Разработка рекомендаций по реализации алгоритмов управления на специализированных вычислителях функциональных систем и унифицированных общесамолетных вычислителях комплекса бортового оборудования
Проведенные исследования показывают, что наиболее перспективной архитектурой бортового оборудования для следующего поколения ВС является децентрализованная (распределенная) структура на платформе ИМА, объединенная в сеть. Один из вариантов реализации такой структуры показан на рис.1.ХХ.
Рис.1.ХХ. Функции ВС, реализованные в концепции ИМА
Структура реализует основные функции ВС: Flight Control – управление полетом, Engines – двигатели, Cockpit – кабина экипажа, Energy - энергетика, Fuel&LG – топливо и шасси, Cabin – пассажирский салон.
При логарифмическом росте функциональности бортового оборудования, который можно видеть на рис.1.ХХ, и аналогичном росте количества электронных блоков бортового оборудования, обеспечивающих рост функциональности, в 1970-2005 гг, мы видим, что, начиная с 2005г рост количества электронных блоков на борту ВС замедлился (при сохранении тенденции на увеличение функциональности) благодаря внедрению концепции ИМА. Ожидается, что на следующем поколении ВС количество электронных блоков бортового оборудования (блоков авионики) существенно сократится благодаря совершенствованию платформ ИМА, сетей авионики и программных приложений, обеспечивающих выполнение разнообразных функций и подфункций ВС.
Рис.1.ХХ. Перспективы использования концепции ИМА на следующем поколении ВС
При этом все большее количество функций будет выполняться на общесамолетных вычислителях (в ядрах платформы ИМА) и все меньшее количество функций останется за специализированными вычислителями традиционных функциональных систем.
Информация от инерциальных навигационных систем (ИНС), систем воздушных сигналов (СВС) и вычислительной системы самолетовождения (ВСС) в настоящее время поступает на дисплеи напрямую посредством шины передачи данных ARINC 429.
Однако при рассмотрении ИНС, как модуля и совокупности компонентов аппаратных средств: блока лазерных гироскопов, блока линейных акселерометров, а также компонента программного обеспечения: программного обеспечения вычисления пилотажно-навигационных параметров, может быть рассмотрен вариант размещения компонента программного обеспечения в центральном вычислителе кабинета авионики. Для этого требуется детальный анализ параметров, измеряемых и вычисляемых в ИНС, скорости изменения этих параметров, объемов вычислений и т.д. Очевидно, что такая рекомендация будет отрицательно воспринята разработчиками ИНС. Сведение аппаратной части этой важнейшей системы к блоку лазерных гироскопов и акселерометров может показаться слишком революционным. Однако такая рекомендация естественным образом вытекает из концепции ИМА.
Аналогичным образом при рассмотрении системы воздушных сигналов СВС, как модуля, состоящего из совокупности аппаратных и программных компонентов, возникает идея размещения её компонента программного обеспечения в центральном вычислителе кабинета авионики. Для этого требуется детальный анализ параметров, измеряемых и вычисляемых в СВС, скорости изменения этих параметров, объемов вычислений и т.д. Для СВС тенденция потери самостоятельности прослеживается уже достаточно давно. Еще совсем недавно СВС была анероидно-мембранным блоком, подключенным к достаточно сложной системе полного и статического давления. Однако внедрение на борт преобразователей давления в электрический сигнал – цифровой код сначала превратило СВС в обычный пока еще автономный вычислитель (без чувствительных элементов), а потом – в один из вычислителей ИНС, находящийся в одном конструктивном легкосъемном блоке с инерциальным датчиком и его вычислителем. Поэтому траектория вычислительной функции СВС от специализированного вычислителя ИНС в унифицированный вычислитель «ядра» авионики видится вполне естественной.
Траектория совершенствования вычислительной системы самолетовождения (ВСС) также прослеживается в сторону утраты аппаратных компонентов и превращения в программное приложение. Еще недавно ВСС представляла собой совокупность специализированного вычислителя и специализированного пульта управления и индикации. Затем они были объединены в единый конструктивный блок. В рамках концепции ИМА видится очевидная тенденция к потере автономных аппаратных компонентов – специализированного вычислителя, специализированного дисплея и специализированной клавиатуры с передачей этих функций унифицированному вычислителю, унифицированному дисплею и унифицированной клавиатуре. А основная функция ВСС становится лишь программным приложением, загружаемым в унифицированный вычислитель «ядра» авионики.
Автопилот, система директорного управления и автомат тяги (или система автоматического управления САУ) также утрачивают свои традиционные аппаратные компоненты. Еще недавно они были одними из самых сложных бортовых систем, включающих десятки блоков массой сотни килограмм. Переход на «цифру» привел к тому, что их вычислительные функции стали выполняться в нескольких резервированных специализированных вычислителях. Исполнительные функции по отработке органов управления перешли в систему управления рулями. Внедрение концепции ИМА привело к тому, что аппаратными компонентами САУ являются лишь пульт управления, кнопки отключения и ухода на 2-ой круг. Все остальное превратилось в программное приложение, выполняемое в «ядре» авионики – унифицированных вычислителях.
Еще недавно системы предупреждения близости земли и столкновения с самолетами представляли собой специализированные автономные вычислители. Но уже сейчас они объединены в общий, но пока еще автономный специализированный вычислитель. Потеря автономности и превращение этих важных функциональных систем в программное приложение для унифицированного вычислителя представляется очевидным.
С переходом на формирование сетей авионики со скоростью передачи данных до 100 Мб/с (вместо нынешних 100 Кб/с) уже не будет принципиальным, к какому типу параметров или сообщений (быстрый или медленный) относится тот или иной параметр или сообщение соответствующей функции. Формирование и передача параметров и сообщений между датчиками, вычислителями, индикаторами и исполнительными устройствами будут происходить настолько быстро, что это будет незаметно потребителям. Скорость формирования и передачи параметров и сообщений перестает быть критичной.
Основными свойствами функций ВС, определяющими критичность их выполнения или невыполнения, являются отказоустойчивость и отказобезопасность бортового оборудования, реализующего эти функции. С этой точки зрения анализ и синтез архитектуры бортового оборудования на платформе ИМА представляет значительный интерес.
Тем не менее, рассмотрим основные рекомендации по реализации алгоритмов управления на специализированных вычислителях функциональных систем и унифицированных общесамолетных вычислителях комплекса бортового оборудования, вытекающие из проведенного анализа управляемых параметров и сообщений на примере двух функций: «Индикация в кабине» и «Электроснабжение».
Функция «Индикация в кабине»
Функция реализуется на базе платформы ИМА и приложения «Система электронной индикации».
Для реализации функции используются следующие компоненты:
· компонент аппаратных средств: блок лазерных гироскопов,
· компонент аппаратных средств: блок линейных акселерометров,
· компонент программного обеспечения: программное обеспечение вычисления пилотажно-навигационных параметров,
· компонент аппаратных средств: пульт самолетовождения,
· компонент аппаратных средств: пульт управления полетом,
· компонент аппаратных средств: приемник полного давления,
· компонент аппаратных средств: приемник статического давления,
· компонент аппаратных средств: датчик угла атаки,
· компонент аппаратных средств: приемник температуры заторможенного воздуха,
· компонент аппаратных средств: аэродинамический модуль-преобразователь полного давления,
· компонент аппаратных средств: аэродинамический модуль-преобразователь статического давления,
· компонент аппаратных средств: преобразователь температуры заторможенного воздуха,
· компонент программного обеспечения: программное обеспечение вычисления высотно-скоростных параметров,
· компонент программного обеспечения: программное обеспечение самолетовождения,
· компонент программного обеспечения: программное обеспечение управления полетом и т.д.
Часть компонентов объединяются в модули:
o инерциальная навигационная система,
o система воздушных сигналов,
o вычислительная система самолетовождения,
o система автоматического управления.
Приложение «Система электронной индикации» включает следующие компоненты:
§ компонент аппаратных средств: система дисплеев для отображения пилотажной и навигационной информации, параметров двигателей, различных самолётных систем и предупреждения экипажу,
§ компонент аппаратных средств: система пультов управления индикацией и конфигурацией,
§ компонент программного обеспечения: программное обеспечение индикации пилотажно-навигационной информации, параметров двигателей, различных самолётных систем и предупредительной информации.
Приложение «Система электронной индикации» включает два субприложения:
Ø система электронной индикации полета,
Ø система электронной индикации двигателей, самолетных систем и предупреждения экипажа.
Субприложение «Система электронной индикации полета» включает два компонента программного обеспечения:
ü компонент программного обеспечения: пилотажный индикатор (PFD),
ü компонент программного обеспечения: навигационный индикатор (ND).
Субприложение «Система электронной индикации двигателей, самолетных систем и предупреждения экипажа» включает два компонента программного обеспечения:
ü компонент программного обеспечения: индикатор контроля работы двигателей и отображения аварийно-сигнальной информации (EWD),
ü компонент программного обеспечения: индикатор контроля работы систем самолёта (SD).
Информация, предоставленная датчиками или вычисленная другими самолётными системами, передается в систему индикации. Идентичные жидкокристаллические дисплеи (количеством од двух до шести), которые связаны с кабинетами авионики на платформе ИМА (от 2-х до 4-х) и соответствующими пультами управления, установлены на приборной доске.
Информация – это, главным образом, данные систем электронной индикации основной полётной и навигационной информации (EFIS) и системы электронной индикации и предупреждения экипажа (EICAS), собранные в форматах:
— основные пилотажные данные (в формате PFD),
— географическое положение и навигационная информация (в формате ND),
— параметры двигателя (в формате EWD),
— аварийные, предупреждающие сообщения, а также уведомления (в формате EWD),
— мнемокадры о состоянии систем (в формате SD).
Обработка информации от систем самолета происходит в программных приложениях, реализованных в системе центрального вычислителя.