先進戰斗機的綜合飛行器管理系統綜述

張喜民，徐 奡

(中國航空工業計算技術研究所，西安 710068)

0 引言

隨著電子技術、計算機技術的發展，先進戰斗機的航空電子系統發生根本性的變化，綜合化模塊化的航空電子系統被廣泛采用。先進戰斗機設計對飛機氣動性能和功能綜合的更高要求，促使飛機飛行平臺概念的建立，從以往單一的飛行控制系統發展成為集飛行控制、推力控制、公共設備管理(Utilities and Subsystem Management)等功能為一體的飛機飛行平臺控制、監測、配置系統［1］，最終形成了綜合飛行器管理系統(Integrated Vehicle Management System，IVMS)［2－5］。先進戰斗機采用IVMS提高了飛機的性能、可靠性、維修性，減輕了飛行員操縱負擔，減小了系統的重量、體積，布線的復雜性，降低了系統全壽命周期費用［6］。

IVMS是現代戰斗機先進性的重要表現，目前，美國和歐洲的IVMS的研制水平仍處于領先地位。為便于借鑒國外先進技術，對美國研制的F－22“猛禽”戰斗機、歐洲聯合設計的EF－2000“臺風”戰斗機和美國主導設計的F－35“閃電Ⅱ”戰斗機的IVMS進行了綜述，對新一代綜合飛行器管理系統發展提出了建議。

1 F－22的綜合飛行器管理系統

F－22“猛禽”戰斗機(簡稱 F－22)是20世紀80年代美空軍先進戰術戰斗機(ATF)設計計劃中YF－22和 YF－23競爭的產物［3］，1990年，洛克希德·馬丁公司的YF－22驗證機方案獲勝，并開始進入工程制造和研發階段，F－22于2005年開始正式裝備美空軍。

1.1 系統架構

F－22的IVMS由BAE公司提供，其系統架構如圖1所示，它由綜合飛行推進控制(IFPC)系統和綜合飛行器子系統控制(IVSC)系統構成［7］，系統采用同步工作方式。

圖1 F－22IVMS系統架構Fig.1 F-22IVMS system architecture

IFPC系統主要完成飛行控制和推力控制功能;IVSC系統主要完成對輔助動力、供電、環境控制、燃油管理、液壓監控等子系統的監測和管理。IFPC系統是三余度無硬件或軟件備份系統［3］，推力控制為雙－雙余度配置。IVSC系統采用雙余度配置。

1.2 計算機

F－22的IVMS的核心是計算機機架，其內部組成如圖2所示。

圖2 F－22IVMC機架組成Fig.2 F-22IVMC common module rack

IVMS計算機機架內包含2塊電源模塊(PS)，2塊處理器、接口控制器以及通信模塊(PICC)，1塊模擬/離散量輸入/輸出模塊(ADIO)，6塊作動器接口模塊(AIM)。PICC和PS模塊為通用模塊，ADIO和AIM是飛行控制專用模塊。

PS模塊將輸入的28 V直流轉換為+15 V、+5 V、+2.2 V［2］電壓輸出，給機架內各模塊和背板供電。PS模塊還具有過壓、欠壓、過流監控和過壓、過流保護等功能電路。

PICC模塊采用軍用1750A處理器，工作頻率為20 MHz，處理能力約為2.0 MIPS，存儲器配置有256 k EEPROM和256 k SRAM，外部接口包括PI總線接口、MILSTD－1553B(簡稱1553B)總線接口、通道間數據鏈路(ICDL)、I/O總線，此外還具有12位A/D和D/A，看門狗定時器，測試接口、故障邏輯和溫度傳感器等功能電路。PICC1模塊完成外回路控制律計算、大氣數據計算、輸入余度管理和與IVSC的接口等功能。

PICC2模塊完成作動器監控、輸出監控、輸出余度管理、機內自測試(BIT)和與航電系統接口等功能。擔當飛行數據記錄功能的FDR PICC模塊實現與IVSC系統的通信。

ADIO模塊實現10路差分形式交流模擬量采集、6路差分直流模擬量采集、6路地/開離散量采集功能。飛行器姿態和飛行員指令信號通過硬連線接入ADIO。ADIO模塊采集數據通過I/O總線傳送給PICC1模塊。

AIM模塊提供1路直接驅動閥(DDV)舵機驅動輸出、2路電液驅動閥(EHV)舵機驅動輸出和8路備用離散量輸入，作動器通過電纜與AIM連接。AIM模塊實現控制模態轉換、閉環反饋、DDV和EHV舵機驅動、位置和壓力信號采集等功能。AIM模塊通過I/O總線接收由PICC2發出的作動器驅動指令。

1.3 總線與接口

IFPC系統總線采用3條1553B總線，大氣數據傳感器、發動機控制器以及PICC1模塊通過該總線互連互通。

IVSC系統總線采用兩條1553B總線，與該總線相連的有以下子系統:輔助動力系統、供電系統、環境控制系統、燃油系統、液壓系統、防火系統、起落架系統、生命保障系統和FDR PICC模塊。FDR PICC模塊通過IVSC總線實現了對部分公共設備子系統(Utility Subsystems)的監測和管理。

2 EF－2000的綜合飛行器管理系統

EF－2000“臺風”戰斗機(簡稱 EF－2000)源于1985年德、英、法等國共同提出的歐洲戰斗機計劃(EAP)，EAP首次提出并驗證公共設備管理系統的概念［8－9］。1994年，對 EAP 簡化后設計的 EF －2000 首飛，目前已有少量的EF－2000裝備部隊。

2.1 系統架構

EF－2000的IVMS由EDAS公司提供，其系統架構如圖3所示［9］。系統由數字飛行控制系統(FCS)和公共設備管理系統(UMS)構成，系統也采用同步工作方式。IVMS通過飛控計算機的航電系統總線終端接口實現與航電系統的信息交換。

圖3 EF－2000的IVMS系統架構Fig.3 EF-2000 IVMS system architecture

FCS采用四余度配置，主要完成飛行控制和發動機控制功能;UMS采用雙余度配置，主要完成對以下公共設備子系統的控制和管理。FCS和UMS間通過飛控計算機的UMS總線終端接口實現信息的交互。

2.2 計算機

EF－2000的飛行控制計算機(FCC)的結構如圖4所示，FCC由5個模塊構成，分別是電源模塊、處理器模塊、通信接口模塊、I/O模塊和作動器驅動模塊。

圖4 EF－2000的FCC結構Fig.4 EF-2000 FCC architecture

電源模塊將外部輸入的28 V直流電源轉化為兩路電源輸出，一路給FCC內各模塊供電;另一路輸出到外部，給桿傳感器和接口控制組件(SSICA)、慣性測量單元(IMU)、大氣數據傳感器組件(ADT)等供電。

處理器模塊內包括4個MC68882處理器，工作頻率為20 MHz，它們分別是:I/O微處理器、控制律計算微處理器、大氣數據微處理器和作動器微處理器。處理器模塊的存貯器容量大于733 kBytes。處理器模塊主要完成輸入采集、大氣數據解算、控制率解算、作動器閉環數字控制和系統管理，如:同步、余度管理、BIT等功能。

通信接口模塊包括FCS系統總線控制器、航電系統總線終端接口、UMS總線終端接口和交叉通道間數據鏈路(CCDL)通信部分，通信接口模塊負責FCC間和FCC同外部單元間的數字通信。

I/O模塊包括模擬量輸入、外部離散量接口、I/O Sequencer等部分，主要實現對輸入FCC的模擬量、離散量信號的調理。

作動器驅動模塊包括模擬量輸出(DDV舵機、EHSV舵機等)功能電路和離散量輸出，負責執行作動器微處理器的作動器驅動指令，實現對飛機各活動舵面的控制。

EF－2000的UMS主要由4臺計算機組成，燃油計算機和第二動力(SPS)計算機采用雙余度配置，每臺計算機包括電源模塊、處理器模塊和功能接口模塊。EF－2000的UMS替代了原來傳統系統中使用的20～25個專用控制器和6個電源轉換繼電器單元。系統實現的幾個新的特性有:發動機控制和顯示;燃油管理和燃油測定顯示;液壓系統的控制和顯示、起落架的顯示、監測剎車裝置;環境控制系統、艙內溫度控制和后來的機載氧氣產生系統;二次能源系統;液氧部分、供電和電池監測、探針加熱、緊急能源單元。

2.3 總線與接口

FCS總線采用四余度1553B總線，IMU、ADT、SSICA作為終端接入飛行控制總線;左、右全權限數字發動機控制器(FADEC)也分別與四余度飛行控制總線中的兩條總線互連。

UMS總線采用雙余度1553B總線，與該總線相連通信的有以下子系統:輔助動力系統、供電系統、燃油系統、液壓系統、起落架系統、生命保障和逃生系統以及FCC。

3 F－35的綜合飛行器管理系統

F－35“閃電Ⅱ”戰斗機(簡稱F－35)源于1996年美國防部提出的聯合攻擊戰斗機(JSF)計劃［10］，2001年洛克希德·馬丁公司的X－35驗證機方案戰勝了波音公司的X－32方案，同時被正式命名為F－35。F－35的研制采用以美國為主導的多國合作的模式，主要參與國家有英國、意大利、加拿大、土耳其、澳大利亞等，目前F－35正處于定型試飛驗證階段。

3.1 系統架構

F－35的IVMS也由BAE公司提供，是全網絡化分布式控制系統，其系統架構類似圖 5 所示［11－13］。F－35的IVMS主要包括飛行器管理計算機(VMC)、IEEE 1394B(簡稱1394B)通信網絡和遠程輸入/輸出(RIO)單元。

圖5 F－35 IVMS類似架構Fig.5 F-35 IVMS similar system architecture

F－35的IVMS采用三余度配置，系統內有3臺VMC，3臺VMC同時進行數據處理，隨時比較各通道的結果以保證數據的完整性，若計算機結構數據出現分歧，通過表決確定“正確”數據“并發出提示信號，如果一個甚至兩個VMC損壞或故障，系統還能繼續正常工作［11］。系統中每臺VMC都作1394B總線的主控制器(CC);所有的1394B總線配置為環路用以提供冗余，一條電纜失效，總線通信仍能保證。

3.2 計算機

F－35的VMC外形略小于鞋盒的大小，內部構成如圖6所示［7］，每臺VMC內包含處理模塊、I/O接口卡和電源模塊等。

圖6 F－35 VMC構成Fig.6 Composition of the F-35 VMC

I/O接口卡和電源模塊將外部輸入28 V直流電源轉化為+5 V電源給VMC內部各電路供電，此模塊上的I/O接口卡部分包含多路1394B總線接口，1394B總線接口分為兩種:一種用于VMC間的CCDL通信;另一種負責VMC同外部RIO設備間的通信。

處理模塊包含兩個PowerPC處理器［10］，工作頻率大于400 MHz，處理能力大于900 MIPS，單個處理器的性能是前一代系統的10倍以上［14］。處理器模塊主要完成飛行控制和公共設備(如:燃油、供電、液壓系統控制)管理功能的解算和系統管理功能(包括同步、余度管理、BIT等)。

3.3 總線與接口

F－35的IVMS系統總線采用符合AS5643規范的軍用版本的1394B總線［13］，系統總線數量約9條左右［12－13，15］，通信速率均采用 400 Mbps。所有部件間的通信都通過該總線完成。AS5643規范對1394B總線的通信時延、數據格式、節點配置都進行了較嚴格的限制［8］，AS5643/1對總線物理層的銅介質電纜重新定義［11］，可保證在擴展長度嚴酷的溫度、振動環境下正常通信。IVMS的系統總線還提供軟件下載功能。

F－35的IVMS系統總線連接超過70個RIO單元，RIO單元采集成百個模擬和離散量信號，將這些數據處理后，通過1394B總線傳送給VMC，RIO單元同時接收和執行VMC發布的控制命令。RIO單元主要提供下列服務。1)飛控功能數據輸入/輸出:有10個RIO，主要為方向舵、襟副翼、水平尾翼、副翼、大氣數據傳感器、慣性傳感器等的接口電子模塊。2)機電管理功能數據輸入/輸出:主要為武器艙門驅動器、供電系統控制器、剎車控制器、動力溫度管理系統控制器(Power Thermal Management System Controllers)等。3)推力管理功能數據輸入/輸出:包括發動機FADEC和預兆健康管理(Prognostics Health Area Managers)。4)任務系統數據輸入/輸出:包括備用顯示器、顯示管理計算機、頭盔顯示管理計算機、綜合核心處理器、照明控制器、CNI和全球定位系統(GPS)等。5)飛行測試設備數據輸入/輸出。

4 比較與分析

現代戰爭對飛機操作性能、作戰性能和綜合保障能力提出了新的要求，IVMS將同任務系統和故障診斷與健康監控系統成為戰斗機先進性的重要表現。表1是F－22、EF－2000、F－35這幾種不同時期先進戰斗機的IVMS的計算機、系統架構、容錯配置、總線和功能綜合等特性的比較。

表1 先進戰斗機IVMS特性比較Table 1 Advance fighter IVMS characteristic comparison

從表1可以看出:隨著時代的向前發展、更高性能的微處理器的出現，先進戰斗機IVMS的綜合化水平不斷得到提高。20世紀80年代美國最早提出了飛行器管理的概念，在ATF計劃的推動下，最終在F－22上通過機架式綜合的方式實現了飛行控制和推力控制的功能綜合，但系統綜合程度有限，而且主要采用軍用技術，成本很高。歐洲在20世紀80年代中后期研制的EF－2000的IVMS開始采用分布式結構，不僅實現了飛行控制和推力控制功能的綜合，而且實現了公共設備管理系統內部功能的優化和綜合，分系統內部通過物理綜合，較大幅度地減小了體積、重量和功耗，系統開始部分采用商用技術以降低成本。進入21世紀后，由于嵌入式計算機性能的快速提高、嵌入式操作系統的發展、高速數據總線的應用，飛機機載系統的綜合化水平發展到更高的層次，F－35的IVMS是當今高度綜合化航空電子系統的代表，它用1394B總線作為系統的統一通信網絡，采用全網絡化的分布式開放系統架構，廣泛應用商用貨架產品(COTS)技術，實現了飛行控制功能、推力控制功能、公共設備管理的飛機飛行平臺功能的大綜合，在性能、體積、重量、全壽命周期費用等方面得到大幅度提升。

通過以上比較分析，可得出:隨著電子技術、計算機技術的發展，處理器性能有了顯著提高，新一代戰斗機的設計將以前相互分離的飛行控制、推力控制和公共設備管理等獨立的系統綜合成飛機飛行平臺管理系統－IVMS，新一代戰斗機的IVMS將采用全網絡化分布式開放系統架構，廣泛采用COTS組件，通過使用符合ARINC 653標準和DO－178B規范的安全實時操作系統，在魯棒的時間、空間分區保護機制下，實現不同安全級別功能在單處理器模塊上的綜合，在整個系統中實現功能的多余度配置和故障自動重構，系統的資源利用率、可靠性、生存性得到大幅度提高，系統的體積、重量、功耗、布線復雜度和全壽命周期費用得到大幅度的降低。

5 結論

現代戰爭對飛機操作性能、作戰性能和綜合保障能力提出了更高要求，IVMS、任務系統、故障診斷與健康監控系統將是現代戰斗機先進性的重要表現。高度的功能綜合、網絡化、分布式開放系統結構，高速數據總線，高安全實時分區操作系統、COTS的廣泛使用是新一代IVMS發展的顯著特征。

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