CC BY
60
Mr Dragan Simk, pukovnik, dipt. inž. Vacluhoptovnotchnttka upravA GŠ VJ. Beograd
ARHITEKTURE ELEKTRONSKIH SISTEMA SAVREMEMH AVIONA
UDC: 621.38:623.746
Retime:
Svc stoleniji zahlevi postavljani pred nove generative aviona usmereni su na tnatno poboljšanje performansi, raspoloiivosti i pogodnosli to odrlavanje elektronskih sistema aviona (avionike). Zahtevana poboljSanja mogla su se ostvaritisamo napuStanjem podsistem-ski orijentisane arhitekture integrisanih elektronskih sistema aviona, i prelaskom na funkcijski orijentisanu arhitekturu. Veliki napredak u razvoju hardvera i softvera i njihova sumdardiza-cija omogutili su prelazak na funkcijski orijentisanu arhitekturu integrisanih elektronskih sistema aviona, uz znatno smanjcnje cene. U ovom radu izloien je savremeni pristup projektovanju budutih elektronskih sistema aviona sa stanovišta fizičke i funktionalne arhitekture, arhitekture prenosa informacija i kontrole.
KljuCne reti: avionika (elektronski sistemi aviona), borbeni zadatak (misija), integracija, standardni modul, funktija, veštaćka inteligentija, samotestiranje, rekonfigurabilnost, raspo-loiivost.
ARCHITECTURES OF ELECTRONIC SYSTEMS IN MODERN AIRCRAFT
Summary:
New aircraft generations face increasingly complex requirements aiming at significant improvement of performances, availability and suitability for maintenance of aviation electronics (avionics). Requested improvements were possible to be realized only by abandoning the sub-system-oriented architecture of integrated avionics and by accepting the function-oriented architecture. Significant improvement in hardware and software development as well as their standardization enabled switching to function-oriented architecture of integrated avionics, together with lower costs. This paper gives a modem approach to future avionics design from the standpoint of physical and functional architecture, information fransmission architecture and control.
Key words: avionics (aviation electronics), combat mission, integration, standard modul, function, artificial intelligence, selftesting, reconfigurability, availability.
Uvod
Od završetka Drugog svetskog rata do danas znatno su se povcćavale moguć-nosti avionskih elektronskih sistema (a-vionike), dok su se načini projektovanja
vazduhoplova, kao i podrška tom projektovanju, vrlo sporo menjali. Kod svih aviona prve, druge i treće generacijc i velikog broja aviona četvrte generacijc, za dobijanje nekih složenih informacija (gencrisanih na osnovu podataka prikup-
vojnotehniCki glasnik 2/2000.
167
Ijenih od viSe senzora i podsistema) po-sada aviona bila je primorana da koristi podatke od više međusobno odvojenih i manje iii više nezavisnih senzora i podsistema, a zatim da, na osnovu tih podataka generiše potrebne informacije.
Zbog kontinualnog tehnološkog raz-voja eiektronskih komponenata, razvoj aviona pratila je stalna modemizacija po-stojećih i razvoj novih, sve složenijih avionskih eiektronskih sistema, uz sve vedi broj informacija kojc je trebalo pri-kazati posadi aviona i sve složenije uprav-Ijanje senzorima, podsistemima i sistemi-ma. Sa razvojem velikog broja novih, sve moćnijih i složenijih eiektronskih sistema pojaviii su se problemi u pogledu moguć-nosti njihove ugradnje, integracije, uvo-đenja u operativnu upotrebu i održava-nja, kao i problemi u pogledu ostvarenja zahtevane raspoioživosti avionskih eiektronskih sistema i aviona u celini. Ovakav dugogodišnji trend projektovanja i razvoj a aviona prekinut je, prvi put, pri projektovanju i razvoju aviona F-16, kod kojeg je arhitektura eiektronskih sistema aviona orijentisana, pre svega, prema funkcijama, tj. za avion predvidenim bor-benim zadacima. Takvim pristupom projektovanju eiektronskih sistema napu-šteni su svi dotadašnji principi projektovanja, podrškc i operativne upotrebljivo-sti. Osim toga, veliki stepen integracije i velike brzine obrade savremenih integri-sanih eiektronskih komponenata doveli su do značajnih promena i u načinu projektovanja eiektronskih sistema aviona. Pojaviii su se sistemi potpuno nove arhi-tekture, znatno manjih dimenzija, a znatno boljih performansi. Promene su se ogledale, pre svega, u realizaciji stan-dardnih (višestruko upotrebljivih) har-dverskih i softverskih modula, koji u suštini predstavljaju standardne delove
(blokove) od kojih se vrlo lako mogu stvarati arhitekture novih tipova avionskih eiektronskih sistema.
Savremene tehnike integracije (po-vezivanja) senzora, podsistema i sistema, posredstvom brzih serijskih magistral podataka, omogućile su veliki stepen au-tomatizacije upravljanja i prikazivanja u pilotskoj kabini, čime je postignuto znatno rasterećenje pilota i smanjenje njihovog psihofizičkog naprezanja. Savre-meni algoritmi veštačke inteligencije omogućili su vrlo sioženu obradu podataka radi prcvazilaženja eventualnih ot-kaza. Velika primena signal-procesora obezbedila je realizaciju svih za avion planiranih funkcija. „On line" testovi, rcalizovani na nivou čipa, i specijalni Čipovi za samotestiranje omogućili su kontinuaino i potpuno testiranje eiektronskih sistema aviona. Takav nivo sa-motestiranja pružio je mogućnost brzog lociranja neispravnosti do nivoa zamenlji-vih modula i nekih vitalnih komponenata, a projektovani visoki stepen pogodnosti za održavanje eiektronskih sistema aviona pružio je mogućnost brze i jedno-stavne zamene neispravnih modula. Im-plementirani savrcmeni algoritmi ve-štačke inteligencije obezbedili su moguć-nost rekonfiguracije sistema u toku leta, čime je ostvarena velika raspoloživost vazduhoplova uz minimalno vreme ko-rektivnog održavanja i veliku verovat-noću izvršenja postavljenih zadataka.
Trendovi razvoj a eiektronskih
sistema aviona
Radi zadovoljenja sve složenijih za-hteva koji se postavljaju pred nove gene-racije aviona, posebno u uslovima sve većih eiektronskih pretnji, od avionskih eiektronskih sistema uvek je zahtevano
168
VOJNOTEHN1ČK1 GLASNIK 2^000.
znatno poboljšanje performansi, raspolo-živosti i pogodnosti za održavanje. U vezi sa postavljenim zahtevima ostvaren je veliki napredak, pre svega u razvoju har-dvera i softvera savremenih vazduhoplov-nih računara koji su omogućili zahtevana poboljšanja. U pogledu hardvera, razvoj avionskih elektronskih sistema u toku poslednjih 40 godina koniinualno je pra-tio napredak u razvoju elektronskih kom-ponenata, počevSi od analognih kompo-nenata, preko tranzistora i integrisanih kola do integrisanih kola vrlo velikog stepena integraeije (VLSI - Very Large Scale Integrated). Osim toga, kod svih senzora, podsistema i sistema razvoj hardvera pratila su i softverska poboljšanja implementirana u okviru njihovih funkei-ja. Medutim, i pored toga Sto je konti-nualni razvoj hardvera (elektronskih komponenti) i softvera dovodio do nepre-kidnog poboljšanja performansi avionskih senzora, podsistema i sistema, način njihovog projektovanja, kao i podrška projektovanju, menjali su se vrlo sporo. Takođe, nekoliko decenija avionski elek-tronski sistemi karakterisali su se vrlo maiim stepenom integraeije funkeija. U tom periodu njihovc funkeije bile su dis-tribuirane, tako da su pojedine funkeije ili manje grupe funkeija izvršavane u okviru posebnih podsistema (blokova), pri Cemu je pilot morao da obavlja nji-hovu integraeiju, kako na nivou sistema, tako i aviona u celini. Ovakav dugogodi-šnji koncept razvoja avionskih elektronskih sistema, koji nije pratio odgovara-juće tehnološke napretke, usložavao je njihov razvoj i dovodio do neoptimizirane funkcionalnosti, uz male uštcde u pogledu cene proizvodnje i visoke cene održavanja.
Sve složeniji borbeni zadaci. postav-Ijani pred savremene avione. zahtevali su
potpunu integraeiju avionskih funkeija implementiranih u okviru senzora, podsistema i sistema, uz maksimalnu automa-tizaeiju interfejsa avion-pilot i maksimalnu toleranciju (prevazilaženje) otkaza avionskih senzora. podsistema i sistema. Integracija svih avionskih funkeija izme-nila je ulogu pilota, tako da je on od operatora i integratora sistema sve više postajao „menadžer sistema” („sistem--menadžer”), tj. osoba koja prati rad automatizovanih avionskih senzora, podsistema i sistema i samo povremeno, po svojoj želji ili ukazanoj potrebi, preuzima odredene aktivnosti. Prema tome, integracija svih avionskih senzora, podsistema i sistema napadno-navigacijskog sistema izvršena je tako da što više raste-reti pilota u svim fazama leta i omogući mu da se maksimalno koncentriSe na kritične faze (npr. da izvr$i brzo i preci-zno nišanjenje i gadanje bilo kog zemalj-skog cilja, ili cilja u vazdušnom prostoru). Na taj način, visokointegrisani napadno--navigaeijski sistem pružio je mogućnost da se i u uslovima povećanih pretnji realizuju sve složeniji borbeni zadaci. Visokointegrisani napadno-navigaeijski si-stem. pored pilota, uključuje i sve avion-ske senzore, podsisteme i sisteme kao i proračune koji se odvijaju u njima i na nivou aviona u celini. Međutim, uloga pilota u svojstvu „sistem-menadžera” na-meće potrebu za ugradnjom algoritama veštačke inteligencije i to ne samo u pojedine senzore, podsisteme i sisteme aviona već. pre svega, u integracioni softver realizovan na nivou aviona u celini. Promena uloge pilota nametnula je i izmenu zahteva u pogledu njihove obuke, pošto se njihova prethodna potreba za memorisanjem velikog broja tehničko-operativnih podataka menja u potrebu obučavanja iz domena vojne strategije,
vojnotehniCki glasnik 2/2000.
169
operatike i taklike, implementiranih kroz moguće kombinacije rada clektronskih sistema aviona.
Savremenc arhiteklure elektronskih sistema aviona nametnule su potrebu i za što većom komplementarnošću (među-sobnom dopunjavanju) senzora, jer nji-hova pojedinačna poboljšanja nisu omo-gućila ostvarivanje zahtevanih perfor-mansi u pogledu daljine detekcije ili pre-nosa, tačnosti pozicioniranja, rezolucijc i sl. Integracijom međusobno komplemcn-tarnih avionskih senzora, uz primenu sa-vremenih algoritama obrade i prikuplje-nih podataka, postignute su maksimalno moguće pcrformanse pojedinih sistema.
Na osnovu izloženih tokova razvoja i zahteva postavljenih pred najsavrcmeni-je, kao i buduće borbene avionc, može se zaključiti da se postavljeni zahtevi mogu ostvariti samo uz značajnije izmene arhitektura njihovih elektronskih sistema. Istraživanja su pokazala da se u slučaju zadržavanja dosadašnje podsi-stemski orijentisanc koncepcije projckto-vanja arhitektura elektronskih sistema aviona, ostvarenje postavljcnih zahteva može postići samo uz sve većc usložava-nje već postojećih podsistema, a samim tim i njihovu sve manju raspoloživost i sve složenije i skuplje održavanje. Među-tim, prioritctni ciij projektanata novih elektronskih sistema aviona jeste da sc sva zahtevana poboljšanja ostvare uz po-većanje raspoloživosti i smanjenjc cene njihovog razvoja i održavanja, a što je moguće realizovati prihvatanjem funkcij-ski orijentisane konccpcije projektovanja arhitektura elektronskih sistema aviona.
Savremene i buduće arhitekture
avionskih sistema
istraživanja su pokazala da se zahtevi postavljeni pred buduće elektronske si-
steme aviona mogu ostvariti postojećim i novorazvijanim tchnologijama (hardve-rom). aii uz znatna prošircnja mogućnosti raspoloživog softvera i uz promenu dosa-dašnjeg podsistemski orijentisanog pri* stupa njihovog projektovanja.
Kao ključna tehnološka poboljšanja mogu sc izdvojiti:
- vrlo molni, a relativno jeftini digi-talni procesori, smešteni u jcdnom Čipu;
- vrlo moćni i brzi digitalni multi-pleksni udaljeni terminali smeštcni u jed-nom čipu;
- računarske memorije, standardni čipovi testiranja interfejsa i standardne funkcije, realizovani u okviru pojedinih čipova sa velikim gustinama pakovanja i velikim brzinama rada;
- vrlo složeni algoritmi veštačke in-teligencije i njihova implcmentacija u avioniku;
- računarsko projektovanje elektronskih sistema aviona.
U razvoju hardverskih i softverskih modula avionike prioritetno je postavljen zahtev da moduli budu standardizovani kako bi se sa što manjim brojem različitih tipova modula postigla što niža ccna njihovog razvoja, proizvodnjc i odriavanja. Osim toga, postavljen je i zahtev da hardverski moduli budu što manjih di-menzija, jcr to dovodi i do smanjenja zahteva u pogledu njihovog napajanja i hladenja. Na primer, dimenzije digitalnog multipleksnog udaljcnog terminala, za magistralu 1553B, smanjene su sa tri elektronske kartice dimenzija 127 mm x 178 mm u 1976. godini, na jednu karticu istih dimenzija u 1980. godini, zatim na jednu karticu dimenzija 101 mm x 127 mm u 1988. godini, a danas na nekoliko integrisanih kola (čipova), uz neprekidno istraživanje mogućnosti njcgovog daljeg smanjivanja. Pri tome jc izvršena i unifi-
170
vojnotehniCki GLASNIK 2/2000.
Tabela I
kacija terminals, tako da se može koristiti kao univerzalni (standardni) interfejs za sve elektronske senzore, podsisteme i sisteme aviona.
Promene u domenu razvoja hardvera pratile su joŠ veće promene u domenu razvoja softvcra. Zahvaljujući tome vrlo moćan i relativno jeftini hardvcr, uz pri-menu savremenih algoritama i metoda programiranja, omogućio je razvoj moć-nih i ,,inteligentnih“ računara, sposobnih za brze procene različitih alternativa i donošenje optimalnih odluka. Razvoj vrlo sioženih algoritama veštačke inteli-gencije i njihova implementacija u elektronske sisteme aviona pružili su jedan potpuno novi kvalitet, i najviše doprineli izmeni uloge pilota savremenih aviona.
Kombinacijc postignutih i planiranih hardverskih i softvcrskih poboljšanja omogućiće realizaciju savremenih arhi-tektura elektronskih sistema aviona sa mogućnošću ostvarenja skoro svih po-stavljenih zahteva. Radi sagledavanja prednosti, tj. ostvarenih i planiranih po-boljšanja, arhitekturc savremenih elektronskih sistema aviona trcba posmatrati i analizirati kroz sledeća četiri segments (oblasti):
- fizičku arhitekturu,
- funkcionalnu arhitekturu,
- arhitekturu prenosa informacija,
- kontrolnu (upravljačku) arhitekturu.
Fizička arhitektura
Analize velikog broja različitih ti-pova postojećih elektronskih sistema aviona pokazale su da su mnoge potpuno identične funkcije, kod različitih proizvo-đača i različitih tipova sistema, raziičito realizovanc, kako u okviru pojedinih sistema, tako i u okviru pojedinih delova
Avionski sistemi (podsistemi) Zajedničke funkcije
A, A: Aj a4 At A* A? A« A*
Sistem upravljanja borbenim zadatkom (računarmisije) da da ne da ne ne da da da
Sistem upravljanja motorom da da da da da da da da da
Sistem upravljanja klimomchaničkim uslovima u kabini pilota da da da da da nc da da da
Si&tem upravljanja podvesmm sredstvima da da da da da nc da da da
Sistem registrova* nja paramctara leta da da da nc da da da da da
Sistem upravljanja komandama leta da da nc da ne da ne da da
Sistem elektronske zaStiie da da da da da ne da da da
Sistem vazduinih podataka da da ne nc ne ne da da da
A, - fuokcij* prof»ćun« (proccsiranj*).
A; - funkcija A/D konvcrzijc (ioterfej\a),
A) - funkcija D/A konvcrzijc (inlerfejsa).
A, - funkcija D/A upravljuja (kontrolc).
A) - funkcija dHkretnog konvcnora (interfcjia).
A** funkcija trek vent no-digiul nog konvcnora (intcrfepa).
A? - funkcija mcmomanja podauka (masovna mcmorija).
Aa - funkcija napajanja
A, - funkcija povezivanja posredMvom venjskc multopkk-snc magistral« podataka.
istih sistema (podsistema). Kao ilustracija velikog stepena ponavljanja avionskih funkcija, tj. velikog broja zajedničkih funkcija kod potpuno različilih avionskih sistema, u tabcli 1 prikazano je devet različitih funkcija kojc se pojavljuju go-tovo kod svih navedenih avionskih sistema. Ukoliko bi na prikazanu listu sistema dodali i sve ostale elektronske sisteme i podsisteme aviona, uočili bi još veći ste-pen ponavljanja zajedničkih funkcija. Kod danaSnje generacijc elektronskih sistema i podsistema aviona, svaka od navedenih zajedničkih funkcija realizo-vana je na drugačiji način, tj. na unikatno projektovanom hardveru i softveru (za iste funkcije različiti proizvodači koriste
vojnotchniCki glasnik 2/2000.
171
razlicita hardverska i softverska rešenja). Ovakva siiuacija nastala jc, pre svega, zbog toga što su svi dosadašnji projekti elektronskih .sistcma aviona bili zasno-vani na podsistemski orijcntisanoj arhi-tckttiri i linijski zamenljivim modulima (Line Replacement Unit - LRU), a ne na funkcijski orijentisanoj arhitekturi i funkcijskim zamenljivim modulima. Me-dutim. dugogodišnji napori za rcalizaciju potpuno standardizovanih hardverskih, interfejsnih, proraćunskih. upravljačkih i memorijskih modula. kao i modula napa-janja. doveli su do pojave višestruko upotrehljivih. funkcijski orijentisanih hardverskih modula. od kojih se vrlo brzo i lako inogu kreirati novi avionski sistemi i podsistenii. Zahvaljujući tome, biio koja zajcdnička funkeija može se vrlo brzo i jednostavno realizovati implcmcntacijom odgovarajndh standardnih softverskih modula u već postojcći standardizovani hurdver. Važno je istaći i to da ćc moguć-nost primenc fnnkcijskih modula u veli-kom broju različitih apiikacija doprineti znamom smanjenju cone elektronskih si-stema aviona.
Na slid 1 prikazana je struktura jednog standardnog procesnog (prora-ćnnskog) funkcijskog modula, realizova-nog na osnovu MIL-STD-1750A, a razvi-jenog u okviru programa razvoja aviona F-16.
Na ovakav naćin realizovane fizićkc arhitekture elektronskih sistcma i podsi-
StVMlankte tlmcfuifr -t’i>i)(r4m4kd rovmnnj*
Htivemm I'MOA _ _
iK,nli«iki t.-iwl i» *!■(•*. I u tmtnab
MooUfau to i htodfijiU
Mctiku pufcfcyc a iiabbi afcte od KM!
.KcguUux uuge /» KMI i cMi>u od KMP
NafM)M)c i URnali
St / - Siiiikiiito Mutulanlttoj; f>roti'.\nog Junkty-skog modula
m
sterna aviona omogućiće i znatno jedno-stavnije i jeftinije održavanje bududh aviona. Standardni moduli ugrađivaće se u, specijalno za njih projektovane, rekove avionike, a preko interfejsnih ploča, ugrađenih takode u rekove, i scrijskih magistrala podataka biće povezani sa svim ostalim clektronskim modulima. Dobro projektovana pogodnost za održa-vanje, tj. povoljan raspored rekova i njihova dobra pristupačnost omogućiće brz i lak pristup svim standardnim modulima radi njihove provere i/ili zamene. Na avionu će se koristiti veći broj rekova, pri čemu će u svakom od njih biti ugraden jedan do dva tipa standardnih funkeijskih modula. Stvarni broj rekova i modula zavisiće. pre svega, od konkretnog aviona i postavljenih operativnih zahteva. Re-kovi će u znatnoj meri smanjiti optereće-nja i oštećenja konektora i minimizirati medusobne veze izmedu modula, pošto ćc svi rekovi i moduli biti povezani preko scrijske, vremenski multipleksirane magistrate podataka. Svi moduli biće ugradeni u zatvorena i zaštićena metalna kućišta, ćime će se postići potpuna mehanička zaštita, kao i zaštita od elektromagnetnih smetnji. Radi ostvarenja optimainih tem-peraturnih uslova rada modula, svi rekovi biće klimatizovani, tj. hlađcni ili grejani (vazduhom ili pomoću tečnosti). Izgled jednog avionskog reka i pređnosti koje pružaju savremene fizičkc arhitekture aviona prikazani su na slid 2.
Sva osnovna poboljšanja, koja omo gućavaju savremene fizičke arhitekture elektronskih sistcma aviona mogu se su-mirati kroz znatno povcćanje performan-si, raspoloživosti i pouzdanosti aviona i znatno pogodnijc i jeftinije održavanje, $to je ostvareno kroz:
- maksimalno prilagodcnje arhitek-ture elektronskih sistema aviona postav-
vojnotf.hniCki glasnik 2/2000.
SI. 2 - Izgled avionskog rcka i prednoui savreme-nih fiziikih arhitekiura aviona
Ijenim zahtevima, uz ostavljanje moguć-nosti i za njihovo dodatno proSirenje;
- široku primenu standardnih više-struko upotrebijivih hardverskih i softvcr-skih modula;
- smanjeni broj integrisanih kola, vrlo velikog stcpcna integracije (VLSI) i vrlo velike brzine rada (VHSIC - Very High Speed Integrated Circuits), na ni-vou modula;
- mogućnost brze detekeije grcške i jednostavne zamene modula;
- znatno povećanje pouzdanosti pre-nosa i stabilnosti veza, zbog smanjenja broja veza i konektora;
- veliku širinu propusnog opsega op-tičke serijskc multipleksne magistrale po-dataka;
- mogućnost rekonfiguracije (pro-mene) borbenog zadatka u toku leta;
- znatno smanjenje prostora potreb-nog za ugradnju avionike;
- jednostavnije održavanjc i nižu kvalifikaeiju ljudstva za održavanje avionike.
Funkciortaina arhitekiura
Analiza fizičke arhitekture elektron-skih sistema aviona ukazuje na to da će
budući avioni sve vise biti zasnivani na funkcionalno, a sve manje na podsistem-ski orijentisanoj arhitekturi. Zbog toga, pri projektovanju i razvoju elektronskih sistema budućih aviona posebna pažnja mora biti usmerena na funkeije koje će se izvršavati u okviru zahtevanih borbe-nih zadataka. Medutim. kod funkcionalno orijentisane arhitekture pojedini fizički delovi aviona, kao što su senzori i izvršni organi neophodni za izvrSenje odredenih funkeija, neće ispoljavati bit-niji uticaj na projekat i arhitekturu fun-keijski realizovanih sistema. Funkeije sistema će se, u najvcćcm broju siučajeva. ostvarivati na osnovu ulaza dobijenih od senzora, algoritama korišćcnih u okviru funkeijski realizovanih modula i izvršnih (upravljačkih) mehanizama aviona. Pri tome, prikupljanje podalaka od senzora i njihova obrada izvodiće se tamo gde je to za konkretnu arhitekturu aviona naj-povoljnije, a ne kao do sada u okviru unapred odredenih i definisanih podsiste-ma. Osim toga, pri realizaeiji pojedinih funkeija senzori će se medusobno dopu-njavati i time povećavati njihove ukupne mogućnosti. Na primer, kombinaeijom podataka dobijenih od senzora za delek-ciju cilja, kao što su avionski radar, senzori elektronskog ratovanja (razni detek-tori cilja i signalizatori ozraCcnjn), 1C sistem osmatranja prostora ispred aviona (FLIR - Forward Looking Infra Red), laserski daijinomer i tragač označenog (markiranog) cilja (LRMTS - Laser Ranger Marked Target Seeker) i njihovom zajedničkom obradom, postid ee se znatno bolje performanse detekeije ci-Ijeva nego sa bilo kojim pojedinaćnim senzorom. Osim toga, ovakva komhina-cija senzora podataka pruža mogućnost da se neki senzor u pojedinim. za njega optimalnim situaeijama i uslovima. koristi
VOJNOTEHNIĆK1 GLASN1K 2/2000.
173
znatno intenzivnije u odnosu na druge senzore. Kombinacija senzora u znatnoj meri će doprineti povećanju pouzdanosti izvršenja borbenih zadataka, jer otkaz nekog od senzora neće ugroziti izvršenje zadatka već samo smanjiti tačnost i pou-zdanost izvršenja neke funkcijc.
Funkcionalna arhitektura elcktron-skih sistema aviona u znatnoj meri <$e smanjiti i psihofizičko opterećenje pilota, poSto će visokointegrisana pilotska kabi-na, sa maksimalnom automatizacijom funkcijc upravljanja i prikazivanja, omo-gudti piiotu da se maksimalno koncen-triše na izvrSenje borbcnog zadatka i operativne i taktičke procene mogućnosti aviona, zasnovane na mogućnostima elektronskih sistema aviona.
Funkcionalno orijcntisana arhitektura avionike. u odnosu na podsistemski orijentisanu arhitekturu, omogućiće i znatna poboljšanja u pogiedu raspoloži-vosti sistema. To se oglcda u tome što će se obezbediti takvo izvrSenje svih, a po-sebno po bezbednost leta kritičnih funkci-ja, da u siučaju otkaza jednog od standar-dnih modula, ncki drugi (rezervni) modul automatski („on-line”) preuzme njegovu funkciju. Pri tome se, optimalnim redun-dovanjem modula može postid velika raspoloživost avionike, odnosno aviona u celini.
Funkcionalno orijentisana arhitektura pospešiće i razvoj opštih (zajednič-kih) algoritama koji će u potpunosti biti podržani opštim (zajedničkim) hardver-skim modulima. Standardizacijom i unifi-kacijom softvera realizovaćc se standards softverski viSestruko upotrebljivi moduli, koji će u znatnoj meri smanjiti cenu razvoja i održavanja softvera.
Funkcionalno orijentisana arhitektura avionike eliminisaće i dosadašnju tendenciju, prisutnu kod svih podsistem-
ski orijentisanih arhitektura, da pojedini podsistcmi i uredaji nekog sistema budu međusobno fizički što bliže ugrađeni. Osim toga, nova arhitektura avionike sa standardnim (višestruko upotrebljivim) hardverskim i softverskim modulima pruža mogućnost da otkaz nekog od modula vrlo lako bude softverski prevaziden prebacivanjem njegove funkcijc na neki drugi sličan ili potpuno identični (rezervni) modul. Pri tome, distribucija i relo-kacija obrade, radi izvršcnja odredene funkcije, može id od jednostavnih prora-čunskih modula do vrlo složcnih opštih (zajedničkih) modula i paketa obrade signala.
Funkcionalnim pristupom projekto-vanju arhitektura elektronskih sistema aviona u znatnoj meri će se povećati i pouzdanost svih, a posebno, po bezbednost leta, kritičnih funkeija aviona. Ugra-deni testovi (BIT - Built In Test) na nivou svakog modula pružiće mogućnost lake i brze detekeije greške, a upravljački (kontrolni) softver sistema omogudće lako i brzo prebacivanje neke funkcije sa neispravnog na ispravan modul, vrlo sli-čan ili identičan prethodnom.
Primer funkeijski organizovane arhi-tekture elektronskih sistema aviona pri-kazan jc na slici 3.
Arhitektura prenosa informaeija
Za razmenu podataka izmedu poje-dinih globalnih funkeija koristiće se is-ključivo digitalne multipleksne magistrate podataka (upredene parice bakame žice ili optički kablovi), sa radom po proto-kolu 1553B. Razmena podataka izmedu modula pojedinih funkeija i potfunkeija sve vise će se obavljati posredstvom pre-kidačkih komunikaeijskih mreža, a sve manje posredstvom serijskih multiplek-
174
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 2/2000.
Funkcija detekcije cilja
Funkcija komunikacijc i navigacije
Funkcija upravljanja elcktromchaničkim
sistemima
Funkcija upravljanja podvcsnim srcdstvima
Ubojna srcdstva (Top, Bombc, Rakctc)
r
1 J
Podvesni rczcrvoari goriva Elekironska oprema u podvcsnicima
Funkcija upravljanja prikazivanjem (intcrfejs pilot-avion)
Funkcija elektronskog ratovanja
SI. 3 - Funkcijski organizovana arhitcktura eleklronskih sistema aviona
snih magistrate podataka. Na taj način potpuno će se izbaciti iz upotrebe snopovi provodnika i klasični koncktori, i elimini-sati hiljade mehaničkih spojeva korišće-nih kod ranijih i današnjih podsistemski orijentisanih eiektronskih sistema aviona. I ako su kod ranijih generacija aviona postojed snopovi provodnika sa klasič-nim konektorima omogućavali relativno iaku i brzu demontažu i zamenu modula
(blokova) koji su otkazali, zbog izuzetno velikog broja postojedh spojeva kod njih je postojala velika verovatnoća otkaza, tj. bila je smanjena pouzdanost i pove* ćana složenost održavanja.
Na slid 4 prikazan je primer arhitck-ture jednog elektronskog sistema aviona sa multipleksnom serijskom magistralom podataka, koja, u stvari, predstavlja sa-vremeni inercijalni navigadjski sistem
vojnotehniCki glasnik 2/2000.
175
pC
1 CD
CD
CD
GD
• samoiestiranje na nivou modula, * standardni intcrfcjsi.
EMP
pC
pC PS PS PS SV
pp
Scrijska magistraia podataka
SI. 4 - Primer arhitekture elektronskog sistema aviona:
C - mikroproccsoreki modul, AD - modul analognOHligittlne konversje. DA - modal digiialno-vutognc konverzije. CD - modal žinKlmća, TC - modul lempcntume kompera*cije. SSS - modul sinhronuadie sinhro signals. PS - modul brztnc. EMI - modal elektromagnrtne intcrfcrcncije. EMP - modul elektromagnctnih unetnji. Zc - ksraktemiitoa impcdnnu magistrate podataka
realizovan od standardnih hardverskih i softverskih modula i povezanih posred-stvom multipleksne serijske magistrate podataka. Prikazani standardni moduli su višestruko upotrebljivi, a njihovom kombinacijom vrlo lako se mogu kreirati različiti sistemi avionike. Radi što većeg pojednostavljenja projekta i omogućava-nja potrebne razmene podataka u okviru sistema, neophodno je da se u svim mo-dulima koristi isti standard digitainog multipleksnog komunikacijskog inter-fejsa.
Od dve moguće arhitekture prenosa informacija, izmedu modula unutar neke funkcije (sistema) i između funkcija (sistema), koje čine prekidačke komunika-cijske mreže i magistrate podataka, kod budućih elektronskih sistema aviona prednost se daje prekidačkim komunika-cijskim mrežama. Ove mreže omogućiće
dinamičko prcključenje komunikacija po principu od tačke-do-tačke, tj. između bilo koja dva modula unutar neke funkcije ili bilo koje dve funkcije u okviru integrisanih elektronskih funkcija (sistema) aviona. Osim toga, prekidačke mreže omogućiće i uspostavljanjc više-strukih linkova, uz brzu detckciju i izola-ciju grešaka u prenosu i rekonfiguraciju prenosnih puteva između bilo koje dve komunikacijske tačke, čime će se u znat-noj meri povećati pouzdanost prenosa. Đuduće arhitekture prenosa informacija ostvariće se posredstvom strogo definisa-nih komunikacijskih mreža i samo jednog multipleksnog terminala po računaru. Osim toga, arhitekture prenosa informacija sa prekidačkim mrežama mogu se potpuno proširiti, tako da se preko njih mogu prenositi i nedigitalne (analogne) informacije, kao što su video signal!, RF signali i signali napajanja.
176
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2000.
Kod potpuno funkcionalne arhitek-ture avionike distrubucija svih informa-cija (signaia) mora biti u potpunosti koor-dinirana sa razmenom digitalnih informa-cija. Osim toga, kod prekidačke mrežc mora postojati i jedan opšti (zajednički) kontrolni mehanizam, zadužen za kon-trolu i koordinaciju prenosa, kao i kon* trolu reguiarnosti dizajna funkcija (siste-ma) i mreže.
Savremene muitipleksne mreže ovog tipa projektovane su za razmenu digital* nih i video informacija. Pri realizaciji ovih mreža korišdene su savremene preki-dačke tehnike prevazilaženja otkaza, kako bi se obezbedio pouzdani prenos podataka neophodnih za upravljanje br* zim digitalnim podacima, kao i video signalom širokog propusnog opsega. Kod danaSnjih, za to projektovanih mreža ko-riste se udaijeni terminali snage od 1 do 4 W, realizovani od čipova izradenih u tehnologiji VLSI.
Kontrolna (upravljačka) arhitektura
Radi obezbedenja zahtevane pou-zdanosti i efikasnosti rada, bududi sve složeniji avionski elektronski sistemi za* htevade i sve složenije kontrolne (uprav-Ijačke) mehanizme. U opštem sludaju kontrolni mehanizmi arhitektura avion* skih elektronskih sistema, kao i njihove integrisane arhitekture, mogu biti centra* lizovani, decentralizovani (distribuirani) i kombinovani (delom centralizovani a delom distribuirani). Arhitekture pre-nosa informacija sa prckidačkim mreža-ma, razvijane za bududc elektronske si* steme aviona, pružaju vrlo povoljne us* love za implementaciju distribuirane kon-troie (upravljanja), kao i bilo koje kombi-nacije centraiizovane i distribuirane (lo* kalne) kontrole. Međutim. postizanje što
boljih performansi i što veće efikasnosti bududih elektronskih sistema aviona za* htevaće veliki stepen njihove lokalne au-tonomije, kako bi se Što veći broj funkcija izvršavao istovremeno (paralelno). U ta-kvoj situaciji, kontrolne arhitekture tih sistema, kao i njihove integrisane arhitekture, bide realizovane kroz nekoliko ni-voa kontrole.
Na najviSem nivou („top-level”) na-ćiće se kontrola izvršenja borbcnog za-datka koja de, uz veliku primenu aigori-tama veStadke inteligencije, biti dode-Ijena pilotu aviona.
Na slededem nivou kontrolisadc sc izvrSenje pojedinadnih funkcija, pri demu svaka od njih može obuhvatiti jedan ili viSe senzora i izvršnih mehanizama. Na ovom nivou, autonomnost rada i kontrole bide dopuštena onoliko dugo koliko su aktivnosti koje se izvode na ovom nivou u skladu sa ostvarenjem tekudeg borbe* nog zadatka, tj. u skladu sa najvišim („top-level”) nivoom kontrole. Medutim, u sludaju promene tekudeg borbenog zadatka došlo bi do automatske promene funkcija koje sc izvršavaju, a samim tim i programa kontrole borbenog zadatka i funkcija. Ovakva podela kontrolne arhitekture na višc nivoa, omogudide mnogo bolju i bržu reakciju na promene tekudeg borbenog zadatka, pošto de distribuirani kontrolni mehanizmi omoguditi paralelnu kontrolu svih tekudih funkcija i potfun* kcija, dok de se samo mali deo te kontrole obavljati centralizovano. Međutim, i na ovom nižem stepenu kontrole neophodna je opscžna primena algoritama veštačke inteligencije kako bi se, za potrebe višeg nivoa kontrole, napravile što bolje pro-cene prispelih informacija i donele 5to bolje (optimalne) odluke.
Imajudi u vidu da se pojedine fun* kcije mogu deliti na potfunkcije, pa i
vojnotehniCki GLASNIK 2/2000.
177
daijc (na pot-potfunkcije), jasno jc da se pri ovom načinu kontrole može usposta-viti više nivoa, pri čemu bi svaki nivo funkcionisao pod kontrolom hijerarhijski višeg nivoa.
Za obezbedenjc (podrSku) svih reali-zovanih nivoa kontrole koristiće se sku-povi opštih (višcstruko upotrebljivih) kontrolnih softverskih modula, kao i sof-tverski moduli izvršne kontrole, realizo-vani u skladu sa zahtevima konkretne potfunkcije, funkcije ili borbenog zadat-ka. Medutim, radi postizanja zahtevane pouzdanosti izvršcnja ncke potfunkcije, funkcije i)i borbenog zadatka, svi koriš-ćeni opšti i izvršni softverski moduli mo-raju biti dobro istestirani. Zbog toga će kod budućih funkcijski realizovanih elek-tronskih sistema aviona. arhitektura nji-hove kontrole biti zasnivana na što većem stcpenu samokontrolc (samotestiranja) hardvera i softvcra, na nivou modula (štampane ploče), čime će se, uz dina-mičku rekonfiguraciju sistema (prouzro-kovanu otkazom nekog od modula) obc-zbcditi zahtevana pouzdanost rada sva-kog sistema, kao i zahtevana raspoloži-vost aviona u celini. Pri tome će neki standardni hardverski modul, kao što je interfejs scrijske vremenski multipleksi-ranc magistrale podataka, biti pogodan za centraiizovano testiranje modula u okviru nekog sistema, dok će tehnologije integrisanih kola vclikog stepena integrate i visoke gustine pakovanja omogućiti realizaciju specijalnih Čipova za samote-stiranje koji će biti implementirani u svaki standardni modul sistema.
PoŠto će se gotovo sva testiranja izvoditi u toku lcta aviona, svi otkazi koji se pojave morale biti odmah dctektovani, registrovani i na što brži način prevaziđe-ni. Osim toga, korišćenje ugrađenih te-stova (BIT) u okviru modula, kao i ..on-li-
ne‘‘ kontrole rada (kontrole u toku rada) modula i sistema, omogućiće znatnu uštedu vremena. tj. smanjenje ukupnog vremena kontrole, što je vrlo bitno za vremenski kritičnc funkcije. Ovakve uštede vremcna proccsiranja pružiće mo-gućnost prevazilaženja otkaza (tj. dina-mičke rekonfiguracije hardvcrskih i softverskih modula radi realizacije tckućeg borbenog zadatka i njegovih funkcija), koja uz registrovanje nastalih otkaza pruža mogućnost za realizaciju ideje „od-loženog održavanja“. To znači da. uko-liko sistem bude imao hardvcrskih i softverskih mogućnosti za prevazilaženje jednog ili višc otkaza istc ili različite vrste, neće biti potrebno korektivno od-ržavanje (zamena neispravnog modula) odmah nakon leta, tj. između dva bor-bena zadatka, već se taj posao može uraditi i na prvom narednom periodič-nom (nedeljnom) pregledu. Osim toga, ugrađeni algoritmi veštačke inteligencije obezbediće izuzetno visoku verovatnoću dctckcijc ncispravnih modula. To će omogućiti automatsku identifikaciju i lo-kaciju otkaza i jednostavnu i brzu zamenu neispravnih modula. Ovakva koncepcija održavanja budućih aviona znatno će po-većati njihovu raspoloživost. a smanjiti broj ljudstva angažovanog u I, II i III stepenu njihovog odnžavanja.
Zaključak
Izloženi pristup projektovanja budu-ćih avionskih elcktronskih sistema, sa stanovišta fizičke i funkcionalne arhitek-ture, kao i arhitekture prenosa informa-cija i kontrole, predstavlja preduslov u obczbeđenju performansi zahtevanih od budućih elektronskih sistema aviona. Osim toga, ove arhitekture omogućiće i znatno poboljšanje performansi. raspo-
178
VOJNOTEHNIĆKI OLASNIK 2/2000.
loživosti i pogodnosti za održavanje bu-dućih elektronskih sistema aviona, odno-sno aviona u celini. Tehnološka (hardver-ska i softverska) poboljšanja, neophodna za ostvarenje prethodno navedenih po-boljšanja, praktično su gotovo postignuta i treba ih samo dobro iskoristiti, tj. na najbolji mogući način implementirati i integrisati.
Nove arhitekture elektronskih si-sterna aviona ispoljžće veliki uticaj na mesto i ulogu pilota i ljudstva za njihovo opsluživanjc i održavanje, kao i na ncop-hodnu akvizicijsku opremu. Promenc će nastati, pre svega, u načinu obučavanja pilota i u načinu izvodenja borbenih zada-taka, pošto će novorazvijeni interfejs pi-lot-avion sve više stavljati pilota u ulogu sistem-menadžcra, a sve manje u dosada-šnju ulogu neposrednog koordinatora i integratora funkeija pojedinih sistema i podsistema. Velike promene nastaće i u pogledu opsluživanja i održavanja aviona, poSto će veštačka inteligencija, imple-mentirana u sve sisteme, u znatnoj men pojednostaviti i skratiti njihovo preven-tivno i korektivno održavanje, a samim tim smanjiti i broj potrebnog ljudstva za opsluživanje i održavanjc, pojednostaviti njihovu obuku i smanjiti potrebnu is-pitno-mernu opremu i alat.
Savremeni način projektovanja arhi-tektura elektronskih sistema aviona do-vešće i do zaustavljanja dugogodišnjeg porasta i znatnog smanjenja cene elektronskih sistema aviona. To će se postići standardizaeijom hardvera i softvera, tj. realizaeijom višestruko upotrebljivih har-dverskih i softverskih modula, koji će zbog smanjenja asortimana i poveianja
količine u znatnoj meri smanjiti cenu današnjih elektronskih sistema aviona. Razvoj specifičnih modula senzora i izvr-šnih organa i funkcijskog softvera, uz korišćenje opštih (višestruko upotrebljivih) hardverskih i softverskih modula, omogućiće uspešnu realizaeiju bilo koje funkeije, a samim tim i borbenog zadatka.
Smanjcnje asortimana opštih i speci-fičnih hardverskih i softverskih modula dovešće do drastičnog smanjenja broja sadašnjih velikih proizvođača avionike, kao i posrednika u njenoj nabavci i ispo-ruci, što će, takođe, uticati na dodatno smanjenje cene modula.
Očigledno je da jc ideja o realizaciji savremenih funkeijski realizovanih elektronskih sistema aviona tehnički izvodlji-va, i da već predstavlja veliki izazov za sve projektantc avionike i aviona u celini. Za razliku od dugogodišnjih vrlo malih i sporih promena kod sistemski i podsi-stemski orijentisanog pristupa u projekto-vanju elektronskih sistema aviona, prcla-zak na funkcijsku realizaeiju avionike predstavlja revolucionamu tehnološku promenu, koja će omogućiti znatna po-boljšanja performansi, raspoloživosti i pogodnosti za održavanje uz znatno smanjenje cene.
Literature:
[1] Morgan. D. R.: Air force aright aeronautical laboratories. Avionics laboratory. Wright-Patterns air force base. Pave pace: System avionics for the 2IU century. Ohio 198$.
[2] Simić. D.: Pnkazivanje parameters i uanja koddittnbuiranih procesorskih sistema aviona. Univerziict u Bcogradu - ETF. 1991.
[3] Advisoru Croup for Aerospace Research and Development (AGARD). Cofcrcnce proceedings No. 343. Advanced concepts for avionics/weapon s)«cm design, development and integration, apnl 1983.
VOJNOTEHN1ĆKI GLASNIK 2/2000.
179
