Принципы организации бортовых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

38

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»

Кафедра «Прикладная математика и информатика»

РЕФЕРАТ

Принципы организации бортовых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов

Выполнил: студент гр. 3-76-1

Алексеев Ю.С.

Проверил: профессор кафедры «ПМиИ»

Калядин Н.И.

Ижевск 2007г.

Содержание

Требования к характеристикам перспективных ЛА

Организация вычислительных систем современных ЛА

Характеристики авионики перспективных ЛА

Концепции организации БВС перспективных ЛА

Организация СИО перспективных БВС

Организация и характеристики перспективных БВС

Структура и реализуемость перспективных организаций БВС

Заключение

Требования к характеристикам перспективных ЛА

Наступившие XXI столетие и третье тысячелетие все настойчивее ставят вопрос: какие летательные аппараты (ЛА) истребительной авиации обеспечат превосходство в воздухе? На поставленный вопрос следует однозначный ответ ими станут истребители следующего, 5-го поколения, реактивной эры авиации. Провести четкую грань между поколениями ЛА трудно и не всегда возможно. Да и сама смена поколений процесс довольно медленный. Но в итоге всегда наступает момент, когда ни один новый самолет предыдущего поколения не находит сбыта на рынке.

Среди большинства специалистов по самолетостроению распространено мнение: формула главных качеств тактического истребителя 5-го поколения должна выглядеть как "5С" = "стремительность" + "скрытность" + "супервозможности" + "самозащита" + "системность". (указанные составляющие учитывают лишь главные, но далеко не все необходимые новые качества этого истребителя). В числе составляющих этой формулы такие абсолютно необходимые для современного истребителя качества, как всепогодность действий, способность выполнять различные задачи днем и ночью, на фоне земли и т.д., все они стали нормой еще в предыдущих поколениях, в первую очередь, благодаря современным характеристикам информационных датчиков функционального оборудования для различных диапазонов апертур (радиолокационного, оптического). Указанные выше главные качественные характеристики перспективного ЛА могут быть расшифрованы следующим образом.

Стремительность совокупность, в первую очередь, летных качеств истребителя: скорости полета, максимума достигаемой высоты, маневренности. Данный термин гораздо более полно обобщает характеристики летных качеств тактических ЛА 5-го поколения, чем просто скорость.

Скрытность не только малозаметность истребителя как цели для радиолокационных средств противника, но и затруднения возможности обнаружения средствами радиоразведки излучаемых бортовыми системами самолета радиолокационных и радиосигналов.

Супервозможности многофункциональность, возможность выполнения истребителем самых разных функций и боевых задач, не только по завоеванию превосходства в воздухе, но и по нанесению ударов по наземным и надводным целям; по выполнению задач разведывательного характера и тому подобные действия.

Самозащита способность обнаруживать облучение самого себя (истребителя) радарами и активными головками самонаведения ракет противника и создавать для них мощные радиопомехи, способность обнаруживать атакующие (в том числе и сзади самого себя) самолеты и ракеты противника и защищаться от них, используя противоракетный маневр, применяя пассивные радиолокационные диполи, тепловые (инфракрасные) ловушки либо уничтожая их имеющимся на борту оружием.

Системность. Управлять одному человеку-пилоту столь сложным комплексом бортового оборудования (КБО) было бы невозможно без подчинения всех бортовых функциональных подсистем управляющей бортовой вычислительной системе (БВС), способной реализовать элементы искусственного интеллекта в виде подсказок для принятия правильных решений. Она обрабатывает поступающую информацию, систематизирует ее и в приемлемой, графической форме выдает летчику.

Таким образом, одной из глобальных проблем построения КБО ЛА нового поколения является определение и обоснование основополагающих концепций организации перспективных БВС для ЛА следующего поколения.

Организация вычислительных систем современных ЛА

Необходимо отметить, что за рубежом последние 10-20 лет характеризуются завершением крупных научно-технические программ (DAIS, PAVE PILLAR и другие), которые в конечном итоге регламентировали принципы организации территориально-распределенной неоднородной многомашинной БВС с "фиксированным" распределением реализуемых задач с определенными возможностями к ее реконфигурации на аппаратном уровне (рис. 1). Для объединения элементов многомашинной БВС используются стандартные цифровые соединения на основе специализированных технологий информационного обмена с использованием централизованного или децентрализованного методов доступа (MIL-STD-1553B, STANAG3910, AS4074, AS4075). Основные преимущества, которые обеспечиваются федеративно-централизованной организацией БВС с системной ориентацией, следующие:

· КБО определяется как сложная территориально распределенная система, состоящая из отдельных функциональных подсистем, связанных между собой стандартными информационными соединениями;

· разработка отдельных функциональных подсистем КБО осуществляется большей частью автономно различными фирмами-подрядчиками, а последующее их комплексирование обеспечивает функциональную интеграцию КБО в целом во всех режимах его эксплуатации;

· процесс обработки информации распараллеливается во времени в неоднородных по своей организации и характеристикам вычислительных средствах;

· разрабатываемое программное обеспечение имеет модульную организацию;

· обеспечивается возможность реконфигурации структуры в случае возникновения отказов в вычислительных средствах или функциональном оборудовании КБО;

· обеспечивается возможность модернизации и наращивания числа функциональных подсистем КБО практически без изменения топологии физических соединений на межсистемном (внутриобъектовом уровне).

Последнее положение особенно важно, так как по оценкам зарубежных специалистов в ходе жизненного цикла эксплуатации современного авиационного комплекса часто приходится производить несколько модернизаций его КБО.

Рис.1 Основные зарубежные научно-технические программы

Кроме того, в результате выполнения данных программ научных исследований был получен ответ на глобальный вопрос о возможности повышения эффективности и качества функционирования КБО и одновременно при этом, не усложняя его архитектуру, повысить надежность его функционирования, снизить стоимость технического обслуживания. Вместе с тем сохраняется обязательность требований к возможностям модификации и масштабируемости (модульном наращивании) КБО, т.е. добавления в его состав новых подсистем, которые могли бы быть разработаны в будущем, что должно происходить с минимальными затратами.

Искомое решение сформировалось не столько в области повышения технических характеристик, качества и эффективности функционирования отдельных элементов КБО, сколько в области поиска новых концепций и возможных подходов к разработке архитектур КБО для перспективных ЛА, на основе следующих постулатов:

· функциональный анализ подсистем бортового оборудования показал, что может быть сформировано семейство устройств, получивших название унифицированных модулей (common modules), с помощью которых может быть реализовано более 90% программируемых и аппаратных функций КБО, при этом проводится линия их глубокой унификации;

· современный уровень развития электронных технологий позволяет реализовать отдельный общий модуль в виде одной или нескольких СБИС, а вычислительные средства функциональных подсистем могут реализоваться из той или иной совокупности общих модулей; те функции, которые не покрываются семейством общих модулей, реализуются посредством специализированных устройств, но таких специализированных модулей немного;

· программное обеспечение КБО необходимо продолжать строить по модульному принципу из общих и специализированных программных модулей;

· техническое обслуживание организуется на основе сменных блоков LRU (Line Replacable Unit), при этом в качестве единицы "физической" архитектуры был выбран общий унифицированный модуль, который, таким образом, одновременно и является LRU;

· помимо введенных выше различий функциональной и конструктивной архитектур КБО, на системном уровне предлагается также рассматривать еще и информационную архитектуру, а также архитектуру управления.

Архитектурная организации управления современными КБО включает четыре иерархических уровня:

· общесистемный уровень (уровень принятия системного решения летчиком);

· уровень взаимосвязанных функциональных подсистем;

· уровень датчиков и исполнительных органов;

· уровень обработки информации от подвижных авиационных подвешиваемых изделий.

При данном подходе к организации КБО летчик вместо функций "координатора" и "интегратора" взаимодействия различных подсистем реализует функции "системного управления", которые определяют лишь основные цели функционирования всей системы и ограничения, а их реализацию на нижнем уровне осуществляет система управления, основу которой составляет БВС. Управляющая БВС ориентирована на принятие сотен решений исполнительного уровня [ ], возлагая на лётчика принятие лишь самых ответственных, системных решений на уровне КБО в целом.

Регламентируемые концепции информационной архитектуры задают уровни и характер информационных связей (интерфейсов) между общими модулями внутри КБО (внутриобъектовые межсистемные связи). В соответствии с программой PAVE PILLAR в КБО реализуются трехуровневые иерархические информационные соединения:

· высокоскоростные локальные информационные связи связи между информационными датчиками и модулями специализированных процессоров;

· межмодульный (региональный) интерфейс, обеспечивающий соединения общих модулей между собой в пределах одной функциональной подсистемы или элемента обработки информации БВС;

· межсистемные (глобальные внутриобъектовые) соединения, обеспечивающие взаимные связи в пределах единого КБО.

В соответствии с зарубежными градациями функциональных взаимосвязей в КБО большинство существующих отечественных ЛА в части организации информационных связей могут быть отнесены к периоду до начала внедрения результатов программы DAIS. Зарубежные КБО в соответствии с архитектурой DAIS имеют ряд вышеуказанных преимуществ перед ними в рамках системного комплексирования. Первые КБО отечественных ЛА могут быть отнесены к уровням 10В и 1.42-1.44 архитектуры программы DAIS (?). Разработка КБО данных ЛА, возможно, будет завершена в ближайшем будущем или же будет осуществляться модернизация изначальных КБО на основе применения новейших принципов организации авионики. Таким образом, данное положение определяет необходимость детальной проработки возможностей применения элементов магистрально-модульной архитектуры БВС на базе стандартного канала по ГОСТ 26765.52-87 со скоростью передачи данных 1 Мбит/c и возможного применения его функционального расширения по ГОСТ Р 50832-95 (скорость передачи данных не менее 20 Мбит/с), которое может быть использовано при модернизации КБО летательных аппаратов МО РФ. Подобная архитектура по сравнению с теми, которые находятся в эксплуатации, бесспорно, имеет ряд преимуществ с точки зрения интеграции борта в целом.

В общем, необходимо отметить, что авиационные БВС современных КБО, находящиеся в эксплуатации, имеют системно-ориентированную детерминированную структурную организацию. Вычислительный ресурс этих БВС регулярно распределен между информационными каналами КБО посредством организации отдельных подсистем, причем перераспределение задач между подсистемами при построении КБО на системном уровне не предусматривается, что не обеспечивают достаточной и гибкой интеграции бортового оборудования. Обычно реализуется лишь дублирование наиболее важных задач, решаемых вычислительными средствами верхнего уровня. Процесс совершенствования характеристик КБО и его БВС не может также постоянно продолжаться посредством наращивания количества используемых неоднородных ЭВМ даже при одновременном совершенствовании их технических характеристик.

Кроме того, невозможна полномасштабная адекватная адаптация функциональных ресурсов БВС к различным ситуационным изменениям внешней обстановки. Настоящее положение объясняется, в частности, исторической, и правомерной для своего времени, ориентацией на применение физических магистральных соединений. При этом возможность программного управления потоками информации (программная коммутация) не полностью реализуется в архитектурах современных распределенных КБО. На рубеже 90-х годов ресурсы подобных БВС оказываются недостаточными в части эффективности организации управления КБО при изменениях внешней обстановки. Для таких БВС характерно нерациональное использование ресурсов СВТ, что, как следствие, приводит к неоправданно высоким габаритно-весовым и энергетическим характеристикам. Их основные качества, принципиально изменившие в свое время подходы к комплексированию бортового оборудования и стимулировавшие развитие цифровой авионики, перестали отвечать постоянно возрастающим требованиям к КБО ЛА.

В настоящее время в рамках новой научно-технической программы PAVE PACE осуществляется продолжение исследований и реализации технических идей, определенных в программе PAVE PILLAR,. Результаты данных исследований являются основой проектирования перспективных КБО ЛА следующего поколения, в том числе и JSF (Joint Strike Fighter). Концепции создания авионики для подобных перспективных ЛА коренным образом будут отличаться от принципов, используемых при разработках современных КБО.

Характеристики авионики перспективных ЛА

Развитие КБО характеризуется постоянным увеличением числа решаемых задач и повышением их сложности, расширением интеллектуальных и адаптивных возможностей комплекса. Основные отличительные качества КБО самолетов нового поколения это, прежде всего, развитая архитектура и интеллект, обеспечивающие высокую информационную поддержку выполнения полетного задания и высокий уровень автоматизации управления ЛА на всех этапах полета. Комплекс бортового оборудования нового поколения должен функционировать в условиях усложнения тактической обстановки и повышения динамики ее изменения. Функциональная организация КБО перспективных ЛА следующего поколения должна обеспечивать такие параметры, как:

· высокая информационная поддержка при выполнении полетного задания, при одновременном снижении психологической нагрузки на экипаж;

· работоспособность в условиях усложнения тактической обстановки и повышения динамики ее изменения;

· уменьшение времени принятия решений при многокритериальности выбора оптимального варианта решения;

· эволюционность и адаптируемость функционального потенциала к различным типам ЛА, возможность проведения архитектурной модернизации;

· высокая эксплуатационная пригодность и надежность выполнения полетного задания при приемлемой стоимости эксплуатации.

Основная концепция авионики в перспективных ЛА основана на интеграции информационных датчиков всех бортовых подсистем с целью формирования объективной реальной картины внешней обстановки для обеспечения ситуационной уверенности поведения, а также для вывода результирующей информации на индикаторы развитого по своим характеристикам информационно-управляющего поля (ИУП). В этом случае экипаж следит за бортовой информацией, а система сама производит подключение необходимых датчиков, чтобы ответить на вопросы летчика. В отличие от предыдущих КБО электронная аппаратура перспективных ЛА отражает комплексный подход более высокого уровня, благодаря которому авионика автоматически управляет датчиками, освобождая от этой задачи летчика. Предполагается, что летчик задает некоторые глобальные исходные положения, которые определяют текущие цели управления всего КБО в целом. Интегрированная авионика перспективных ЛА обеспечивает летчику ситуационную уверенность выполнения боевого задания с учетом возможности автоматического восстановления работоспособности бортовой аппаратуры при возникновении в ней сбоев.

В составе авионики ЛА нового поколения будут входить уже применяемые функциональные подсистемы с существенно улучшенными характеристиками, а также совершенно новые типы функционального оборудования, в состав которых входят высокопроизводительные вычислительные средства, формирующие информационный трафик значительной величины. В отличие от предыдущих федеративных КБО при комплексировании авионики тактических ЛА нового поколения был принят комплексный подход. В КБО ЛА нового поколения образуется интегрированная многодатчиковая информационная среда без ее подразделения на отдельные подсистемы. В общем случае данная среда может включать следующие информационные каналы:

· радиолокационный канал;

· канал радиотехнической разведки;

· индикационно-информационный канал;

· оптико-электронный прицельно-навигационный канал;

· канал информационного подавления.

Одной из составляющих интегрированной многодатчиковой среды является бортовая радиолокационная система (БРЛС). В тех режимах, в которых функционирование БРЛС предыдущего поколения происходило автономно (управление огнем, сопровождение целей и управление исполнительными бортовыми механизмами), теперь управление производится автоматически с помощью вычислительных средств авионики. При действиях на увеличенных дальностях БРЛС должна обладать особыми функциональными возможностями по оказанию информационной поддержки той части авионики, которая обслуживает систему применения оружия, обеспечивающую выполнение основного принципа ведения: "первым увидел первым поразил цель".

Функционирование БРЛС регулируется с помощью электронного управления бортовыми датчиками, которое посылает команды по высокоскоростным средствам передачи данных. Полученные от БРЛС данные о цели должны направляться в комплексную систему бортовой электронной обработки, где данная информация комбинируется с данными, поступающими от других датчиков для создания обобщенной информации (единого файла) сопровождения. Дальнейшее наращивание возможностей БРЛС предполагается проводить по следующим направлениям:

· картографирование земной поверхности;

· определение дальности от ЛА до наземной цели;

· улучшение идентификации целей;

· увеличение зоны действия БРЛС за счет использования дополнительных боковых антенн.

Интегрированная авионика объединяет информацию от различных датчиков и представления полной боевой обстановки на совокупности индикаторов. В свою очередь, индикационное оборудование в перспективных ЛА нового поколения имеет следующие функциональные особенности:

· формирование ИУП кабины перспективных ЛА осуществляется на основе использования концепции многоэкранной системы индикации;

· суммарная площадь экранов электронных индикаторов в составе ИУП возрастает, что обеспечивает возможность представления множества индикационных 2D/3D-изображений обстановки текущего полета на нескольких индикаторах;

· в перспективных ИУП предполагается применять плоские жидкокристаллических индикаторы (с монохромным или цветным изображением);

· в перспективных средствах отображения предполагается отсутствие СВТ, а вся обработка информации осуществляется в ИВС целевых задач.

Анализ требований к аппаратным средствам интерфейса БВС-ИУП, кабины и индикаторов на приборной панели тактических самолетов нового поколения показывает, что характерной чертой облика ИУП являются кардинальные изменения в той части СВТ, которые обеспечивают решение задач формирования изображений на матричных плоских индикаторах. Эти изменения особенно характерны для перспективных самолетов США (таких как F-22 и JSF) и происходят под влиянием таких объективных факторов, как:

· возможность применения сигнальных процессоров высокого быстродействия для обработки изображений;

· рост быстродействия вычислительных и аппаратных средств формирования графических изображений в интересах формирования трехмерных полноцветных текстурированных изображений полетной и тактической обстановки в реальном времени;

· необходимость обеспечения снижения общей стоимости аппаратных и программных средств формирования и обработки изображений, расположенных в ядре БВС и в составе индикаторов при повышении их надежности.

Также в КБО перспективных ЛА должны присутствовать, по крайней мере, две бортовые оперативно-советующие экспертные системы (БОСЭС):

· БОСЭС дальнего воздушного боя;

· интеллектуальная система диагностики и устранения отказов.

C точки зрения информационного анализа внешней обстановки весь сценарий воздушного боя разделяется на определенное количество зон (областей) в зависимости от уровня ситуационной осведомленности, начиная с обнаружения цели на больших дальностях и включая дальности, на которых требуется выдача высокоточной информации о координатах цели перед пуском ракетных средств поражения. Повышенные вычислительные мощности необходимы для того, чтобы обеспечить решение в БВС задач нового класса и представлять летчику обобщенную, легко читаемую на индикаторах информацию. Предполагается, что ПО интегрированной авионики будет осуществлять следующие основные функции:

· управление течением процесса выполнения боевой задачи;

· обеспечение управления навигацией, интерфейсом "летчик ЛА", пусками АПИ и траекторией полета ЛА;

· объединение и ранжирование информации о сопровождаемых целях;

· выполнение функции сенсорного управления всеми бортовыми датчиками информационных каналов.

Концепции организации БВС перспективных ЛА

бортовой вычислительный летательный авионика

Проведенный анализ показал, что подобные системно-ориентированные БВС, вычислительный потенциал (ресурс) которых четко распределен для реализации задач различных функциональных подсистем авионики, являются "жестко" детерминированными и принципиально не могут обеспечить для КБО ЛА следующего поколения определенных выше требуемых концептуальных качеств. Новый подход к организации архитектуры БВС определяется совершенно новой концепцией организации перспективной авионики.

В общем случае неоднородный состав средств вычислительной техники (СВТ) определяется составом и характеристиками реализуемых задач, а структура системы принятым подходом к декомпозиции и агрегатированию этих задач. Поэтому целесообразно изначально выбрать такой подход к архитектурному построению БВС, который приводил бы к максимально полной независимости решаемых задач от организации и характеристик аппаратуры КБО, при возможности функциональной адаптивности СВТ. Таким образом, обосновывается необходимость создания БВС с функционально-ориентированной архитектурой, организованной по типу интегрированной вычислительной среды (ИВС), в которой изначально отсутствует регулярное распределение СВТ по функциональным подсистемам и информационным каналам КБО.

Под архитектурой БВС условимся понимать принципы организации, определяющие состав аппаратных и программных средств, их функции и порядок взаимодействия, то есть совокупность характеристик и свойств системы, обеспечивающих заданное функционирование КБО. Структура БВС рассматривается как аппаратурная реализация ее архитектуры, выполненная с ориентацией на конкретное применение. Таким образом, одним из обязательных свойств ИВС должна быть способность к динамической реконфигурации структуры.

Научно-технический базис, обеспечивающий разработку технологии создания БВС с функциональной ориентацией архитектуры, структура которых может динамически изменяться в соответствии с требованиями решаемых задач, находится в стадии формирования. К концептуальным особенностям технологии проектирования БВС нового поколения относятся:

· открытость и адаптивность архитектуры БВС к различным применениям;

· глубокая унификация и стандартизация всех аппаратно-программных компонентов БВС на основе широкого использования базовых коммерческих COTS технологий;

· глубокая функциональная и аппаратная интеграция;

· высокий уровень технологичности процесса разработки БВС, в том числе аппаратных средств СИО;

· введение ограничений на совокупную стоимость авионики в широком смысле.

Концепция открытости архитектуры бортовых СВТ базируется на основе использования ограниченного набора унифицированных функциональных модулей средств обработки и передачи информации, что позволяет создавать масштабируемые БВС с широким спектром функциональных характеристик. Принцип открытости должен наделять проектируемую систему способностями к развитию, совершенствованию и модернизации. Он должен обеспечить построение БВС, характеристики которых могут изменяться в широких пределах в зависимости от требований конкретного применения. Проектирование систем военного применения на основе использования открытой архитектуры и стандартных интерфейсов определяет экономический смысл данного подхода в современной обстановке быстрого развития технологий и снижения масштабов бюджетного финансирования. Возможность наращивать вычислительные характеристики систем при использовании модульной архитектуры эффективный способ, который в настоящее время актуален как никогда раньше.

Концепция глубокой унификации и стандартизации обеспечивает снижение затрат и сокращение сроков как разработки, так и последующих модернизаций КБО. Стандартизация распространяется на все функциональные компоненты, создаваемые на основе коммерческих технологий. Эта концепция позволяет использовать при создании элементов БВС доступные коммерческие разработки, адаптируя их к специализированному применению. Ориентация на отработанные коммерческие технологии и использование на начальных этапах (вплоть до отработки на стендово-имитационной среде) коммерческих компонентов способствует как снижению стоимости разработки БВС, так и сокращению сроков проведения работ, то есть обеспечивает реализуемость и приемлемую стоимость авионики.

Концепция аппаратной интеграции позволяет построить единую ИВС, которая обеспечит глубокую функциональную интеграцию и независимость программ от используемых аппаратных средств, обеспечит расширение функциональных возможностей КБО на основе комплексной обработки информации, возможность концентрации ресурсов вычислительной среды для выполнения наиболее важных функций и повышение надежности и живучести комплекса за счет реконфигурации структуры ИВС.

Концепция высокой технологичности, поддерживаемая новейшими технологиями, обеспечит внедрение автоматизации в процессы проектирования и разработки БВС и ПО, снижение технического риска при создании БВС и КБО, а так же сокращение затрат на техобслуживание и эксплуатацию.

Организация СИО перспективных БВС

Особенное внимание в обеспечении вышеуказанных концепций необходимо уделить перспективным СИО, которые при осуществлении их унификации обеспечат необходимые характеристики и необходимую динамическую модификацию архитектуры БВС в целом. Для передачи, хранения и обработки все возрастающих потоков передаваемых данных архитектурная организация средств информационного обмена должна постоянно развиваться. Например, сигналы от аналоговых датчиков в настоящее время преобразуются в цифровые потоки уже на ранней стадии их обработки, при этом, благодаря повышению частоты квантования удается повысить объем собираемой информации (более 100Мвыборок/с). Таким образом, комплексирование на уровне датчиков обуславливает концентрацию обрабатываемой информации в централизованных, высокопроизводительных процессорах цифровой обработки сигналов. Также все чаще требуется преобразование аналогового видеосигнала в цифровую форму.

Высокая пропускная способность также необходима для обеспечения межпроцессорных соединений. Например, системы с распределенной памятью требуют обеспечения взаимодействия и организации связей с чрезвычайно малыми временными задержками. Процессоры с равнодоступной памятью предполагается применять при реализации параллельных процессорных систем и технологии коммерческих суперкомпютеров, с помощью которых возможно интенсифицировать вычисления, критические для выполнений задач авионики.

Все эти изменения в характеристиках внешней информационной обстановки влияют на выбор сетевых средств передачи информации для КБО перспективных ЛА. При выборе организации перспективной сетевой магистрали, рассчитанной на эксплуатацию в "жестких" условиях реального времени, необходимо принимать во внимание следующие требования к ее функциональным характеристикам, которые должны обеспечивать:

· соответствие современным коммерческим стандартам общего применения;

· рыночную жизнеспособность и использование коммерческих компонентов;

· нечувствительность в широком диапазоне к длинам соединений при передаче информации, а также отказоустойчивость и ремонтопригодность применяемых топологий физической среды;

· поддержку последовательных и параллельных физических систем связей, реализуемых с малым числом физических контактных соединений;

· поддержку различных топологий физической среды на основе распределенных и централизованных переключательных модулей, электрических и оптических реализации физической среды;

· поддержку специализированных ("жестких") условий эксплуатации системы;

· поддержку высокой технической скорости передачи данных и малого времени задержки;

· парадигмы передачи сообщений сетевого характера и передачи данных в общей распределенной между процессорными модулями памяти;

· масштабируемость и наращиваемость вычислительных характеристик в системах;

· поддержку функционирования в режиме реального времени;

· формирования изохронных видеоизображений;

· низкую стоимость/эффективность масштабируемых вычислительных средств в широком смысле слова.

Соответствие международным стандартам гарантирует совместную взаимозаменяемость изделий, поступающих от различных производителей. Кроме того, обеспечивается переносимость систем и снижается риск необходимости использования уникальных реализаций. При этом соответствие международным стандартам может потерять всякий смысл, если коммерческий стандарт не поддерживается техническими реализациями достаточного числа разработчиков.

Широкое применение адаптированных коммерческих стандартов на интерфейсы, в противоположность использованию узкоспециализированных, военных, обеспечивает дополнительные выгоды при снижении стоимости благодаря большому количеству разработок на рынке вычислительных средств. Сроки проектирования системы, ее модернизации и комплексирования, а также общая стоимость СИО могут быть значительно уменьшены. Модернизация системы может быть выполнена посредством приращений функциональных характеристик и без потребности коренного реконструирования системы в целом.

Организация последовательных или параллельных связей, использующих небольшое число контактов объединительной панели, необходима для того, чтобы уменьшить насыщенность (степень интеграции) и, тем самым, уязвимость системы по отношению к отказам контактов в соединениях. Одновременное применение электрических и оптических физических связей необходима для поддержки всего диапазона требований, которым должны отвечать связи унифицированных систем передачи данных. Электрические реализации являются самыми дешевыми (в настоящий момент времени) и более всего подходят для межмодульных связей внутри крейта. Оптические связи устойчивы к электромагнитному излучению и могут реализовать "длинные" связи (порядка единиц км). Длинные соединения типа "крейт-крейт" и "датчик-крейт" желательно реализовать в виде оптических последовательных соединений.

Повышение скорости передачи данных обуславливает необходимость отказа от единого физического моноканала и переход к использованию локальных физических связей типа "точка-точка", а также повсеместного использования синхронных принципов передачи данных для обеспечения минимальных временных задержек и оптимальных параметров передаваемых сигналов в среде (рис.2).



Рис.2 Реализация модульной открытой архитектуры в соответствии с программой NGCR на межмодульном и межстоечном уровнях

Общее требование к отказоустойчивости связей заключается в том, что отказы соединений должны иметь высокую вероятность обнаружения и локализации, при этом никакой единичный отказ не должен отключать целое соединение (в некоторых случаях может быть недопустимо потерять целую секцию соединений). В общем случае, это требует введения избыточных связей и некоторой организации парирования отказов. Сетевая магистраль с перспективной организацией передачи данных должна поддерживать простые процедуры изменения состава объединяемых функциональных узлов посредством их подключения или отключения. Учитывая условия эксплуатации авиационных и подвижных систем, сетевая магистраль должна надежно работать в требуемых диапазонах рабочих температур и механических нагрузок.

Масштабируемость связей (возможность гибкого изменения топологии) необходима для реализации многочисленных дополнительных функций, которые могут появиться по прошествии значительного периода времени (тридцать лет или более) эксплуатации КБО ЛА. Это также необходимо для возможности применения новых компонентов, созданных на основе более новых высокопроизводительных технологий, которые будут несомненно разработаны в течение периода эксплуатации. Масштабируемый протокол связей должен обеспечивать возможность подключения и обслуживания систем с невысокими информационными характеристиками. В случае возрастания требований к пропускной способности с их стороны необходимо также одновременно поддерживать обслуживание информационно емких систем.

Одни типы связей, используемые для соединений в системах с распределенной памятью, должны обеспечивать скорости передачи данных на уровне нескольких Гбит/с- для перспективных технологий процессоров. Другие же типы связи, используемые для соединений в сетях обработки видеосигналов, должны обеспечивать величину скорости передачи меньше 1Гбит/с. Таким образом, унифицированная сеть должна эффективно поддерживать изменения требований к скорости передачи данных.

Сетевая магистраль также должна передавать данные с небольшими задержками для обеспечения предсказуемости откликов, что необходимо в режиме реального времени систем военного применения. Для формирования изображений в реальном масштабе времени перспективная сетевая магистраль должна обеспечивать малые задержки и при "жестких" ограничениях на максимально допустимое время передачи данных. Малые задержки необходимы как в системах с распределенной памятью, так и в системах передачи сообщений, которые используют одну и ту же сеть для потоков информации контроля, и управления, а также потока данных как того требует унифицированный протокол связей. В системах передачи сообщений большое время задержки в связях часто приводит к очень низкой эффективности функционирования параллельных процессоров. Эксперименты, проводимые при использовании передачи сообщений в коммерческих параллельных системах процессоров, доказали, что даже умеренная величина задержки в связях может иметь разрушительный эффект для эффективного функционирования высокоскоростных процессоров.

Обеспечение режима реального времени (предсказуемость функционирования во времени) необходимо для того, чтобы обеспечить своевременную доставку высокоприоритетных команд и данных управления в случае их смешения в едином потоке с большими трафиками низкоприоритетных сообщений. Это может быть выполнено с помощью следующих подходов:

· применения уникальных топологий связей (например, использования централизованных или распределенных переключателей);

· выбора физической топологии и характеристик, обеспечивающих малую суммарную информационную загруженность СИО;

· различных способов планирования (дисциплин обслуживания) передачи данных.

Понятие эффективности/стоимости может быть более широким и подразумевает намного больше, чем просто стоимость соединений. Данное понятие включает возможность:

· предотвращения значительного увеличения стоимости при изменении характеристик будущих модификаций вычислительных средств;

· предотвращения увеличения стоимости путем поддержки парадигмы универсальности программирования, которая предполагает возможность сдерживания роста стоимости на множестве архитектур КБО путем устранения избыточных аппаратно-программных средств сопряжения;

· устранения переходных интерфейсных модулей в виде мостов и шлюзов.

Таким образом, возникает проблема выбора перспективной организации обмена в качестве единой унифицированной сети межсоединений бортовой авионики.

Анализ широкого спектра сетевых архитектур информационного обмена в качестве перспективных кандидатов на различные применения позволяет сделать следующие выводы. Глобальные (WАN Wide Агеа Network) и городские (МАN Меtrоpоlian Агеа Network) сети рассчитаны на большие расстояния, чем это требуется для организации бортовых систем. Шины уровней объединительной панели или ввода/вывода также не могут быть использованы, поскольку предназначены для реализации систем с сильно связанными компонентами, расположенными в непосредственной близости друг от друга. Таким образом, наилучшими кандидатами на роль перспективной сетевой магистрали остаются архитектуры передачи данных, используемые в локальных сетях. А наиболее перспективной базовой информационной технологией передачи данных, на основе которой могут быть реализованы единые унифицированные сетевые соединения перспективной авионики является "волоконный канал" FiЬrе Сhаnnеl (FC). Таким образом, в случае, если все (большинство) бортовых передатчиков/приемников информации в авионике перспективных ЛА будут объединены единой информационной сетью, то она должна обладать следующими характеристиками:

· эффективной рыночной стоимостью и коммерческой жизнеспособностью;

· возможностью применения различных топологий физической среды;

· такими функциональными параметрами, как:

· масштабируемая техническая скорость передачи не менее 1 Гбит/с на узел;

· малая величина задержки доступа к среде (менее 1 мкс);

· небольшой формат заголовка для наиболее часто используемых типов трансакций;

· одинаковая эффективность передачи коротких и длинных по размеру сообщений;

· малая величина разрядной ошибки (Рош = 10-12 ош/бит);

· небольшой формат синхропреамбулы при использовании принципов асинхронной передачи данных;

· применение различных дисциплин обслуживания при передачи данных;

· поддержкой таких физических и экономических характеристик устройств, как:

· мультипортовый физический интерфейс (2 и более портов на устройство);

· низкий уровень потребляемой мощности (2&divide3 Вт);

· небольшие геометрические размеры (менее 3 дюйм? );

· низкая стоимость аппаратных средств (менее $100);

· технологическая адаптивность к:

· будущим поколениям процессорных технологий;

· будущим поколениям технологий физической среды передачи информации;

· будущим достижениям в технологии создания интегральных схем;

· возможность передачи информации всех типов (командной, управляющей, тестовой, технического обслуживания, информации от датчиков, видеоинформации).

Организация и характеристики перспективных БВС

Развитие КБО характеризуется постоянным увеличением числа решаемых задач и повышением их сложности, расширением интеллектуальных и адаптивных возможностей комплекса. При этом большая часть реализуемых задач (60-70%) приходится на традиционные, претерпевающие эволюционное изменение алгоритмы обработки информации в интересах задач навигации, связи, опознавания, управления оборудованием контроля, отображения информации и т.д. Таким образом, задачи данной группы не предъявляют каких либо специфических требований к быстродействию и памяти бортовых ЦВМ с универсальной архитектурой общего назначения (БЦВМ-ОН).

Кроме традиционных задач, реализуемых СВТ с универсальной архитектурой, БВС должна решать задачи, требующие повышенной надежности (задачи управления самолетом, двигательной установкой, системой энергоснабжения и т.д.), а также задачи, требующие повышенного быстродействия СВТ (обработки сигналов и изображений) и задачи с нечеткой формализацией исходных условий.

К слабо формализуемым задачам можно отнести задачи распознавания, распределения ресурсов, задачи нечеткого управления, которые в принципе могут решаться с использованием методов искусственного интеллекта (ИИ). Методы ИИ позволяют создавать экспертные системы, которые освобождают экипаж от выполнения функций по сбору и интерпретации информации, обеспечивают "интеллектуальную" помощь в принятии решения и управлении режимами работы комплекса, что обеспечивает сокращение времени принятия решения в отдельных случаях примерно на порядок.

В общем случае структуру БВС образуют четыре вычислительных системы (ВС), различающиеся своими ресурсами, ВС комплексной обработки, обеспечивающая решение основных задач КБО, ВС обработки сигналов, ВС интеллектуальной обработки, накопления знаний и принятия решений и высоконадежная ВС, обеспечивающая решение задач общесамолетных систем (рис.3). Задачи комплексной обработки реализуются на БЦВМ-ОН, которые принципиально могут объединяться в вычислительную среду. Для обработки сигналов необходимы БЦВМ-ОС, которые также могут быть объединены в вычислительную среду. Решение задач обработки, накопления знаний и принятия на этой основе оптимальных решений может потребовать как БЦВМ общего назначения, так с специализированных. Для решения задач общесамолетных систем требуются БЦВМ с высокой степенью надежности. Первые три ВС имеют сетевую организацию и могут быть реализованы как ИВС. Kонфигурацией структуры БВС управляет ВС интеллектуальной обработки, объединяющая ресурсы всех ИВС в единый ресурс. Одновременно она формирует и общую стратегию функционирования среды.

Рис .3 Структура КБО

Таким образом, интегральный анализ требований к характеристикам СВТ показывает, что быстродействие перспективных ЭВМ-ОН должно составлять порядка 20-25 млн. опер./c, а емкость ЗУ соответственно 16-32Мбайта. Специализированные вычислительные средства первичной обработки информации должны обладать быстродействием, величина которого не менее 1000 млн.опер./с. Необходимо также отметить возрастание требований к характеристикам перспективных СИО. На системном уровне величина трафика может составить порядка 5-10 Мбит/c, а на уровне первичной обработки информации 1-2 Гбит/c. Ориентировочные требования к характеристикам элементов средств обработки информации, а также СИО перспективных БВС, представлены на рис. 4.

Рис.4 Федеративная архитектура БВС ЛА (F-18, F-18 )

В составе перспективных БВС должны обязательно применяться средства хранения больших объемов информации, которые являются основой реализации функциональных устройств банков программ и данных, баз знаний для осуществления подсказок экипажу в составе экспертных систем, а также различной архивной информации. Наиболее перспективным является применение ЗУ большой емкости в виде дисковых ЗУ типа Winchester бортового применения, которые в настоящее время реализованы. ЗУ подобного типа обеспечивает высокую скорость обмена информацией и требуемые большие объемы памяти, емкостью до 1 Гбайта. Развитие характеристик дисковых ЗУ может осуществляться посредством использования оптических или магнитооптических дисков.

Высоконадежные (толерантные) СВТ должны обеспечивать устойчивость к отказам и сбоям при функционировании. Структурно толерантные СВТ обычно представляют собой однородную мультипроцессорную сеть с резервированием аппаратных средств обработки и хранения узлов обработки, а также межпроцессорных локальных связей. В общем случае, на топологию межузловых связей ограничений не накладывается. В большинстве случаев задачи, реализуемые толерантными СВТ, не предъявляют явно выраженных требований к повышению быстродействия или объемам запоминающих устройств. Однако при этом, необходимо обеспечить требования к функциональной отказоустойчивости, которые определяются как вероятность отказа на 1 ч. полета, равная 1?-10.

Структура и реализуемость перспективных организаций БВС

Создание БВС на основе открытой масштабируемой ИВС с непрерывно перестраиваемой структурой, ресурсы которой могут перераспределяться произвольным образом, является достаточно сложной научно-технической проблемой. Для построения подобной БВС необходимо решить ряд серьезных проблем в области анализа и агрегатирования задач КБО, построения коммутационных сетей, обеспечивающих передачи сигналов и формирование нужных структур, разработки высокопроизводительных БЦВМ нового поколения, создания операционных систем, обеспечивающих формирование необходимых виртуальных вычислительных систем и функционирование вычислительной среды. Большинство из перечисленных проблем в настоящее время еще далеки от решения, так как исследования по ним только начинаются. В психологическом плане прежде всего необходимо преодолеть барьер невосприятия идей функциональной ориентации архитектуры, отвергающий наличие аппаратурно реализованных подсистем в структуре БВС у разработчиков главных конструкторов подсистем КБО. Вследствие этих факторов непосредственный переход от федеративно-централизованной БВС с детерминированной структурой к вычислительной среде, которая произвольным образом перестраивает свою структуру, связан с высоким техническим риском. Для того чтобы уменьшить степень технического риска и обеспечить преемственность разработок, представляется целесообразным поэтапный переход к БВС на основе интегрированной вычислительной среды.

Построение ИВС целесообразно проводить на основе использования различных мультипроцессорных средств, которые в будущем могут представлять единую (структуру). На первом этапе ИВС образуется только для решения задач верхнего уровня. Подсистемы нижнего уровня в информационных каналах КБО, включающие БЦВМ сигнальной обработки и БЦВМ общего назначения, сохраняются. Для взаимодействия ИВС с подсистемами нижнего уровня рекомендуется использовать низкоскоростной мультиплексный канал по ГОСТ 26765.52 87 или его развитие ГОСТ Р 50832-95. Компоненты, обеспечивающие построение этого канала уже разработаны. В настоящее время можно вплотную приступить к моделированию подобной организации БВС.



Рис .5 Структурная организация многомашинной БЦВС

На следующем этапе вычислительные средства информационных каналов передаются в ИВС. В состав БВС вводится переключательная сеть, обеспечивающая связь датчиков со средствами обработки сигналов. Для управления датчиками и для связи с общесамолетными системами рекомендуется использовать, как и на первом этапе, мультиплексный канал по ГОСТ 25765.52 87/ГОСТ Р 50832-95 (рис.5). К моделированию подобной структуры БВС можно будет приступить в самое ближайшем будущем. И только после этого, можно будет с минимальным техническим риском построить ИВС в полном объеме на основе единого высокоскоростного интерфейса (рис.6).



Рис.6 Интегрированная БВС перспективных ЛА

Для того чтобы обеспечить построение ИВС, функциональные и надежностные характеристики которых будут отвечать требованиям перспективных КБО, необходима разработка бортовых СВТ следующего поколения высоко интегрированных модульных бортовых средств обработки информации на основе высокоскоростных сетевых интерфейсов, обеспечивающих совершенно новые качества и характеристики (масштабируемость, реконфигурируемость, повышенную производительность и пропускную способность). Структура СВТ формируется с использованием унифицированных модулей различного функционального назначения, причем их типы и количество являясь переменными, не должны влиять на принципы ее организации и функционирования.

Бортовые ЭВМ с открытой архитектурой создаются также на основе использования концепции глубокой унификации, в данном случае на базе унифицированных модулей обработки, стандартных интерфейсов СИО и стандартного конструктива. С использованием ограниченного рядя унифицированных модулей могут быть созданы и БЦВМ общего назначения (БЦВМ-ОН), и спецвычислители для обработки больших информационных массивов обработки сигналов (БЦВМ-ОС), и нейрокомпьютеры и т.д., необходимые в каждом конкретном случае.

Наличие в базовом наборе соответствующих интерфейсных модулей дает возможность построения БВС с различной организацией и составом, от простых распределенных федеративно-централизованных систем до ИВС, в зависимости от требований конкретного применения. При этом внутрисистемные и межсистемные интерфейсы практически полностью определяют организацию БВС. В настоящее время для построения элементов БВС (в том числе и с архитектурой ИВС), а также БВС в целом могут быть использованы следующие связные платформы, образующие СИО:

· VMEbus, с возможным переходом на CPCIbus (CompactPCI) в качестве внутрисистемных межмодульных магистралей;

· последовательные цифровые интерфейсы по ГОСТ 26765.52-87 (аналог стандарта MIL-STD-1553B) и ГОСТ Р 50832-95 (аналог технологии передачи данных STANAG 3910) в качестве межсистемных с последующим переходом в перспективе к интерфейсам, использующим сетевые принципы информационного обмена (типа FC-AE, AS4074, AS4075 и т.д.);

· SCSI в качестве системного периферийного интерфейса;

· STANAG 3350 с возможным переходом на цифровую коммутационную технологию обмена "точка-точка" FC-SF (или Fire wire);

· RS-XXX (-232C, -422, -423, -449, -485) в качестве технологических интерфейсов.

В настоящее время в РФ построение вычислительных средств с открытой архитектурой осуществляется путем объединения необходимого набора обрабатывающих модулей на основе стандартной открытой магистрали VMEbus, используемой в качестве внутреннего межмодульного интерфейса ЭВМ. При этом, концепция открытой архитектуры наиболее полно реализована в разработках управляющих и бортовых ЭВМ семейства "Багет", в рамках которого создаются и бортовые СВТ авиационного применения "Багет-53ХХ".

Заключение

1. В ближайшей перспективе при интеграции КБО территориально распределенных вычислительных средств на межсистемном уровне с успехом может использоваться традиционная магистральная организация средств передачи данных, использующая принципы локальных сетей, адаптированные к условиям функционирования систем реального времени, которые в эффективно реализованы в протоколах ГОСТ 26765.52-87 и ГОСТ Р50832-95.

2. В настоящее время специализированные протоколы информационных технологий (ГОСТ 26765.52-87 и ГОСТ Р 50832-95) с магистрально-модульной организацией физических соединений обеспечены большей частью необходимой элементной базой, а интерфейсные модули по ГОСТ 26765.52-87 уже входят в состав современных отечественных БЦВМ, например семейство БЦВМ "Багет". Для окончательного завершения работ по внедрению данных протоколов в СВТ бортового применения необходимо разработать тестовое оборудование, позволяющее проводить аттестационное тестирование, а в дальнейшем и сертификацию модулей канального оборудования на соответствие требованиям вышеназванных стандартов.