CC BY
228
УДК 004.3:629.7
И.И. Итенберг, ДА. Куликов, К.В. Тарандевич, АЛ. Тимченко
ОТЕЧЕСТВЕННАЯ ПЛАТФОРМА ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГРАЖДАНСКИХ САМОЛЕТОВ И
ВЕРТОЛЕТОВ
Описывается созданный в рамках НИР «Конструктор КБО-ВС» научно-технический задел в виде комплекта типовых унифицированных компонентов ИМА и прототипа быстродействующей платформы ИМА, позволяющий создавать высоконадежные многофункциональные интеллектуальные комплексы бортового оборудования летательных аппара-. -вов по поверхности крейта прототипа быстродействующей платформы ИМА при суммарной рассеиваемой мощности функциональных модулей в составе крейта Представлены результаты исследований технических характеристик аппаратных ресурсов прототипа быстродействующей платформы ИМА.
Интегрированная модульная авионика (ИМА); платформа ИМА; типовые унифици-
- .
I.I. Itenberg, D.A. Kulikov, K.V. Tarandevich, A.P. Timchenko
HOME INTEGRATED MODULAR AVIONICS PLATFORM FOR PROSPECTIVE CIVIL AIRCRAFTS AND HELICOPTERS
The report describes scientific and research reserve of standard unified IMA components set and high-performance IMA platform prototype implemented under "Konstruktor-KBO" research and development effort. Said components set and platform enable the creation of highly reliable multifunctional intelligence complexes of aircraft on-board equipment. Results of modelling in the form of distribution of temperature overheats on a surface крейта the prototype of high-speed platform IMA are resulted at total disseminated capacity of functional modules in structure of крейта results of researches of characteristics of hardware resources of the prototype of highspeed platform IMA Are presented.
Integrated Modular Avionics (IMA); IMA platform; standard unified hardware-software IMA components.
Введение. Системные требования, предъявляемые к современным комплексам бортового оборудования летательных аппаратов (КБО ЛА) гражданского и
, ,
числа и сложности решаемых задач, а также расширением их интеллектуальных и
.
КБО ЛА нового поколения - это, прежде всего, развитая архитектура и интел, -
,
всех этапах полета, гарантированное отказоустойчивое функционирование, высокий модернизационный потенциал и адаптируемость к различным типам летательных аппаратов. Необходимость решения данного комплекса задач приводит разработчиков и системных интеграторов к пониманию того, что базирование на традиционных подходах, а именно на принципах федеративно-центрадизованной авионики, не в полной мере обеспечивает выполнение всего спектра требований, предъявляемых к современным КБО ЛА. Принимая это во внимание, в конце 90-х годов прошлого столетия ведущими зарубежными разработчиками авиационной техники, был инициирован ряд научно-исследовательских программ, направленных на формирование новых подходов к организации и построению перспективных КБО ЛА. В результате выполнения этих программ появилась концепция интегрированной модульной авио-
( ), -
ния, предъявляемые к современным КБО ЛА. В 2005 г. основные подходы к реализации и сертификации КБО ЛА на основе концепции ИМА были стандартизованы рабочей группой RTCA в виде международного стандарта DO-297. Сегодня практически все современные и перспективные КБО ЛА (Airbus A-380, Boeing 787 Dreamliner, SuperJet 100 и т.д.) базируются на принципах ИМА.
В Российской Федерации концепция ИМА получила развитие благодаря федеральной целевой программе «Р^витие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 гг. и на период до 2015 г.», в рамках которой был выполнен « ».
Существенным положительным моментом концепции ИМА является принцип открытости архитектуры, позволяющий системным интеграторам при создании КБО ЛА использовать ограниченный набор унифицированных аппаратнопрограммных компонентов (модулей) от разных производителей для создания масштабируемых бортовых вычислительных систем (платформ ИМА) с широким спектром функциональных характеристик, изменяемых в зависимости от требований конкретного применения. Исходя из этого, в рамках НИР «Конструктор КБО» перед ОАО НКБ ВС, как перед разработчиком базовых аппаратно-программных , :
1)
быстродействующей платформы ИМА с открытой высокоскоростной коммутируемой архитектурой на его основе;
2) ( ) ( ) -типа быстродействующей платформы ИМА с учетом требований стандартов ARINC 653 и DO-178B;
3) -
рованных компонентов и прототипа быстродействующей платформы ИМА на его основе с целью оценки технических характеристик и возможности использования в составе перспективных КБО ЛА.
Комплект типовых унифицированных компонентов ИМА. Разработка комплекта типовых унифицированных компонентов ИМА велась с учетом требований международных стандартов VPX (VITA 46 , VITA 48-REDI) и VITA 20, VITA 42.
Состав комплекта типовых унифицированных компонентов ИМА представлен на рис. 1 и в общем случае включает:
1)
модулей VPX 3U (EHKK-3U и БHKK-3U-JI);
2) VPX 3U -
дом тепла (МУПД, МНМ, МСК и МВЭ);
3) PMC/XMC ( ,
);
4) RTM VPX 3U (МС МУПД, МОИ A818 и т.д.).
Прототип быстродействующей платформы ИМА с открытой высокоскоростной коммутируемой архитектурой. На основе комплекта типовых унифицированных компонентов был создан прототип быстродействующей платформы ИМА с открытой высокоскоростной коммутируемой архитектурой, структура
. 2.
Прототип быстродействующей платформы ИМА представляет собой двухкластерную резервированную вычислительную систему, в составе которой функциональные модули объединены в единую вычислительную среду посредством
PCI Express
AFDX.
Рис. 1. Комплект типовых унифицированных компонентов ИМА
Рис. 2. Структура прототипа быстродействующей платформы ИМА с открытой вы сокоскоростной коммутируемой архитектурой
В качестве ключевых трендов прототипа можно выделить следующие элементы:
1) высокопроизводительные модули универсальных процессоров данных (МУПД) на базе двухядерных микропроцессоров с архитектурой PowerPC (MPC8640) и графических контроллеров (МГ), обеспечивающих возможность обработки данных и формирования (синтеза) 2D/3D-изoбpaжeний на основе получаемой через интегрированную оконечную систему AFDX управляющей информации от бортовой сети информационного обмена под управлением ARINC 653 - совместимой операционной системы «реального времени» (ОС РВ «VxWorks 653»);
2) коммутаторы и интерфейсы AFDX, позволяющие интегрироваться в единую бортовую сеть информационного обмена КБО ЛА;
3) распределенная встроенная энергонезависимая память большой информационной емкости (в составе ММП), позволяющая реализовывать различные информационные сервисы и базы данных;
4) быстродействующая межмодульная распределенная коммутационная среда PCI Express;
5) разнообразные интерфейсы ввода/вывода, обеспечивающие интеграцию платформы в состав КБО ЛА.
В связи с использованием высокопроизводительной элементной базы в составе функциональных модулей прототипа быстродействующей платформы ИМА особое внимание в процессе проектирования уделялось вопросам обеспечения эффективного отвода тепла от теплонагруженных элементов модулей. Для этого было выполнено моделирование тепловых режимов прототипа при различных температурах окружающей среды. Моделирование и последующий анализ результатов выполнялись с использованием средств САПР на специально разработанных теп-3D-
размещения и режимов работы системы воздушного охлаждения. Полученные результаты позволили оценить выбранные конструктивные решения, направленные на обеспечение эффективного отвода тепла, целесообразность использования тех или иных теплопроводных материалов, эффективность системы воздушного охлаждения и т.д., и в последствии были подтверждены соответствующими экспе-
.
На рис. 3 приведены результаты моделирования в виде распределения температурных перегревов по поверхности крейта прототипа быстродействующей платформы ИМА при суммарной рассеиваемой мощности функциональных модулей в составе крейта, равной 304 Вт, температуре окружающей среды плюс 70 °С и объемном расходе воздуха в системе охлаждения 150 л/с.
Рис. 3. Результаты моделирования тепловых режимов в виде распределения температурных перегревов по поверхности крейта прототипа быстродействующей платформы ПАМ
Базовое (системное) программное обеспечение прототипа быстродействующей платформы ИМА. Технически е требования, предъявляемые к функцио-
[1, 2],
времени алгоритмов управления приборами и исполнительными механизмами . , , -ной реакции на объективные события в системе и минимального времени задерж-
( ).
Существенной особенностью применения программных функций ИМА в составе КБО ЛА является необходимость обеспечения высокой надежности их , :
♦ независимостью выполняемых функциональных приложений как при их реализации на разных процессорных модулях, так и при решении в составе одного выделенного вычислительного ресурса;
♦ реконфигурацией вы числительных ресурсов, выделенных для реализации
;
♦ высоким уровнем оперативной диагностики с целью минимизации времени обнаружения отказа оборудования.
, -ности функционирования ИМА является обязательная поэлементная сертификация применяемого ПО на соответствие требованиям DO-178B.
В условиях повышенных требований, предъявляемых к авиационным приложениям, и с учетом необходимости их сертификации, важным является обеспечение переносимости ПО, что позволяет повторно использовать ранее разработанные и сертифицированные программные компоненты. Применение ранее разработанного ПО позволяет существенно сократить расходы на разработку и сертификацию и повышает достоверность разрабатываемых приложений.
С целью обеспечения указанных свойств на аппаратные ресурсы прототипа быстродействующей платформы ИМА была портирована ОС PB «VxWorks 653», разработанная и сертифицированная на соответствие международным стандартам ARINC 653 и DO-178B компанией Wind River и ориентированная на организацию вычислений с учетом особенностей, определяемых концепцией ИМА [3, 4]. Помимо операционной системы в состав базового (системного) ПО прототипа быстродействующей платформы ИМА также были включены соответствующие про-(BSP), -
мых аппаратных средств.
Обобщенный состав базового (системного) программного обеспечения прототипа быстродействующей платформы ИМА, обеспечивающий разработку при, . 4.
Исследовательские испытания прототипа быстродействующей плат.
быстродействующей платформы ИМА в составе перспективных КБО ЛА в рамках НИР «Конструктор КБО» был проведен комплекс исследовательских испытаний, направленных:
1)
и прототипа быстродействующей платформы ИМА в целом квалификационным требованиям KT-160D в части механо-климатических воздействий;
2) на подтверждение соответствия отдельных аппаратно-программных компонентов прототипа быстродействующей платформы ИМА требованиям общепринятых стандартов и спецификаций (например, подтверждение
AFDX -
OpenGL ARINC-664P7);
3)
унифицированных компонентов и прототипа быстродействующей платформы ИМА в целом в различных условиях и режимах работы.
Рис. 4. Обобщенный состав базового (систе.много) ПО прототипа быстродействующей платформы ПАМ
Для поддержки всех видов испытаний прототипа быстродействующей платформы ИМА специально был создан исследовательский стенд c комплектом тес, :
1) -
ционных обменов по интерфейсам взаимодействия;
2) ;
3) ;
4)
и сценариев в процессе работы с платформой ИМА;
5) -кации тестов для всех видов исследований.
В качестве примера, в табл. 1 представлены результаты исследований технических характеристик аппаратных ресурсов прототипа быстродействующей платформы ИМА, функционирующего под управлением ОС РВ «VxWorks 653».
Таблица 1
Результаты исследований технических характеристик аппаратных ресурсов прототипа быстродействующей платформы ИМА
Наименование испытания (проверки) Результаты испытания (проверки)
1. Проверка обеспечения загрузки и запуска на аппаратных ресурсах МУПД в составе платформы ИМА ОС РВ «Ух*ог1« 653» Аппаратные ресурсы МУПД в составе платформы ИМА обеспечивают штатную загрузку и запуск ОС РВ «VxWorks 653»
2. Проверка максимально возможного ( ), одновременно запускаемых на МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «Ух*огкз 653» ( ), одновременно запускаемых на МУПД в составе «VxWorks 653», 255
3. характеристик работы разделов (партиций) на МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «Ух*ог1« 653» 1. Минимальное время работы разделов () под ОС РВ «VxWorks 653» TPDmin = (172±1) мкс. 2. Время переключения разделов (партиций) на МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «VxWorks 653» TPCS = (27±1) мкс
4. Исследование временных характеристик работы процессов в пределах разделов (партиций) на МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «Ух*огкз 653» Время переключения процессов в пределах ( ) платформы ИМА под ОС РВ «VxWorks 653» Tprcs 5 9,2 мкс
5. памяти на МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «Ух*ог1« 653» 1. Скорость записи в ОЗУ па МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «VxWorks 653» So3y WR = от 214 до 2942 Мбайт/c (в зависимости от размера блоков данных). 2. Скорость чтения из ОЗУ па МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «VxWorks 653» So3y RD = от 243 до 1224 Мбайт/c (в зависимости от размера блоков данных)
6. взаимодействия между разделами () ОС РВ «Ух*ог1« 653» 1. () ИМА под ОС РВ «VxWorks 653» в режиме Sampling Mode TMSG SM = (21±1) мкс. 2. () «VxWorks 653» Queuing Mode TMSG 0M = (26±1) мкс
7. Исследование характеристик графической подсистемы МГ с МУПД в составе платформы ИМА под ОС РВ «Ух*ог1« 653» МГ в составе платформы ИМА под управлением ОС РВ «VxWorks 653» обеспечивает формирование изображений со сложной 2D/3D-графикой с частотой кадров не менее 30 fps и разрешением 1280x1024 пикселей и их передачу по оптическому интерфейсу ARINC-818 на скорости 2,125 Гбит/с
8. при взаимодействии с МУПД по интерфейсу ЛРБХ под ОС РВ «Ух*ог1« 653» Технологическая задержка коммутатора МСК при коммутации пакетов данных TSW мск < 135 мкс (в зависимости от длины пакета)
Заключение. Выработанные в ходе НИР «Конструктор КБО» подходы к созданию бортовых вычислительных платформ на основе концепции ИМА и создан- -понентов ИМА и прототипа быстродействующей платформы ИМА позволяют продолжить исследовательские работы по созданию высоконадежных многофункциональных интеллектуальных КБО ЛА, способных конкурировать с лучшими мировыми образцами авиационной техники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. C- 130AMP press release - Wind River, ACT, and Smiths Aerospace, www.windriver.com.
2. Boeing 7E7 Dreamliner Common Core Systems - Wind River and Smiths Aerospace, www.windriver.com.
3. Parkinson P., Kinnan L. Safety-Critical Software Development for Integrated Modular Avionics - Wind River, 2007.
4. P. Parkinson, F. Gasperoni. High Integrity Systems Development for Integrated Modular Avionics Using VxWorks and GNAT - 7th International Conference on Reliable Software Technologies, Ada Europe, 2002.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. М.Ю. Медведев.
Итенберг Игорь Ильич - Открытое акционерное общество "Научно-конструкторское бюро вычислительных систем"; e-mail: itenberg@nkbvs.ru; 347936, г. Таганрог, ул. 1-я Линия, 144-а; тел.: 88634682560; к.т.н., генеральный директор, главный конструктор.
Куликов Дмитрий Анатольевич - e-mail: kulikov@nkbvs.ru; тел.: 88634682560; первый заместитель технического директора.
Тарандевич Константин Валентинович - e-mail: tkv@nkbvs.ru; тел.: 88634682560; заве.
- e-mail: timchenko@nkbvs.ru; .: 84952232708 ( . 32-08);
заместитель генерального директора, заместитель главного конструктора, директор московского .
Itenberg Igor Il’ich - Joint Stock Company "Scientific Design Bureau of Computer Systems"; e-mail: itenberg@nkbvs.ru; 1 Liniya street, 144-a, 347936, Taganrog; phone: +78634682560; cand. of eng. sc.; director general; chief designer.
Kulikov Dmitriy Anatol’evich - e-mail: kulikov@nkbvs.ru; phone: +78634682560; first deputy technical director.
Tarandevich Konstantin Valentinovich - e-mail: tkv@nkbvs.ru; phone: +78634682560; department manager.
Timchenko Alexander Petrovich - e-mail: timchenko@nkbvs.ru; phone: +74952232708 (ext. 32-08); deputy director general; deputy chief designer; director of Moscow branch office.
