с).

Повысить надежность БРЭО возможно за счет повышения надежности отдельных элементов системы, а также подбирая такую структуру системы, когда максимальное количество ее элементов (отказ которых приводит к отказу системы либо к снижению ее функциональности) можно резервировать.

Наиболее „слабое звено" самолета — индикаторы, их резервирование возможно с помощью реконфигурации индикации на другой индикатор. Для повышения надежности индикаторов необходимо, чтобы они содержали минимум элементов — отображающий элемент и простейший контроллер, обеспечивающий регистрацию полученной видеоинформации и ее отображение. При этом формирование видеоинформации происходит в дисплейном процессоре, не входящем в состав индикатора.

Таким образом, функциональную схему БРЭО представим в виде, изображенном на рис. 2, 3, выделив в ней:

1) подсистему ввода информации — на пульты управления, подсистему ввода и концентрации параметрической информации (концентраторы), подсистему ввода видеоинформации (видеокоммутатор);

2) подсистему индикации, включающую графическую подсистему (графический крейт) и индикаторы.

Следующим шагом повышения надежности БРЭО является дублирование всех элементов системы, кроме вычислительного ядра. Таким образом, функциональная схема примет вид, приведенный на рис. 4.

Для обеспечения возможности дублирования графической подсистемы в каждый индикатор введено два канала приема видеоинформации от каждого графического крейта.

Резервирование вычислительного ядра обеспечивается его представлением в виде двух вычислительных крейтов. При частичном отказе ведущего вычислительного крейта происходит полный переход к управлению от следующего по приоритету крейта.

Рис. 2

Пульты управления ИУС

Подсистема ввода и концентрации параметрической информации

Подсистема ввода видеоинформации

ИУС

Графическая подсистема

Подсистема

выдачи информации

Индикаторы

КБО

О

г------1

!Экипаж!

Однонаправленный канал передачи видеоинформации

Рис. 3

Однонаправленный канал передачи видеоинформации

Рис. 4

Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе модульной авионики 11

Заключение. На основе анализа состояния, тенденций и перспектив развития бортового оборудования (БО) ЛА в России и за рубежом, научно-технических исследований, выполненных в этой области, и опыта разработки бортовых комплексов гражданских самолетов всех классов предложена практическая методология интеграции БО.

Из анализа задач функционирования самолета, вычислительных процессов, процессов информационного обмена и опыта разработок бортовых комплексов предложена структура БРЭО, базирующаяся на отказоустойчивой бортовой локальной вычислительной сети открытой архитектуры на основе высокоскоростных мультиплексируемых и радиальных каналах со стандартизованными подключениями.

Реализация идеологии ИМА при проектировании БРЭО обеспечивает:

— минимизацию кабельных связей;

— высокую надежность (резервирование на борту самолета обеспечивается двухкон-турностью системы обработки данных, вычислительного ядра и индикации);

— открытую архитектуру за счет использования сетевых технологий (на базе AFDX и Fiber Channel) путем оперативного перераспределения ресурсов и унификации модулей аппаратуры БРЭО и их конструктивного исполнения;

— масштабируемость, позволяющую без изменения структуры БРЭО модернизировать и/или адаптировать БРЭО к конкретному типу самолета.

Программное обеспечение проектируется в виде иерархической системы независимых модулей с унифицированными программными интерфейсами.

Открытая архитектура позволяет модернизировать структуру и ПО БРЭО на протяжении всего жизненного цикла самолета, интегрировать в его состав перспективные комплексы БО.

Предлагаемый системный подход к обеспечению отказоустойчивости БРЭО — основа безопасности и точности полетов, повышения качества и снижения стоимости отработки и сертификации, а также уменьшения эксплуатационных расходов в течение жизненного цикла самолета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авиационная радионавигация. Справочник / Под ред. А. А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990. 264 с.

2. Алексеев Ю. Я., Бенев В. Н., Ефимов В. А., Каверин С. Н., Татарский Б. Г. Авиационное радиоэлектронное оборудование / Под ред. В. А. Ефимова. М.: Изд-во ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1993. 230 с.

Валерий Владимирович Григорьев

Дмитрий Владимирович Козис Анатолий Николаевич Коровьяков

Юрий Володарович Литвинов

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики

Сведения об авторах

д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: grigvv@yandex.ru

канд. техн. наук; ОКБ „Электроавтоматика" им. П. А. Ефимова; Санкт-Петербург, начальник лаборатории; E-mail: kozisd@mail.ru канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: anatoliyru@mail.ru

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: yur113@yandex.ru

Поступила в редакцию 01.07.09 г.