開放式系統結構標準研究

任文明 李 喆 宋京帥

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

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開放式系統結構標準研究

任文明 李 喆 宋京帥

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

[摘要]分析研究了開放式系統結構技術發展現狀及典型裝備應用案例，深入剖析國內外開放式系統結構標準情況，在此基礎上，結合我國目前的開放式航電系統研究現狀，提出構建我國開放式航電系統的標準體系，并針對重點標準進行分析，積極探索我國開放式系統結構標準建設之路。

[關鍵詞]開放式系統；結構；航電；標準

[收修訂稿日期] 2016-03-28

隨著電子技術的發展，電子系統的綜合程度越來越高，系統結構越來越復雜，電子系統的升級擴展、新技術的有效插入、元器件停產及經濟可承受性等問題，已經成為電子系統設計師首要考慮的重要問題。實踐證明開放式系統結構（OSA）具有可縮放性、可擴展性、可升級性以及與其它系統的互操作性等特點，可以降低研發成本，解決軍品級元器件停產、新技術有效插入問題，保障系統升級擴展等能力。

美國電子界在上世紀90年代初就提出了開放式系統結構的概念，以解決系統結構升級和功能擴展的需要。美國國防部已將利用開放式系統結構標準和規范作為21世紀武器裝備采購政策，要求在電子產品中最大程度地貫徹和執行。

我國正在開展某對地觀測系統、某型戰斗機、大型地面雷達等項目研制，系統互操作性及開放性要求高，采用開放式系統結構是必然趨勢。然而我國在開放式系統結構領域的研究主要是以跟蹤國外技術為主，缺乏健全完整、合理可行的開放式系統結構標準體系。

本文將通過系統分析研究國外開放式系統結構的技術以及相關標準的發展情況，借鑒國外開放式系統結構發展的成功經驗，提出我國開放式系統結構標準體系的構建建議，指導我國開放式系統結構的發展。

1 開放式系統結構技術發展

1.1 開放式系統結構

開放式系統結構通過對接口、服務和支持形式等采用充分定義的、廣泛使用的、公眾支持的非專利規范，以完成系統功能的物理和邏輯實現，這樣能以最小的更改在很廣的系統范圍內合理地使用工程組件。

開放式系統具有如下特征。

a）遵循同一開放式規范的系統，系統間可以以最小的更改進行移植；

b）使用明確的、廣泛使用的、非專利的接口；

c）通過增加更高性能的組件實現系統的擴展或升級，并且對系統影響最小；

d）系統組件以接口規范為基礎實現相互操作，組件的研制遵循接口規范。

1.2 開放式系統結構國外技術發展現狀

開放式體系結構的設計理念源于系統工程，上世紀90年代，美國軍方發現武器裝備中存在嚴重的老化問題，而該問題源自國防部的采購周期。通常，國防部的重大武器電子系統的開發周期是8～15 年，而工業電子系統的周期只有1.5～2 年。當研制出武器裝備時，其電子技術已經落伍，這導致武器系統的開發往往跟不上現代技術更新換代的節奏，維護和升級更是很難開展，開放式系統結構可以很好的解決該類問題。

麻省理工學院林肯實驗室所總結的美空軍開放式系統結構演進如圖1所示。它是一種集成（但松耦合）的開放式系統結構，采用擴展的面向服務結構（SOA）的概念，從網絡中心系統的開放式結構逐層細化到開放式傳感器。

美國海軍對開放式系統結構探索比較深入，美海軍將開放式結構分為3層：計算環境和操作系統；中間件；應用軟件和通用服務，如圖2所示。分層的目的主要是屏蔽，即系統中某一組件的變化對系統其它部分不造成功能上的影響。比如，計算環境中處理器的變化不影響上層操作系統功能，中間件的變化不影響上層應用功能。

圖2 美國海軍開放式系統結構

1.3 開放式系統結構典型應用

1.3.1 F-35開放式航空電子系統結構

F-35開放式系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 F-35開放式系統結構示意圖

F-35是美軍第四代作戰飛機，它全面采用開放式系統結構，分為6層。

第1層：綜合信息系統/系統的系統。由海、陸、空、天各種探測、通信、指揮、攻擊等系統聯網構成體系，面向體系對體系的對抗任務。

第2層：武器裝備系統。在多機協同空戰模式下，多機之間形成分布式傳感器網絡和武器網絡，完成協同探測、協同交戰決策和協同交戰實施。

第3層：主要子系統/航空電子系統。通過互聯網絡和系統軟件實現各個功能區間的綜合，實現目標探測、飛行控制、火控解算、通信導航識別、數據融合、電子戰等功能。

第4層：功能區/核心處理系統。按功能區劃分，進行各功能深層次的綜合，實現傳感器綜合、數據/信號與任務綜合處理，實現綜合顯示與控制等。

第5層：硬件/軟件模塊。按照不同功能和性能要求，采用模塊化設計方法，采用通用和專用的軟硬件模塊，靈活配置、動態重構，實現系統和子系統模塊化結構。

第6層：硬件/軟件組件。采用先進組件設計技術，實現各模塊的高度綜合化和小型化。

1.3.2 美海軍未來機載能力環境（FACE）項目

美國海軍與工業界在政府實驗室建立下一代航電架構的參考原型。該原型基于未來機載能力環境（Future Airborne Capability Environment ，FACE）技術標準。FACE技術標準定義了通用操作環境，能夠使基于軟件的能力以模塊化部件的形式進行開發，從而實現功能模塊在不同平臺間的移植、插入和重用。該航電系統結構將用于美海軍下一代作戰飛機，主要包括海軍計劃研制的未來垂直運輸旋翼機和F/A-XX下一代空中優勢戰斗機。

FACE主要針對現有機載系統存在的4個緊耦合問題：特定用戶接口設備的耦合、特定無線電設備的耦合、網絡和I/O總線的耦合、特定操作系統的耦合和其它必需應用組件的耦合。FACE體系結構如圖4所示。

1.3.3 美國開放式通用地面站

隨著無人機種類的增多，軍方對系統的互操作性和可擴展性的要求越來越高。分布式通用地面站（Distributed Common Ground Station, DCGS）系統是美國陸軍、空軍、海軍和海軍陸戰隊通用的地面站，可近實時地同時接收、處理及分發從偵察衛星、偵察飛機、無人偵察機以及地面/海面等偵察監視平臺傳送來的信息。DCGS通過構建一個情報共享網絡，可在基于IP的協同環境下安全管理ISR資源。

根據各軍種和作戰性質的不同，美軍DCGS系統主要分為陸軍DCGS-A系統、海軍DCGS-N系統、空軍DCGS-AF系統、海軍陸戰隊DCGS-MC系統、特種作戰部隊DCGS-SOC系統以及其它部門乃至盟軍的DCGS系統。不同性質的DCGS系統通過DCGS集成骨干構成一個互通互連、信息共享的DCGS體系。

2 開放式系統結構標準現狀

2.1 國外標準情況

2.1.1 SAE AS 4893《通用開放式結構框架（GOA）》

SAE AS 4893《通用開放式結構框架（GOA）》中提出了通用開放式結構的框架（GOA），GOA框架定義了一組通用接口的抽象結構，簡化了對關鍵接口的定義。GOA框架給部件的使用方和承制方提供統一的基礎平臺，GOA框架的應用將加強在各自領域中的執行和約束，并增加產品間互操作的可能性。AS4893標準中對具體領域GOA框架是具體的，并在具體領域的應用將增加獨立的即插即用型部件，該部件易于在本領域內升級和擴展。

2.1.2 ASAAC系列標準

歐洲各國為進行下一代飛機綜合模塊化航空電子系統（IMA）的研究，成立了“聯合標準航空電子系統結構委員會（ASAAC）”，發起了ASAAC計劃。ASAAC系列標準是為綜合模塊化航空電子系統（IMA）制定的開放式系統結構標準，包括系統結構、系統軟件、通信/網絡、通用功能模塊、封裝及系統設計指南；系統設計指南又分為系統管理、故障管理、系統初始化和關閉、系統配置/重構、時間管理、信息安全和安全7個分卷。ASAAC標準為IMA的核心處理系統建立了一整套開放式的系統結構、硬件、軟件、通信網絡、封裝與接口標準，以及一套先進而全面的IMA系統設計指南。ASAAC系列標準計劃用于歐洲下一代戰斗機開放式航空電子系統及2005年后的飛機航空電子系統改進改型。

2.1.3 ARINC系列標準

ARINC 標準與ASAAC標準是互補關系，其中ARINC 651《綜合模塊化航空電子設備設計指南》、ARINC 664《綜合組件航空電子設備包裝和接口的環境設計方針》及ARINC 650《綜合模塊化航空電子設備打包和接口》等標準從IMA的軟硬件設計，接口、封裝及數據網絡結構和技術方面進行了定義。ARINC 653《航空電子應用軟件標準接口規范》主要是為IMA系統的使用而開發的。ARINC 653是專為航空電子系統應用而定義的軟件標準接口（重點描述APOS），ARINC 653的核心概念就是空間和時間的分區隔離。ARINC 653將航空計算機軟件系統分為應用軟件層和核心處理軟件層兩大部分。應用軟件層是由核心模塊支持下的與航空電子應用有關的部分；核心處理軟件層為應用軟件執行提供公共的標準執行環境，包含操作系統以及硬件接口系統兩部分。ARINC 653在航空計算機操作系統和應用軟件之間定義了一個通用的APEX接口。通過這個接口應用軟件可以得到實時安全的各種功能服務，也可以對各種服務的屬性加以控制，如任務調度、通信和內部狀態信息等。

2.2 國外標準情況總結

ASAAC定義了開放式航空電子系統的系統結構、系統軟件、系統通信/網絡、通用功能模塊、封裝及系統設計指南等一整套標準，是目前我國能獲得的歐美綜合模塊化航空電子系統（IMA）的最新、最完整的開放式系統結構標準，對制定我國IMA系統的開放式結構系列標準具有重要的參考價值。

SAE AS 4893是從抽象的結構分層和接口，定義開放式系統結構框架，適用于獨立應用的硬件/軟件系統，尤其是國防武器系統電子各領域；ASAAC標準是針對IMA航空電子系統領域制定的，從功能及實際設計的角度。

ARINC 653偏重于時間和空間的分區、應用軟件接口等內容，還沒有對系統結構進行進一步細分。 ASAAC 標準將模塊化航空電子軟件大體劃分為3層，應用軟件層、操作系統層、模塊支持層，以及兩個接口，應用軟件接口、模塊支持接口，使得操作系統層可以完全獨立于上層應用和具體硬件的實現。

2.3 國內標準情況

國內目前已研究、編制了部分開放式航空電子系統標準，如HB 7664-1999《并行互連（PI）總線》、GJB 289A-1997《數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線》、GJB 1383A-1998《程序設計語言Ada》、GJB 1682-1993《十六位計算機指令系統結構》、GJB 1683-1993《軍用JOVIAL語言》、GJB 5357-2005 《航空電子應用軟件接口要求》和FC系列標準。但對綜合模塊化航空電子系統（IMA）的開放式系統結構標準的研究還處于起步階段，尚未形成完整的IMA開放式系統結構標準體系。

3 開放式航電系統結構框架研究

針對航空電子系統技術的發展，我國已經開展了綜合式、開放式模塊化航空電子系統技術預先研究，進行了關鍵技術的攻關，完成了基于模塊化結構的開放式航空電子系統的地面原理樣機的研制，突破的部分關鍵技術已經在三代機航空電子系統的研制和改進改型工作中得到應用。我國開發式系統結構的構建可以基于以下策略。采用 GOA 的層次結構劃分；采用 ASAAC 的邏輯功能劃分，并對GOA 的層次設計進行優化；采用基于 ARINC 653規范的操作系統；以 ARINC 653 規范為部署基礎應用層軟件；采用 ASAAC 系統配置的思路，對系統軟件的進行配置。

開放式系統從下往上分為4層，包括模塊支持層、操作系統層、平臺服務層、應用軟件層。

模塊支持層。模塊支持層的設計采用ASAAC軟件結構中對模塊支持層定義，主要實現對底層硬件資源的基本管理和訪問功能，主要包括FC、1553、429等總線網絡的集成。

操作系統層。操作系統層實現傳統意義上的操作系統功能，包括進程管理、內存管理、中斷管理、時鐘管理和接口管理等功能。

平臺服務層。借鑒ASAAC結構中系統通用管理和應用管理分離的思路，以及FACE和IMA2G中的軟件結構，將系統軟件管理的功能從應用層中剝離出來，設計一個屏蔽底層操作系統，為系統功能級應用軟件提供支撐和接口的運行平臺。

應用軟件層。整個框架應用層中的基本單位，在平臺服務的支持和統一管理下，應用軟件是獨立于硬件和操作系統平臺的，完成系統某個特定獨立的功能，包含明確的輸入和輸出的程序或程序集合，同時與平臺服務還有特定的接口關系。

4 開放式航電系統結構標準體系研究

由于開放式航空電子系統與以往的聯合式航空電子系統無論是在系統結構、綜合程度、復雜程度、設計理念都發生了深刻變化，作為規范指導系統研制的標準也將發生很大的變化，應充分重視標準的研制，建立一套完整、嚴謹、可靠并實用的開放式航空電子系統結構標準體系。建議的開放式航空電子系統結構標準體系包括：系統架構標準、軟件標準、通信與網絡標準、通用功能模塊標準、封裝與接口標準以及系統設計指南等方面的標準。

4.1 系統架構標準

主要規定開放式航電系統（IMA）的系統架構總體要求。定義IMA系統、IMA核心系統、通用功能模塊（CFM）、軟件層次結構和系統管理等概念。規定IMA系統開發的主要驅動因素和結構特征。

4.2 軟件標準

主要規定軟件結構模型，描述不同處理類型的共同特性和專用特性，以及系統管理功能的實現。包括軟件結構接口標準和軟件結構標準。

4.3 封裝與接口標準

主要規定環境條件、機械條件、冷卻條件、電源、電磁兼容性和互連等方面的標準要求。規定了模塊物理接口（MPI）的物理特性以及主要物理接口。MPI包含：

a）通用功能模塊與背板之間的連接器接口；b）冷卻接口；

c）插入拔出裝置（IED）。

4.4 通信與網絡標準

主要規定核心模塊和其他組件之間進行通信網絡信息傳輸方面的標準要求。開放式系統網絡通信由以下的接口來定義和管理：

a）模塊支持層與操作系統層（MOS）接口；

b）模塊物理接口（MPI）；

c）模塊邏輯接口（MLI）。

4.5 通用功能模塊標準

主要規定了核心處理系統的通用功能模塊的功能特性和接口原則，保證功能模塊的互操作性。通用功能模塊是外場可更換的，提供計算能力、網絡支持能力和電源轉換能力。以下模塊構成了IMA核心處理系統的通用功能模塊：

a）信號處理模塊；

b）數據處理模塊；

c）圖形處理模塊；

d）大容量存儲器模塊；

e）網絡支持模塊；

f）電源轉換模塊。

4.6 系統級標準

主要規定系統管理、故障管理、系統初始化/關閉、系統構成/重構、系統安全性和信息安全等方面的系統設計指導標準。

圖5 開放式航空電子系統結構標準體系

5 結束語

開放式系統結構作為武器裝備系統發展的大勢所趨，美歐等先進國家都投入巨資開展研究，我國應抓住時機開展技術及標準研究，一方面應充分借鑒國外開放式系統技術研究成果，有選擇地進行剪裁和吸收，并對標準進行深入分析和充分的技術驗證工作；另一方面抓緊制定標準，標準引領技術發展，建立一套完整、嚴謹、可靠并實用的開放式系統結構標準體系。最后在頂層標準的基礎上，逐步形成系統設計指南，以進一步指導系統的研制，避免由于標準理解的差異造成系統設計的不同。

（編輯：雨晴）

[中圖分類號]T-65

[文獻標識碼]C

[文章編號]1003-6660（2016）03-0052-05

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2016.03.015