下一代機載軟件環境架構概述

拜斌

摘 要：參考美國海軍預備在政府實驗室建立基于下一代機載軟件環境2.0（Future Airborne Capability Environment，FACE）標準的未來開放式航電架構原型。由Open Group發布的FACE標準定義了通用的操作環境，采用模塊化的開發方式，實現了航空軟件功能模塊在不同平臺間的移植插入和重用，從而縮減了開發成本，節省了開發時間。FACE 2.0標準進一步增強了軟件模塊間數據接口的要求，更好地提升了平臺間的互操作性和可移植性。文中同時對FACE 2.0標準提出的FACE架構進行了概述。

關鍵詞：可移植性 ；軟件架構；數據分發服務；平臺服務

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

FACE軟件架構是建立在操作系統上的一個三維架構，如圖1所示，該架構由操作系統、I/O服務、特定的平臺服務（PSS）、傳輸服務（TSS）、可移植組件五部分組成[1]。該軟件架構能夠更好的將關注點分離，軟件功能能夠重用，旨在實現FACE的目標——降低研發和集成的成本。

1 可移植性組件層

可移植性組件層主要有兩種比較常見的可移植性組件：FACE應用和公共服務。FACE應用主要包括一些能夠提供具體性能或功能的軟件組件，例如移動地圖應用程序，利用圖形表示具體的位置，這個位置能夠通過公共服務提供給移動地圖應用。公共服務由能夠支持FACE復雜應用的功能性軟件組件組成。

可移植性組件層所有數據可通過傳輸服務層（TSS）進行路由分發，將路由功能分為三部分傳輸：數據分發服務（DDS）、公共對象請求代理體系結構（CORBA）和Web服務。采用適配器設計模式為路由功能提供一致性的數據接口。

PSS層的大部分組件可模擬物理硬件設備，并對其接口控制文件（ICD）打包。圖中實例包括GPS、嵌入式GPS/慣性導航系統（EGI）、雷達高度計以及通往未指定OFP設備的入口等[2]。除了這些特殊的組件外，也有一些公共的平臺設備服務，如狀況監測/故障管理（HMFM）、配置服務。還提供了圖像服務，將圖像輸出到特定平臺的顯示設備上。

I/O服務層將軟件組件與設備驅動之間的輸入輸出提取出來，采用的也是適配器設計模式，不僅能夠縮減時間和成本，而且供應商在不增加其它FACE接口的條件下能夠創建、修改和替換他們的設備驅動程序。

2 FACE架構的組成

2.1 操作系統層

操作系統支持并控制FACE計算機平臺的其他部分，提供執行多功能的軟件應用標準環境和一系列的軟件服務。操作系統的應用（如適用性）、處理器控制機制（如存儲管理單元）以及注冊限制著FACE對計算機平臺資源和操作能力的需求。

操作系統層也包括I/O API（如網絡系統，文件系統），為了滿足平臺接口的需求，這些API包括已發布的基于標準的操作系統接口、運行時接口和框架接口。

2.2 I/O服務層

I/O服務層是操作系統設備與特定平臺服務（PSS）之間進行數據傳輸的橋梁，例如GPS服務，通過I/O接口（如MIL-STD-1553總線）與操作系統設備連接[3]。I/O服務層以及基于報文的I/O服務API提供了標準化機制，用于PSS層與航電I/O硬件的連接。I/O服務層具有三大功能：

（1）I/O管理：提供I/O設備的初始化和配置功能，確保I/O設備在配置之前已經進行了初始化設置，且配置完成之前禁止I/O報文的傳輸；

（2）數據傳輸：使用定義的邏輯端口使得數據在I/O設備和PSS層傳輸。使用全球唯一標識符（GUID）確保密級數據的安全；

（3）標準化設備驅動適配功能：提供適配器讀寫非FACE供應商提供的I/O設備及指定接口的數據。

2.3 特定平臺服務層

PSS為飛機平臺創建特定的基礎設施，提供設備數據給移植性組件層的可移植性應用程序。PSS的組件具有可移植性和重用性，平臺之間可以共享相應的平臺設備。PSS層可以分成三個子層：

（1）特定的平臺設備服務；

（2）特定的平臺公共服務；

（3）特定的平臺圖形服務。

從移植性組件層分離出來的特殊平臺設備組成了特定的平臺設備服務。這些設備充當平臺硬件設備的抽象化軟件角色，控制并提供數據給可移植性組件。

特定的平臺公共服務定義了一系列的服務組件，包括配置服務、平臺日志、設備協議中介（DPM）服務、流媒體服務和系統健壯性監控。

特定的平臺圖像服務為移植性組件段提供一系列的圖形服務。這些圖形服務隨著平臺要求的改變而變化。

2.4 傳輸服務層（TSS）

傳輸服務層的目的是為TSS軟件庫提供標準化的、透明的接口，促進移植性航電應用程序與其他架構及航電平臺的集成[4]。TSS還為可移植組件層及PSS層的應用組件提供了標準化接口機制，處理航電應用數據的分布、路由、優先級、聯系、抽象和轉換等問題。

2.5 可移植組件層

當應用程序能夠部署在不同的計算機硬件或FACE軟件平臺，且應用程序不需要重新編譯和連接時，這種應用被稱為可移植[5]。圖2所示是可移植性組件圖例。

可移植組件層是用來描述一系列FACE交付產品的架構概念。

軟件組件成為可移植組件的一部分需要具有以下屬性：

（1）該組件能夠提供任務層的功能或公共服務；

（2）該組件在不同的FACE計算機硬件裝備和軟件環境下能夠執行不同的實例；

（3）該組件的外部接口通過傳輸服務接口與FACE其他組件進行數據交換；

（4）該組件不使用I/O接口；

（5）組件直接使用圖形服務。

3 應 用

FACE是開放式、模塊化、獨立計算環境的標準，具有通用的操作系統環境、快速部署軟件、易于升級維護等優點。洛克希德·馬丁公司已經開始使用該開放式航電標準，并且美國海軍在C-130T項目中采用基于FACE的軟件，貫穿整個生產線。羅克韋爾·柯斯林公司也將利用這個開放架構發展下一代項目，例如UH-60L。美國陸軍在JMR（“聯合多用途旋翼機”）/FVL（“未來垂直起降飛機”）計劃中也提出未來航電系統驗證子項目的目標是構筑強健、持久、靈活和公開的系統架構即聯合共同體結構（JCA） [6]。JCA是基于下一代機載軟件環境（FACE）標準而制造的便攜式可重復使用軟件，并且兩家研發團隊還需要建造與FACE兼容的聯合共同結構實驗系統，其第三方軟件模塊能獨立運行，以滿足未來垂直起降飛機項目的要求。

4 結 語

FACE是一套開放式、模塊化、獨立計算環境的標準，具有通用的操作系統環境，可快速部署軟件、易于升級維護。其第三方軟件模塊能獨立運行，可以滿足未來垂直起降飛機項目的要求。希望通過本文可以讓讀者對該架構有更深刻的認識，也希望該架構能在未來被不斷完善，更多的應用于飛機起降行業中。

參考文獻

[1] 涂澤中，雷迅，胡蓉.對新一代綜合航電系統發展的探討[J].航空電子技術，2001，32（4）：11-18.

[2] 陳宗基，孔繁峨，李衛琪，等.先進戰斗機的飛行控制計算機系統研究[J].航空學報，2007，28（4）：935-942.

[3] 韋崗，季飛，傅娟.通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] R.C Shah，Alvise Bonivento，D. Petrovic， et al.Joint optimization of a protocol stack for sensor networks[Z].in IEEE Military Communications Comumunications Conference.MILCOM 2004， 1：480-486.

[5] Konstantin Kondak， Markus Bernard ， Nicolas Meyer，et al.Autonomously flying vtol-robots：Modeling andcontrol[Z].in IEEE International Conference on Robotics and Automation，2007：736-741.

[6] 駱光明，楊斌，邱致和，等.數據鏈—信息系統連接武器系統的捷徑[M].北京：國防工業出版社，2008.