Интегрированная модульная авионика

Российские разработчики комплексов бортового оборудования (КБО) в современных изделиях всё чаще обращаются к концепции интегрированной модульной авионики (ИМА). Принципы интегрированной модульной авионики используются в КБО как гражданских, так и военных самолётов, в том числе поколений 4++ и пятого поколения.

Интегрированная модульная авионика является архитектурой открытого типа, построенной по сетевому принципу на общих вычислительных мощностях. Общность предполагает совместное использование вычислительных мощностей несколькими подпрограммами. При таком подходе к построению снижаются стоимость и массогабаритные характеристики КБО. Потребность в замене традиционных федеративных архитектур определяется как необходимостью удешевления (скорее сдерживания роста стоимости), так и возрастающими требованиями к техническим характеристиками комплексов бортового оборудования. Не последнюю роль тут играет и стремление снизить эксплуатационные издержки. Это определяет всё возрастающую сложность алгоритмов работы и увеличение степени интеграции на аппаратном уровне.

В 2000х годах в России было высказано предложение провести ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по выработке технических требований, принципов и технологий, которые будут заложены при разработке бортовых систем, основанных на идеологии интегрированной модульной авионики. Программа ИМА, разработанная в РФ, предусматривала тесное взаимодействие российских приборостроителей из авиаотрасли. Программа также предполагала создание унифицированной платформы между различными предприятиями. Такое решение позволят:

• избавится от уникальных изделий, производимых одним предприятием;
• создать систему сертификации оборудования;
• интегрировать предприятия в более простые цепочки кооперации.

В процессе решения были подвергнуты пересмотру существующая система взаимоотношений между предприятиями, порядок распределения работ по проектированию, получение сертификатов соответствия и обеспечивающая эти процессы нормативная база.

Заказчиком НИОКР выступало Министерство промышленности и торговли РФ. Основным результатом НИОКР предполагалась наработка научно-технического базиса для реализации новых комплексов бортового оборудования с использованием принципов интегрированной модульной авионики.

Кроме того, планировалось разработать подходы к техническим решениям, позволяющим поднять уровень качества продукции и сертифицируемости КБО в международных организациях (таких как EASA и FAA). Упомянутые улучшения значительно облегчают выход отечественной продукции в отрасли авиационной техники на мировой рынок. Также в процессе реализации НИОКР был создан уникальный научно-технологический задел, с помощью которого получилось начать переход авиастроения в РФ на современные способы распределения работ, снизить расходы на исследования, разработку и обновления КБО, уменьшить сроки и увеличить номенклатуру решаемых задач.

Перейдём к описанию подходов интегрированной модульной авионики при решении задач построения систем и комплексов бортового оборудования.

Идеология интегрированной модульной авионики.

Идеология интегрированной модульной авионики подразумевает сетецентрическую открытую архитектуру с вычислительной машиной, используемой приложениями (подпрограммами) совместно. Конструктивно вычислитель представляет собой корпус с набором заменяемых электронных модулей – процессорных, памяти, периферийных (сетевых), питания. Таким образом набирается требуемая вычислительная мощность, объём памяти, необходимые интерфейсы и т.п.

Конструкция корпуса и модулей стандартизирована и позволяет унифицировать эти модули. Реализация функций подсистем комплекса бортового оборудования возложена на встроенное программное обеспечение – приложения. Приложения выполняются на вычислителе, используя общие ресурсы – процессорные, оперативную память и т.п. Функции, такие как самолётовождение, сигнализация, индикация, связь, выполняются соответствующими подпрограммами. Так происходит переход от аппаратных систем, имеющих каждая свою функцию к многофункциональной вычислительной системе. КБО, построенная на принципах интегрированной модульной авионики являются, таким образом, промышленным компьютером, реализующим свои функции посредством встроенного программного обеспечения.

Построение модульной системы позволяет снизить расходы на компоненты (за счёт конкуренции производителей) и повысить эксплуатационные характеристики, что связано с возможностью поменять, при необходимости, один неисправный модуль, не заменяя систему целиком. Также принцип модульности распространяется на программы (функции). Перенос функций систем управления на уровень приложения позволил использовать в аппаратной части унифицированные модули. При этом современные операционные системы реального времени (ОСРВ) позволяют также унифицировать и программные модули, что в итоге ведёт к уменьшению сроков и затрат при производстве и исследовательских работах по разработке и/или модификации.

На рис 1. Обозначены три основные направления развития интегрированной модульной авионики в России:

• древовидная архитектура спецификаций;
• компоненты вычислителей и интерфейсных электронных модулей (в т.ч. модулей питания);
• встроенное ПО;

Функциональные модули встроенного ПО стандартизуются по их информационным «стыкам» и интерфейсам для обеспечения возможности применения модулей от разных поставщиков. Аппаратные модули стандартизуются по информационным, электрическим и механическим интерфейсам для обеспечения взаимозаменяемости модулей от разных производителей. Такой подход позволяет создавать КБО из модулей разных производителей в рамках одного воздушного судна, что, несомненно, повышает здоровую конкуренцию и приводит к общему снижению стоимости.

Интегрированная модульная авионика – открытая архитектура

Чтобы отвечать требованиям времени комплекс бортового оборудования должен быть построен на базе сетецентрической открытой архитектуры, устойчивой к сбоям и отказам. Модули интегрированной авионики обеспечивают масштабируемость таких систем, в том числе, за счёт единообразных вычислителей, модулей памяти и проч. При этом системы, входящие в КБО могут как дублироваться, так и дополнять друг друга при одном и том же наборе модулей. Это возможно за счёт функционально-ориентированного подхода и стандартизованных интерфейсов, протоколов для обмена данными. На рис.2 показана организация взаимодействия между модулями одной ИМА системы и между несколькими системами посредством протокола связи AFDX.

Различные датчики и подсистемы сбора данных через стандартизованные концентраторы и коммутаторы передают информацию на вычислители. Обработка информации и принятие решений осуществляется встроенным ПО диспетчерируемым ОСРВ, которая распределяет вычислительные и информационные ресурсы.

Поскольку выполнение функций комплекса бортового оборудования (самолётовождение и проч.) перешло на уровень приложения и свелось к обработке цифровых данных подпрограммами-функциями структура КБО не является жёстко (аппаратно) определённой, как это было раньше. Набор функций комплекса бортового оборудования теперь может быть изменён «на лету». Набор необходимых приложений с конфигурацией отдаваемых этим приложениям ресурсов – структур данных, доступа к физическим датчикам и.т.п. – может изменятся для получения оптимального результата.

Кроме того, ОСРВ распределят вычислительные и информационные ресурсы между приложениями непосредственно в процессе их выполнения.
В начале-середине 2010 в РФ начались работы над ИМА-системами второго поколения. Важным этапом этих работ стало добавление в состав ИМА-системы общесамолётного оборудования с использованием стандартизованного коммуникационного оборудования с поддержкой AFDX протоколов. На этом этапе общесамолётные системы стали общим ресурсом вычислителей КБО (см. рис.2) – стали включены в единую бортовую сеть.

За счёт такого включения удалось добиться улучшения по следующим немаловажным показателям:

• снизилась масса и уменьшились габариты;
• уменьшилось количество соединительных кабелей;
• выросла надёжность за счёт снижения влияния внешних воздействующих факторов;
• снижено количество первичных сенсоров.

К общесамолётным, как правило, относят системы:

• гидравлики
• распределения электропитания
• подачи топлива
• управления шасси
• управления климатом в салоне
• регулировки давления в кабине
• тормозную систему
• управления рулёжным механизмом
• подачи кислорода
• и проч.

 Для обеспечения доступа из единой бортовой сети к общесамолётной системе потребовалось пройти следующие этапы:

1. Математически смоделировать системы, описать алгоритма её работы;

2. Разработать коммуникационное оборудование для авиационных условий эксплуатации;

3. Разработать гибко настраиваемые «умные» датчики сбора первичной информации, способные осуществлять её предварительную обработку;

4. Разработать конструктивы для исполнительных органов с электроприводом, управляемых с помощью цифровых сигналов.

Комплексный подход при решении задач создания платформы второго поколения позволил внедрить принципиально новую схемотехнику на основе современной элементной базы, а также переработанные конструктивы модулей. Вычислители (в том числе входящие в графическую подсистему) созданы с применением многоядерных высокопроизводительных систем-на-кристалле и микропроцессоров. Для снижения массогабаритных характеристик и повышения плотности «упаковки» компонентов модулей используются композитные материалы.

Современные способы охлаждения с применением теплоотводящих поверхностей, теплопроводных трубок и минимума движущихся элементов (вентиляторов) позволяют отвечать требованиям международных стандартов ANSI/VITA 48.5. Примером системы второго поколения может служить показанная на рис. 2 система, объединяющая в себе радиосвязь, навигацию и радионаблюдение (ИМА система 2).

Основные пути развития интегрированной авионики:

• широкое внедрение скоростных и защищённых от помех на физическом уровне интерфейсов (таких как «авиационный» Ethernet через оптоволокно) и протоколов связи между сенсорами, вычислителями и исполнительными элементами;
• уменьшение количества дублирующих друг друга по функционалу компонент и конечных устройств путём их унификации, что позволит сократить сроки разработки КБО и ускорить их производство;
• углубление «цифровизации» компонент и модулей в части внедрения встроенных средств самодиагностики, ведущее к повышению ремонтопригодности;
• разработка нового поколения базовых модулей (вычислителей, электропитания, сетевых) со сниженными параметрами энергопотребления, улучшенным теплоотводом и более высокой производительностью;
• вовлечение в процесс разработки программного и аппаратного обеспечения коммерческих структур, конкурирующих между собой;
• развитие программного обеспечения в части увеличения независимости от аппаратной платформы с целью получить возможность применять ПО одних поставщиков на вычислителях других;
• разработка системы автоматизированного проектирования комплексов бортового оборудования с возможностью функционального моделирования.

Итогом движения по этим направлениям должен стать набор унифицированных отказоустойчивых архитектур КБО с предсказуемыми техническими и эксплуатационными характеристиками.

ИМА компоненты комплекса бортового оборудования

Унифицированные компоненты представлены следующими элементами:

• несущий конструктив крейта высотой 3U либо 6U (в терминах 19-ти дюймовых стоек для монтажа электронного оборудования);
• базовые модули: электропитания, процессорный, коммуникационный (сетевой), преобразователя среды передачи (оптика/медь);
• графические модули: индикаторные со встроенными процессорами, светодиодные панели.

На рис. 3 продемонстрирована компоновки с использованием блоков-мезонинов (сменных для единой платы носителя).