面向軟件定義的飛行器綜合電子系統軟件架構技術*

王小輝 張 濤 呂殿君 詹景坤

1.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076 2.西北工業大學軟件與微電子學院，西安 710072

目前飛行器相關裝備的研制仍采用傳統的軟硬件一體化研發方式，即關于飛行器軟件系統的開發高度依賴于硬件系統的設計。隨著飛行器工作需求的多樣化，傳統軟硬件一體化的研發方式已無法滿足更靈活的飛行器功能擴展需求，各型號飛行器研制無法做到大規模的技術復用并因軟硬件的緊耦合導致系統的升級維護困難。因此，針對上述問題，一種新的軟件定義飛行器技術被提出。

軟件定義技術是一種通過特殊的軟硬件架構設計，實現將控制層面從底層硬件抽象出來，并由軟件統一完成對硬件管理和調度的技術。目前軟件定義技術已在無線電、雷達和衛星等裝備上具有一定的研究成果，充分實現了軟件與硬件的解耦，并通過軟件靈活控制和定義硬件功能[1-2]。然而，因飛行器設備的特殊性，軟件定義技術在飛行器設備上的應用仍存在如下技術需求及挑戰：

1)飛行器軟件系統的跨平臺應用。飛行器因作用目標及使用需求的不同，致使飛行器型號眾多。不同型號飛行器采用的硬件平臺及編程方式均存在一定的差異性，因此針對軟件定義技術的應用首先需要解決飛行器硬件平臺的通用化抽象管理，以支持飛行器軟件系統的跨平臺應用；

2)飛行器軟件系統規模的進一步復雜化。現代戰場已逐漸轉換為信息化對抗作戰，在飛行器的技術及功能需求上提出了更多要求，使得飛行器軟件系統的研制規模及復雜度急劇增大。因此在飛行器新型技術及功能的研制及普及方面，有必要尋求一種面向大規模、高難度軟件快速開發及維護的研發方式；

3)飛行器軟件系統研制的高質量保證。飛行器屬于一種技術密集型的高端精密裝備，而且飛行器通常運行于復雜惡劣的工作環境，在軟件定義技術下，軟件系統安全性和可靠性將決定飛行器的整體運行質量。因此，在當前飛行器型號任務多，軟件研發周期短的條件下，須同時保證飛行器軟件系統研發的效率及質量。

針對上述問題，借鑒美國軍方提出的未來機載能力環境(FACE：Future Airborne Capability Environment)標準[3]，設計并提出一種面向軟件定義技術的開放式、可移植飛行器軟件體系架構，并給出基于該體系架構的飛行器軟件系統快速開發方法，有效解決飛行器軟件系統在軟件定義技術下的功能快速集成及軟件技術的大規模復用。

1 開放式、可移植飛行器的軟件體系架構設計

1.1 美軍FACE標準

FACE技術標準是由美海軍航空作戰電子項目辦公室提出，并由國際公開標準組織FACE聯合會維護管理的一套用于軍事航空系統的軟件通用運行環境開發的技術標準。FACE允許將一些軟件功能以組件的形式開發，并通過定義好的接口向其它組件提供這些功能調用，同時保證軟件在不同硬件環境下的移植和復用。

FACE技術標準定義了用于開發應用的軟件計算環境框架和接口，秉承關注點分離的理念，采用分層設計的思想將航電系統中眾多與特定硬件平臺相關的接口控制文件(ICD：Interface Control Document)處理封裝到FACE計算平臺，并在計算平臺內通過一系列的適配模式將特定平臺相關的ICD適配到FACE定義的標準ICD，FACE上層定義的可移植組件通過處理FACE定義的標準ICD和特定硬件平臺實現解耦，實現一套軟件系統可以運行于多個平臺的目的，圖1為FACE技術標準示意圖。

圖1 FACE標準示意圖

FACE標準目前已逐漸面向美國和歐洲未來的商業、軍事和通用航空飛行領域，產生關鍵技術作用和影響，2015年美國空軍已開始推廣標準。此外，美國海軍防空系統未來也將向FACE架構進行演變；美國國防技術Elbit系統公司整合機載環境任務處理器和駕駛艙升級解決方案，正在將FACE納入新的軟件開發計劃；美國陸軍國防部也逐步將FACE系統納入包括在直升機平臺等陸軍裝備上的研究與應用中[4-5]。

1.2 開放式、可移植的飛行器軟件體系架構

因FACE標準具備較高的航天適用性，本文在該標準基礎上針對當前飛行器的研制特性及發展需求，通過建立一種開放式的飛行器軟件系統參考架構，制定通用化、標準化的組件互聯接口，支持可移植的特定能力軟件應用，實現具備通用目標、安全和保密性的可移植組件組成的應用開發，有效解決飛行器載荷的快速識別、集成及功能組件的動態集成、以及飛行器軟件體系架構和功能組件的復用等軟件定義飛行器技術的難題。

本文設計的開放式、可移植飛行器軟件體系架構如圖2所示，該架構采用分段的設計方式，各分段主要包括操作系統段(OSS)、I/O服務段(IOSS)、特定平臺服務段(PSSS)、傳輸服務段(TSS)及可移植組件段(PCS)共5個部分。并通過標準化各分段之間的傳輸服務接口以及統一分段之間的消息傳輸格式，將外部硬件設備環境與軟件系統架構相隔離，進而提高軟件應用功能的可移植性。此外，各分段通過定義的操作系統接口(OS)、輸入/輸出服務接口(IO)以及傳輸服務接口(TS)共3種標準化接口完成相互間的數據通信傳輸。

圖2 開放式、可移植飛行器軟件體系架構

1)操作系統段

操作系統段位于體系架構底層，是其它分段的運行基礎，用于承載各型號的飛行器操作系統、編程語言運行時以及應用程序框架，為飛行器的軟件應用程序提供一個可執行運行環境，并負責對計算平臺的訪問控制。

2)I/O服務段

I/O服務段實現飛行器軟件系統與各型號飛行器硬件設備驅動程序的對接， I/O服務段將對接硬件和設備驅動程序抽象為I/O服務，實現通過特定平臺服務段和I/O設備之間的IOS接口進行通信。I/O服務段為各型號飛行器使用的每一種總線通信方式定義一個專門的I/O服務，并采用適配器的設計模式完成對對應設備的訪問。I/O服務負責解析和組裝標準格式的I/O數據塊，獲取總線傳輸所需的參數與特殊機制，從而完成與平臺特定服務段服務間的數據交互。

3)特定平臺服務段

特定平臺服務段可對外部設備數據的生成邏輯進行抽象建模。針對各型號飛行器外部硬件設備定義了一組通用的應用數據格式。特定平臺服務可被視為外部硬件設備的抽象代理，其實現方式與其抽象的外部硬件設備緊密相關。特定平臺服務能理解對應設備總線接口控制文件的數據組成，并完成應用數據塊和接口定義數據塊之間的格式轉換，從而實現了應用數據與總線接口數據的解耦。

4)傳輸服務段

傳輸服務段主要為可移植應用軟件和特定平臺服務提供應用數據塊的分發傳遞和格式轉換功能。通過傳輸服務，飛行器應用軟件和特定平臺服務只需關注與自身相關的應用數據的通用處理方式，無需關注數據交互時的具體傳遞細節，從而實現了應用數據處理邏輯與應用數據傳輸過程的解耦。

5)可移植組件段

可移植組件段由一系列的可移植的標準化飛行器系統功能組件和通用服務組成，用于提供平臺級的能力。與傳統的飛行器應用軟件相比，這部分軟件只包含純業務邏輯部分，可在任意不同的飛行器硬件計算平臺和飛行器系統運行環境上進行部署，且至多只需進行重新編譯，或者運行軟件庫、編程語言時需對庫以及應用框架進行重新鏈接，充分體現標準組件化方式飛行器系統功能的移植靈活性。

6)操作系統接口

操作系統接口在整個體系架構中，為其它服務段中的組件提供了使用操作系統內部服務及操作系統段相關功能的標準化手段，該接口支持實時分區操作系統及健康管理等應用程序接口(API)。操作系統接口完成飛行器軟件系統與操作系統的解耦，實現跨操作系統可移植。

7)I/O服務接口

I/O服務接口在整個體系架構中，為特定平臺服務段中的組件提供了與接口硬件設備驅動程序通信的標準方法，該接口采用針對各型號飛行器標準化定義的I/O消息模型進行傳輸。I/O服務接口完成飛行器軟件系統與飛行器硬件平臺一定程度的解耦，實現特定I/O服務的可移植。

8)傳輸服務接口

傳輸服務接口在整個體系架構中，為特定平臺服務段與可移植組件段提供了一個標準化的手段來使用傳輸服務段提供的通信服務，該接口采用針對各類型飛行器標準化的消息數據格式進行通信。傳輸服務接口完成飛行器軟件系統架構組成的解耦，實現組件可移植、系統架構復用及組件的快速集成。

通過上述分段的系統設計方式，采用針對飛行器硬件平臺、硬件設備、操作系統、軟件系統及功能組件的通用化、標準化處理，實現飛行器軟件系統各層級的全面解耦，構建一種開放式、可移植的飛行器軟件系統架構。利用該系統架構可以通過對飛行器關鍵功能的可移植組件化，實現跨型號飛行器平臺間的關鍵功能的快速集成與復用，有效促進飛行器功能及技術的快速研制及大規模復用。

2 面向軟件定義的快速集成開發方法

為進一步完善面向軟件定義的開放式、可移植的飛行器軟件體系架構技術，以及隨著飛行器工作需求的多樣化，各型號飛行器研制無法做到大規模的技術復用，因軟硬件的緊耦合導致系統升級維護的困難。本文結合飛行器軟件系統實際研制需求，圍繞軟定義技術開發思想，提出一種基于開放式、可移植體系架構面向軟件定義的飛行器軟件系統及功能快速集成的開發方法。該套開發方法的整體設計如圖3所示。

該方法首先依據開放式、可移植飛行器軟件系統體系架構進一步制定各項研制規范及標準，規范化面向軟件定義技術的飛行器軟件系統開發過程；其次，針對傳統飛行器軟件系統研制，參與角色重新劃分為飛行器軟件集成單位和承研單位，引入飛行器體系架構認證專家；最后，構建用于標準通用功能服務收集和復用的開放式可移植飛行器軟件系統模型組件庫。

2.1 面向軟件定義的快速集成開發規范及標準

面向軟件定義的快速集成開發規范及標準包括如下幾項內容：

1)業務指南。用于說明開放式、可移植飛行器軟件系統體系架構的設計及開發原理，并向軟件承研單位提供飛行器軟件開發指引；

2)共享數據模型。用于收集并定義飛行器技術領域的各類型數據元素，形成一個完整的共享數據模型字典，有利于功能軟件的標準化開發；

3)技術標準。面向開放式、可移植飛行器軟件系統體系架構的技術開發細節描述，規范軟件承研單位的標準化功能組件開發；

圖3 整體設計圖

4)參考實現指南。該指南建立一套標準的飛行器軟件系統體系架構，便于軟件承研單位參考；

5)符合性策略。詳細描述了開放式、可移植飛行器軟件系統體系架構軟件開發的約束規范，用于測試認證標準功能組件；

6)庫策略。模型組件庫策略充分定義了符合標準的可移植功能組件的入庫要求及發布、保存標準；

7)約定指南。明確了開放式可移植飛行器軟件系統體系架構模型組件的使用標準和指引。

2.2 面向軟件定義的快速集成開發過程

1)軟件集成單位通過向飛行器工作功能需求方了解研制需求后，首先可以直接通過開放式、可移植飛行器軟件系統模型組件庫檢索是否有滿足需求的通用可移植標準服務組件，若有則提取該組件并向目標型號飛行器進行集成，即快速完成產品研發；

2)若模型組件庫中沒有符合需求的服務組件，則啟動組件開發流程。軟件集成單位向承研單位提供研制需求，由承研單位依據技術標準實施標準功能組件的開發；

3)軟件承研單位完成標準功能組件的開發后，一方面提供給軟件集成單位，完成型號飛行器產品的研發；另一方面，向體系架構認證專家提交該標準功能組件，由專家完成符合性測試驗證后，將該標準組件完成入庫保存處理，隨后發布該功能組件，便于后續類似需求飛行器型號產品的快速研制。

通過構建開放式、可移植的標準功能組件，可以實現飛行器系統功能模塊在不同型號飛行器平臺間的大規模復用。此外，通過構建模型組件庫，逐步積累標準組件，極大促進后續型號飛行器研制的技術復用，提升飛行器研制效率并保證飛行器研制質量。

3 開放式、可移植軟件架構應用驗證

雷達探測系統是飛行器的重要組成部分，本文以其為對象，開展開放式、可移植軟件架構的應用驗證。飛行器雷達針對不同探測目的，具備多樣性，如地面探測、目標探測等；此外，同一類型雷達下仍具備多種型號，以適配不同型號的飛行器及飛行任務。

一套雷達軟件系統主要包含如下功能：通信協議的指令解析、雷達工作狀態配置、中斷處理響應、數據打包存儲及傳輸、數據處理等。對于雷達系統的軟件部分而言，其處理過程具有相似性。但因雷達硬件組成及探測方式不同，處理的信號數據類型及算法具備差異性。

因此，在開放式、可移植軟件架構下以2種不同類型毫米波雷達控制軟件的研制進行驗證，其中A型毫米波雷達采用脈沖體制，B型毫米波雷達采用連續波體制。

如圖4所示，首先在開放式、可移植軟件架構下，針對A型毫米波雷達，經過標準化組件開發，完成測試后保存至標準化組件庫；其次，在B型毫米波雷達的軟件研制過程中，優先在標準化組件庫中尋找可復用組件，如指令解析、狀態配置、中斷響應等，利用架構優勢實現可移植功能組件的復用；最后，因脈沖體制與連續波體制的不同以及兩型雷達探測目的的不同，針對B型雷達的信號處理及探測數據處理方面進行組件新研，完成研制后標準化入庫，以備后續復用。

圖4 兩型號毫米波雷達軟件研制圖

在完成雷達控制軟件研制后，分別對研制過程從代碼量、研制時間及測試質量等方面進行統計分析。B型毫米波雷達軟件因實現了部分組件的復用，與傳統完全新研軟件相比，在相同人力投入下研制時間縮短了約30%，且測試階段發現的軟件bug率降低約50%。

上述實驗驗證了將毫米波雷達的軟件組件進行標準化統一后在開放式、可移植架構下的可復用性開發，將有效支持飛行器軟件系統的高質量快速集成。

4 結束語

提出一種開放式、可移植的飛行器軟件系統體系架構及一套基于該架構體系的軟件快速集成開發方法，以推進軟件定義技術在當前飛行器系統研制上的應用，實現飛行器軟件系統及功能組件的標準通用化開發及大規模復用，提升了飛行器軟件系統的研制效率。在下一步的研究中，將細化提出的體系架構技術，并開展集成開發環境的研制。