CC BY
144
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 629.7.05
Д. В. ХАКИМОВ, С. К. КИСЕЛЁВ
ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (окончание)
Представлен процесс формирования и развития современных комплексов бортового оборудования. На примере характеристик вычислительных устройств, используемых в последние десятилетия, показана эволюция бортовых компьютеров и представлена информация о некоторых из них. Показан процесс исторического формирования основных типов архитектур комплексов бортового оборудования летательных аппаратов, этапы их развития. Описаны основные проблемы проектирования комплексов бортового оборудования для каждого типа архитектуры. Сформулированы основные направления проектирования комплексов бортового оборудования.
Ключевые слова: комплекс бортового оборудования (КБО), независимая архитектура, федеративная архитектура, интегральная модульная авионика, бортовая вычислительная система.
Фактически разработчиками БЦВМ велась работа по изменению физических параметров ЕС ЭВМ с целью их применения на борту ВС. Итогом этой работы стало появление проблемно-ориентируемой с изменяемой системой команд архитектуры (ПОИСК). Из-за наличия жёстких ограничений на физические характеристики бортовых БЦВМ, не удавалось уйти от необходимости специализации системы команд к особенностям системы управления. Опыт применения архитектуры ПОИСК в последующие года показал, что при условии идентичности элементной базы, БЦВМ, построенные на её основе, превосходят обычные одноадресные архитектуры по производительности в 1,5-2,5 раза, а по компактности кода - в 3-5 раз. Это особенно актуально для авиационных вычислительных машин с жёсткими массогабаритными ограничениями. На основе архитектуры ПОИСК были созданы следующие БЦВМ третьего поколения: «Ц100», «Ц101», «Ц102». Они успешно эксплуатируются в бортовых системах самолётов МиГ-29, Су-27, Су-25 и их модификациях, а также в составе оперативно-тактических комплексов.
При проектировании данных БЦВМ первостепенное внимание было уделено адаптации под серийное производство, то есть снижению их трудоёмкости и стоимости, обеспечению контроле- и ремонтопригодности и
© Хакимов Д. В., Киселёв С. К., 2017
удобству эксплуатации, а также реализации возможности межвидового применения без необходимости доработки.
В качестве примера ниже представлены основные технические характеристики БЦВМ «Ц101»:
• разрядность данных - 16 бит;
• разрядность команд - переменная;
• быстродействие - 400 тыс. оп/с;
• ёмкость ОЗУ - 16 Кбайт;
• ёмкость ПЗУ - 128/256/384 Кбайт;
• количество каналов ввода-вывода по ОСТ 11.305.903-80 - 1 или 2 с пропускной способностью - 400-800 Кбайт/с;
• количество входных/выходных линий по ГОСТ 18977-79 - 24/16;
• количество разовых входных/выходных команд по ГОСТ 18977-79 - 10/10 или 8/6;
• наработка на отказ - 1000 ч;
• масса - 19 кг;
• потребляемая мощность - 260 Вт.
Внешний вид БЦВМ «Ц101» представлен на
рисунке 4.
Если провести сравнение первых БЦВМ третьего поколения и более поздних, например, БЦВМ «Орбита-20» и «Ц101», то можно видеть существенные отличия. Производительность «Ц101» в два раза выше, чем у «Орбиты-20». Существенно изменился объём ОЗУ и ПЗУ, более чем на один порядок. Сложность ПО, поддерживаемого последними разработанными БЦВМ третьего поколения, во много раз сложнее,
Рис. 4. БЦВМ «Ц101» образца 1991 года, производства НИИ «Аргон»
чем была в 70-е годы 20-го века. Параметры надёжности так же возросли, в среднем в два раза.
На фоне столь солидного увеличения производительности БЦВМ стоит обратить особое внимание на факт сокращения потребляемой мощности. «Орбита-20» в процессе работы потребляет 1.5 кВт электроэнергии, в то время как «Ц101» всего лишь 260 Вт, а модификация «Ц100» образца 1983 года потребляет 275 Вт. К тому же масса БЦВС сократилась со средних 100 кг до уровня 20 кг и меньше.
На третьем поколении процесс эволюции БЦВМ не остановился. АО «ОКБ«Электро-автоматика» в 1980 году выпустила в серийное производство «БЦВМ 80-3000». Эта вычислительная машина имеет одно очень важное принципиальное отличие, она основана на магистрально-модульном принципе. Именно применение магистрально-модульного принципа является отличительной чертой четвёртого поколения БЦВМ. Заметим, что вычислители четвёртого и более поздних версий третьего поколения стали называть не машинами, а бортовыми цифровыми вычислительными системами (БЦВС).
Магистрально-модульная архитектура БЦВС позволяет реализовать принцип открытой архитектуры, что даёт возможность без особых трудностей вводить в состав БЦВС дополнительные модули. Эта технология перешла в БЦВС из стационарных ЭВМ типа «СМ 4» и «М6000». Отметим, что «БЦВМ 80-3000» имела совместимую систему команд с этими ЭВМ. Кроме применения принципа совместимости с системой команд универсальной цифровой вычислительной машины, было применено такое конструктивно-
Рис. 5. «БЦВМ 80-4000» образца 1980 года, производства АО «ОКБ «Электроавтоматика»
технологическое решение, как микропроцессорные сборки. Это позволило снизить масса-габаритные характеристики БЦВС и снизить энергопотребление. Данная БЦВС применялась в основном на лёгких самолётах как встроенная в составе инерциальных систем, систем управления оружием и систем индикации. Немного позже, в 1980 году, для тяжёлых самолётов и систем контроля и управления силовыми установками Ту-204 и Ил-96 была разработана «БЦВМ80-4000». Внешний вид БЦВМ «БЦВМ 80-4000» представлен на рисунке 5.
Одной из последних БЦВС четвёртого поколения является «БЦВМ 90-600». При её проектировании была использована технология применения ИМС высокой степени интеграции и обеспечена функциональная модульность вычислителя. Данная БЦВС была спроектирована в 1996 году и применялась в качестве вычислителя управления полётом, тягой и устойчивостью на ТУ-204/214, Ил-96.
Проведя обзор характеристик БЦВС третьего и четвёртого поколений, отметим, что дальнейшее развитие авиаприборостроения направлено на повышение функциональности и производительности вычислителей универсального типа. Применение вычислителей именно универсального типа позволяет создать наиболее оптимальную конфигурацию оборудования, обладающую такими важными свойствами, как:
• скоростной обмен данными между вычислителями;
• параллельная работа вычислителей в многофункциональном режиме обработки информации;
• гибкость аппаратной платформы под требования конфигурации ПО;
• открытая архитектура АО и ПО комплекса.
Анализируя возможности создания сетей обмена данными на примере БЦВС «Орбита-20» и последующих моделей третьего и четвёртого поколений, видно, насколько возросло количество интерфейсов обмена данными. «Орбита-20» не была пригодна для создания КБО с широко развитой структурой межсистемных связей. Первыми БЦВМ, которые поддерживали возможность скоростного обмена данными между вычислителями, являются БЦВС серии «Ц100», которые имели более трёх десятков каналов ввода-вывода по ГОСТ 1897779. С течением некоторого времени разработчики смогли не только обеспечить возможность создания развитой структуры межсистемного обмена, но и реализовать функцию параллельной согласованной работы нескольких БЦВС. Технология параллельной работы вычислителей позволила в значительной степени увеличить производительность систем комплекса. В результате чего разработчики при проектировании ПО смогли применять гораздо более эффективные алгоритмы обработки данных. Качество выполнения функций КБО системами возросло. Общее повышение функциональных, скоростных и точностных характеристик комплекса позволило повысить тактико-технические характеристики ВС.
Возможности, которые предоставляет разработчикам авионики БЦВМ четвёртого поколения, огромны. При рассмотрении функциональных задач на уровне системы требования к АО удовлетворены полностью. Однако за последние 20 лет применения БЦВМ в рамках системно-ориентированного проектирования стало ясно, что дальнейшее развитие КБО не может продолжаться, опираясь на принципы построения федеративной архитектуры. Причиной этого стало постоянно растущее стремление к усовершенствованию качественных и эксплуатационных характеристик современных высокоманевренных ЛА, следствием чего стало увеличение количества функций комплекса и ужесточение требований к их выполнению.
В ходе многочисленных разработок КБО второго типа изменялись не только характеристики БЦВС. Огромные нагрузки на экипаж ВС привели к формированию большого количества автоматических и автоматизированных инструментов помощи и даже замещения пилота в процессе полёта. Система, взявшая на себя большую часть таких функций комплекса, называется системой автоматического пилотирования (АП). Первые АП выполняли только функции стабилизации полёта ВС. Постепенно функциональность АП
возросла, и сейчас даже такие функции, как полёт по заданному маршруту, автоматические взлёт и посадка ЛА, стали обыденными. Современные системы АП способны производить полёт по заданному маршруту или более сложной траектории (например, при выполнении боевой задачи), используя пилотажно-навигационную информацию от группы собственных датчиков, систем комплекса, наземных радионавигационных средств [5]. Встречаются системы АП, способные согласованно управлять группой ВС. Это АП военного назначения, которые поддерживают функцию выполнения боевых задач двумя ВС или в составе большей группы, постоянно обмениваясь тактической информацией по радиоканалам, вырабатывая тактику совместных действий и выполняя полётное задание в автоматическом или полуавтоматическом режимах. Подсистема траекторного управления ЛА позволяет выполнять заходы на посадку с высокой точностью без вмешательства экипажа.
Кроме систем АП серьёзные изменения коснулись и рабочего поля кабины ВС. Изменениям подверглась практически вся эргономика кабины и уклад процесса управления полётом [4].
При использовании КБО первого типа индикация информации производилась при помощи электромеханических шкал [5]. Каждая система комплекса была оборудована своим собственных указателем и набором органов управления. Количество указателей практически соответствовало количеству систем в составе КБО. Подобная организация рабочего поля кабины ЛА поддерживалась практически до 80-х годов 20-го века. Проблемы такого подхода стали актуальны тогда, когда ввиду усложнения структуры КБО количество указателей и органов управления стало настолько велико, что приходилось геометрически увеличивать пространство кабины и вводить в состав экипажа дополнительных людей. Так к 1980-му году органами управления и указателями в кабине была занята не только вся панель приборов, но и боковые панели, потолочные панели. В состав экипажа, кроме двух пилотов, дополнительно входили штурман, бортинженер, радист. Вскоре увеличивать рабочее поле кабины стало невозможно, как и наращивать численность экипажа. Тогда разработчики начали прибегать к использованию комбинированных шкал, модифицировали линейные указатели в круглые и т. д. КБО такого типа использовался на самолёте Ту-154.
Несмотря на все старания разработчиков увеличение сложности двигательных установок ЛА, внедрение множества гидравлических и других систем неизбежно вело к дальнейшему увеличению органов управления и указателей.
Для решения сложившейся ситуации требовалось внедрение принципиального нового подхода. Таким подходом стало применение индикаторов на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в 1980-х годах. ЭЛТ стали основой формирования рабочего пространства кабины. Возможность комплексного отображения множества шкал в совокупности с возможностью смены кадра на индикаторе позволили за кратчайший промежуток времени сократить количество шкал в кабине в несколько раз.
Отметим, что внедрение ЭЛТ без наличия БЦВМ, позволяющих создать достаточно высокий уровень межсистемного обмена данными, было бы невозможно. Совокупность БЦВС и ЭЛТ индикатора, объединённых в одном конструктиве, получила название системы электронной индикации (СЭИ) [5].
Многочисленные органы управления, такие как клавиши, тумблеры, кнопки, рычаги и т. д. стали выполняться в виде многофункциональных пультов управления (МФПУ). МФПУ применялись в основном для управления системами ЛА, требующими сложной настройки. С их помощью, например, вводят и корректируют план полёта, осуществляют настройку частот радиотехнических систем. Такие пульты могут иметь в своём составе клавиатуру и экран. На базе ЭЛТ и МФПУ была произведена модернизация множества уже эксплуатируемых КБО. В качестве примера одного из первых комплексов, где были применены данные технологии, можно рассматривать КБО самолёта «Вое^-737».
Дальнейшее развитие средств индикации в последующее десятилетие продолжалось в направлении наиболее качественной организации рабочего поля индикаторов. В результате система СЭИ приобрела стандартную комплектацию из двух индикаторов, один из которых предназначен для отображения пилотажной информации, а второй — для отображения навигационной информации. Группа СЭИ из пилотажного и навигационного индикаторов устанавливается для каждого из пилотов ВС.
Наряду с развитием системы СЭИ происходило развитие и становление комплексной информационной системы сигнализации (КИСС). Назначение данной системы - это отображение информации об исправности бортового оборудования, состоянии двигателей и общесамолётных систем. КИСС комплекто-
вались своим индикатором, где в нормальном режиме работы отображались параметры работы двигателей. На этот индикатор пилот мог вывести подробную информацию по любой из систем комплекса.
В современных КБО системы СЭИ и КИСС объединены в одну комплексную систему электронной индикации и сигнализации (КСЭИС). Такая система обладает большей гибкостью в отношении представления информации и имеет меньшие массогабаритные характеристики за счёт объединения вычислителей.
Следующим инновационным шагом стало внедрение технологии жидкокристаллических индикаторов (ЖК). Эта технология позволила значительно уменьшить массогабаритные характеристики КСЭИС, в частности,более всего была уменьшена глубина монтажа в приборную панель. ЖК панели пришли на смену индикаторам, основанным на технологии ЭЛТ, в двухтысячных годах. Первые ЖК панели имели маленькую диагональ монитора и не могли применяться в качестве основных индикаторов. Однако развитие технологии ЖК панелей происходило очень стремительно, и уже вскоре все ЭЛТ мониторы были заменены на ЖК панели. Сейчас ЖК панели, применяемые на борту ЛА, достигают диагонали в 21 дюйм.
Таким образом, в результате многочисленных ОКР по проектированию КБО второго типа структура комплекса, внутренний вид кабины ВС и другие многочисленные аспекты конструкции приобрели типовой облик и строение. КБО стали характеризоваться продуманной эргономикой, высоким уровнем функциональности, удобством эксплуатации и обслуживания. Несмотря на все достижения авиаприборостроительной промышленности, КБО второго типа полностью требованиям разработчиков ВС и конечных потребителей не отвечают.
С точки зрения разработчика ВС КБО второго типа обладают следующими серьёзными недостатками:
• высокая стоимость;
• высокая стоимость процесса проектирования;
• длительный цикл разработки;
• уникальность КБО по отношению к ВС.
Если говорить о недостатках с точки зрения
конечного потребителя, то они следующие:
• для обеспечения оперативного ремонта КБО требуется иметь в запасе практически полный набор систем, входящих в состав комплекса;
• КБО различных ВС состоят из уникальных систем и не могут быть донорами друг для друга;
• удобство интерфейса кабины современных КБО имеет в основном средний уровень.
Внедрение многочисленных систем, например, таких как: система предупреждения приближения земли, система предупреждения критических режимов, система предупреждения о грозе, система предупреждения о сдвиге ветра, система сбора и локализации отказов - привело к значительному увеличению количества систем в составе КБО. Вместе с ростом количества систем в составе комплекса появились тенденции снижения его надёжности и усложнения процесса разработки.
Подводя итоги обзора КБО второго типа, можно сказать, что в рамках федеративной архитектуры за последние 30 лет структура комплексов сильно изменилась. Коренные изменения коснулись как архитектуры построения БЦВС, так и систем, и всего комплекса в целом. Внутренняя эргономика кабины ВС за счёт внедрения систем КСЭИС и МФПУ приобрела совершенно иной облик. Функциональность комплексов вышла на новый, ранее недостижимый уровень. Эволюция КБО обеспечила рост эффективности применения ВС.
Построение КБО на основе федеративной архитектуры фактически продолжается и по сей день. Для проектирования применяются БЦВМ четвёртого поколения, основанные на подходе комбинирования специализированных и унифицированных процессорных модулей. Расширение функциональности КБО достигается ростом количества систем в его составе. Практически линейная зависимость масштабирования функциональности КБО от количества систем в его составе, как и раньше, является очевидной проблемой.
Аналогичная проблема уже возникала на рубеже 80-х годов 20-го века при проектировании КБО первого типа. Переход к КБО второго типа и появление мощных БЦВМ позволили значительно уменьшить массогаба-ритные характеристики АО и повысить его производительность, таким образом, сделав эту проблему не актуальной на долгие годы.
Выход из сложившейся ситуации возможен благодаря постепенному внедрению
архитектуры ИМА.
Интегральная модульная архитектура авионики
Интегральная модульная архитектура авионики - это такая организация структуры авионики, при которой АО комплекса представлено группой датчиков, группой индикаторов и
сигнализаторов и единым вычислительным блоком - крейтом. Функций реализованы в качестве программных приложений, разделяющих общие вычислительные ресурсы крейта.
Далее по тексту КБО, построенный на основе архитектуры ИМА, будем называть«КБО третьего типа».
Концепция ИМА подразумевает полную централизацию вычислительных функций КБО на одном вычислительном ядре. Всё оставшееся оборудование комплекса (периферийное отно-сительнокрейта) располагается в зависимости от требований к его месторасположению на борту ЛА. Периферийным оборудованием будут считаться:
• Индикаторы отображения информации;
• Пульты управления;
• Комплект датчиковой аппаратуры;
• Комплект радиосвязного оборудования;
• Комплект аппаратуры радиолокационного оборудования;
• Комплект радионавигационного оборудования;
• Общесамолётное оборудование ЛА.
В КБО второго типа индикаторы отображения информации являются частью системы КСЭИС, которая производит приём данных, их подготовку и формирование изображения. В КБО ИМА функции вычислителя выполняются крейтом, в результате чего индикатор становится аналогом монитора обычного персонального компьютера.
Расположение датчиковой аппаратуры и антенн определяется конструкцией ЛА. Это обусловлено требованиями реализации физических процессов. Количество датчиков может варьироваться в зависимости от типа ЛА, его назначения и лётных характеристик. Роль системы воздушных сигналов (СВС) по концентрации сигналов от датчиковой аппаратуры берёт на себя крейт. Это предполагает возможную необходимость наличия специфических интерфейсов обмена данными. Комплекты радиосвязного, радиолокационного и радионавигационного оборудования по своей сущности являются наборами антенн и блоков обработки сигнала. В КБО ИМА крейт может выполнять роль блоков обработки сигнала. Если вычислитель должен быть в непосредственной близости от антенны, тогда крейт работает как приёмник, готовый к дальнейшей обработке информации.
Индикаторы и пульты управления являются оборудованием, расположение которого определяется в зависимости от требований эргономики
кабины ВС. Реализация КСЭИС в виде мониторов и пультов с минимальными габаритами глубины установки, как плоских панелей с сигнальными контактами, позволяет максимально адаптировать рабочее пространство кабины ВС.
Чёткое разграничение крейта и периферийного оборудования приводит к тому, что отказ функции комплекса становиться возможен в случае неисправности непосредственно самого периферийного оборудования, линии передачи данных или крейта. Учитывая высокие показатели надёжности каждого из этих элементов, получается, что вероятность отказа функции в КБО третьего типа меньше, чем в КБО других типов, к тому же приводит к повышению удобства и стоимости сервисного обслуживания. Ввиду того, что отказ функции не влечёт за собой замену целой системы, а требует лишь замены вышедшего из строя периферийного оборудования, стоимость восстановления функциональности КБО значительно снижается.
Большим достижением КБО третьего типа является возможность реализации свойства независимости ПО и АО. Без реализации данного свойства нельзя считать КБО полноценным комплексом третьего типа. Реализация независимости ПО и АО придаёт КБО третьего типа целый ряд преимуществ.
Во-первых, разработчик может реализовать такой механизм повышения надёжности, как реконфигурация КБО. Реконфигурация КБО -это процедура изменения связей между ПО и АО крейта, выполняемая вручную или автоматически. Эффективность применения реконфигурации достаточно высока, для того чтобы в большинстве случаев отказаться от применения метода резервирования. Таким образом, разработчик может добиться существенного снижения стоимости АО комплекса, при этом сохранив уровень его надёжности и безотказности. А если взять в расчёт тот факт, что количество блоков в составе комплекса сократится, то возможно не только сохранение уровня безотказности комплекса, но и его повышение.
Итак, проблема большого количества АО, ввиду наличия зависимости количества блоков комплекса от количества функций в его составе, частично решена. В КБО третьего типа данная зависимость осталась линейной, как и в КБО второго типа, однако значительно изменился коэффициент наклона данной линейной функции. Теперь в рамках одного вычислительного модуля могут быть реализованы одна и более функций комплекса одновременно.
Во-вторых, разработчик получил возможность изменения структуры ПО комплекса с целью её оптимизации по критерию эффективности работы алгоритмов. Так, ПО крейта на сегодняшний день строится по модульному принципу.
В-третьих, независимость АО позволила реализовать принцип открытой архитектуры.
Открытая архитектура - это архитектура, позволяющая изменять конфигурацию КБО по принципу «plugandplay», то есть включение новых приложений (функций КБО или модернизация аппаратной части комплекса) производится, не затрагивая уже работающие функции.
Открытая архитектура позволяет производить замену устаревших модулей либо внедрять в состав КБО дополнительные модули различных производителей. Это обеспечивается применением в процессе разработки только общеприме-няемых стандартов. Положительным эффектом от реализации открытой архитектуры стало избавление производителя от необходимости повторной сертификации всего КБО после проведения его модернизации. Сертификации подлежат только изменившиеся части АО или ПО. Это позволяет многократно сократить экономические и временные расходы.
Для реализации принципа независимости и минимизации влияния изменений одной части комплекса на другие применяется введение между АО и ПО разделяющего слоя. Роль этого разделяющего слоя выполняет операционная система реального времени (ОСРВ). Она предусматривает стандартный набор интерфейсов и услуг для приложений - программ, выполняющих ту или иную функцию. Каждое приложение выполняется в своей собственной среде, на своей собственной виртуальной машине, при этом доступ к общим разделяемым ресурсам для данного приложения строго ограничен. Приложение не знает о том, что оно разделяет процессор с другими приложениями. Это необходимо для возможности одновременного запуска приложений различных уровней критичности на одном процессоре. К разделяемым ресурсам АО относятся: память, процессорное время и сетевые ресурсы. Первичное распределение ресурсов происходит при начальной инициализации, которая следует после включения комплекса. Любая попытка нарушить установленные границы любого из ресурсов вызывает обращение к ядру операционной системы и инициирует процедуру восстановления. Наряду с независимостью АО и ПО обеспечивается независимость ПО от физического интерфейса и топологии сети. Приложение не знает используемых им
источников данных и приёмников результатов своей работы, соответственно не знает и о месте их расположения. Весь обмен строится через посылку и приём стандартных сообщений.
Основным недостатком КБО третьего типа является огромная трудоёмкость создания ПО. Однако реализация принципов ИМА позволяет единожды создать множество функциональных приложений и в дальнейшем сформировать библиотеку функций. При этом трудоёмкость создания ПО КБО в дальнейшем значительно снижается.
Подробно рассмотрим, что на сегодняшний день представляет из себя крейт.
Крейт - это механический каркас, в который устанавливаются модули, кроме этого, в крейте располагаются: магистраль, блок питания, система охлаждения. В случае, если система очень велика и состоит из нескольких крейтов, то они могут быть смонтированы в специальную стойку.
Основные составляющие крейта - это модули и магистраль.
Модули - электронные блоки, выполняющие различные функции: измерение, генерация сигналов, хранение информации, преобразование сигналов и др. Модули устанавливаются в крейт и подключаются к магистрали.
Магистраль — совокупность электрических проводников, соединяющих различные модули крейта, сгруппированных по функциональному назначению в шины. В общем случае выделяют следующие типы шин: шина адреса, шина данных, шина команд, шина состояния, шина управления, шина арбитража, шины прерывания [6].
В идеализированном виде набор типовых модулей крейта должен быть следующий:
• вычислительный модуль;
• модуль памяти;
• модуль приёма и передачи данных;
• модуль питания;
• модуль поддержания нормальных климатических условий.
В реальности достичь идеализированной структуры крейта КБО ИМА на данный момент времени не представляется возможным. Проанализировав разработки производителей авионики в области ИМА за последнее десятилетие, можно выделить общие тенденции построения структуры крейтов.
На сегодняшний день типичный КБО, построенный по архитектуре ИМА, состоит из несколько крейтов, их количество определяется сложностью задач и требованиями компоновки. Обычно крейтов два, что позволяет не только распределять между ними задачи, но и
обеспечить максимальную эффективность применения метода резервирования. Эффективность метода резервирования максимально высока при однократном резервировании [7]. Резервирование всего крейта позволяет не применять дорогостоящие методы повышения надёжности каждого из крейтов отдельно. Монтаж модулей в крейт производится через лицевую часть. Любой из модулей должен быть легко заменяем в процессе эксплуатации, что обеспечивается механизмом его крепления и открытой архитектурой АО. По аналогии с федеративными блоками и системами последних разработок, также имеющих модульную структуру, в крейте имеется объединяющая системная плата - кросс-плата, с помощью которой все модули крейта подключаются к магистрали. При помощи кросс-платы в крейте прокладываются линии электропитания и магистраль передачи данных. Внешние сигналы поступают непосредственно на разъём модуля приёма и передачи данных.
Модули крейта в нормальном режиме работы выполняют определённый набор функций. Как правило, распределение функций между модулями производится таким образом, что функциональная структура получается аналогичной структуре функций федеративного комплекса. С учётом такой градации функций КБО набор типовых модулей крейта расширяется, ряд функций обосабливается.
Отдельно обосабливаются функции, требующие применения специализированных модулей. К таким функция относятся функции, требующие графической обработки данных, и функции контроля и управления сетевым обменом данными. Кроме того, на сегодняшний день производители отдельно выделяют функции радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Вычислители этих функций устанавливают поблизости от своих антенн, исходя из соображений электромагнитной совместимости, снижения количества помех в передающих трактах, а также минимизации потерь излучаемой мощности. Также обособленной является инерциаль-ная навигационная система (ИНС). Причиной этого являются требования повышенной точности измерения и необходимости установки датчиков в строго определённом месте на борту ЛА.
Одной из важнейших отличительных черт КБО третьего типа является наличие высокоскоростной среды передачи данных. ЛС,объеди-няющая отдельные системы КБО с крейтом, и магистраль крейта являются крайне важными компонентами комплекса, в результате чего процессу выбора типа и структуры данных узлов в процессе проектирования уделяется очень много внимания.
Например, в комплексе ProLine 21 в качестве локальной сети используется разновидность Ethernet- 100Base-TX с топологией звезда. Один из модулей крейта осуществляет функции переключателя сети. Для соединения с другими типами сетей и другой средой передачи данных предусмотрена установка на этот модуль мезонинных плат, осуществляющих функции мостов. В комплексе авионики самолёта Airbus A380 ЛС организуется на базе другой разновидности Ethernet- AFDX. На истребителе F-22A и вертолёте RAH-66 применяется интерфейс FibreChannel со скоростью передачи данных до 1 Гбит/с [5].
Существующие на сегодняшний день проекты КБО на основе архитектуры ИМА далеки от идеализированного представления. Принципы ИМА удаётся реализовывать лишь частично. Попытки построения полноценного комплекса ИМА заканчиваются необходимостью применения схемотехнических решений прошлых поколений КБО, так как возникает большое количество различных проблем. Решение многих из них является возможным, но очень дорогостоящим, а некоторые задачи на сегодняшний день ещё не решены вовсе.
Вывод
Подведём итоги анализа и сравнения КБО трёх различных типов.
Наглядным фактом является то, что все три типа архитектур в процессе исторического развития тесно связаны друг с другом. Переход от одной архитектуры к другой нельзя назвать ступенчатым, это плавный процесс, имеющий неравномерный характер. Применение архитектуры КБО первого и второго типов происходило вплоть до возникновения явных трудностей достижения поставленных задач.
Как видно из проведённого анализа, основной проблемой КБО первого типа стало наличие зависимости между массогабаритными характеристиками и функциональностью комплекса.
Необходимость перехода от КБО первого типа к КБО второго типа появилась в результате наращивания возможностей ВС. Постепенно количество средств автоматики и исполнительных механизмов на борту ВС стало очень многочисленным. Это позволяло делать ВС более маневренными, легко управляемыми и увеличивать их геометрические размеры. Вместе с тем это привело к увеличению количества пультов управления (ПУ) и индикаторов рабочих параметров каждого из исполнительных механизмов. В итоге нагрузка на экипаж стала просто колоссальной. Сложилась ситуация, когда надёжность ЛА была достаточно высока, но сложность управления им приводила к очень
высокой вероятности ошибки экипажа. Безопасность эксплуатации ВС в итоге оказалась невысока. Такая ситуация фактически может быть названа кризисом КБО первого типа.
Кризис КБО первого типа определил дальнейшее направление эволюции авионики.
Для всех очевидным фактом стало то, что необходимо ряд функций, выполняемых экипажем, автоматизировать, а управление многими из механизмов и узлов на борту ВС и вовсе перевести в автоматический режим.
Таким образом, острая потребность в автоматизации рабочих процессов ВС привела к необходимости внедрения мощных БЦВС, способных реализовывать сложные логические функции. Развитие этой концепции привело к формированию развитой ЛС на борту ЛА и комплексированию нескольких выполняемых функций в рамках одной БЦВС.
Все эти новшества позволили в значительной степени изменить отношение функциональных и массогабаритных характеристик КБО.
Кризис КБО второго типа, как и первого типа, тоже был связан с проблемой наличия зависимости между массогабаритными характеристиками и функциональностью комплекса. В сравнении с кризисом комплексов первого типа задача снижения массогабаритных характеристик стояла не столь остро. Главным фактором стало количество систем в составе КБО. В итоге увеличения количества систем в составе комплекса и наличия развитой ЛС возникла проблема снижения надёжности. Суть проблемы состоит в том, что количество линий связи сильно увеличивается при внедрении каждой новой системы. Таким образом, возникла проблема реализации качественной высокоскоростной ЛС, которая бы позволяла легко масштабировать состав и функциональность КБО. Стоит заметить, что рост высотноскоро-стных и маневренных параметров современных ВС и их многозадачность требуют от комплекса не только высокой точности информации, но и высокой скорости её предоставления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Краткая история «Опытно-конструкторского бюро «Электроавтоматика» имени П. А. Ефимова» [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.electroavtomatica.ru/history_kr.php, свободный. Яз.рус. (дата обращения: 21.12.2016).
2. История появления бортовых ЭВМ ряда «АРГОН» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.argon.ru/?q=node/20, свободный. Яз.рус. (дата обращения: 21.12.2016).
3. БЦВМ. Прошлые разработки АО НИИ «Аргон» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.argon.ru/?q=taxonomy/term/1, свободный. Яз.рус. (дата обращения: 21.12.2016).
4. Роль и место бортового оборудования воздушных судов на современном этапе развития авиации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.modern-avionics.ru/ analytics/ 2014/modern-role-of-avionics-aircraft/ part-1/#, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 21.12.2016).
5. Кучерявый А. А. Бортовые информационные системы: курс лекций / А. А. Кучерявый; под ред. В. А. Мишина и Г. И. Клюева - 2-е изд., перераб. и доп. - Ульяновск : УлГТУ, 2004. -504 с.
6. Лабораторный практикум. Технические средства автоматизации научных исследований. Работа 2: «Магистрально-модульные системы автоматизации» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.inp.nsk.su/chairs/radio/tsani/ Lab%202.pdf, свободный. Яз.рус. (дата обращения: 17.01.2016).
7. Тихоненков В. А., Мишин В. А. Конструирование и надёжность ИВК летательных аппаратов: учебное пособие для вузов. -Ульяновск :УлГТУ, 2002. - 298 с.
Хакимов Дмитрий Валерьевич, окончил Ульяновский государственный технический университет, факультет информационных систем и технологий в г. Ульяновске. Аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Инженер комплексного отдела ООО НПП «ЦРТС» г. Санкт-Петербург. Имеет статьи в области оценки безопасности авионики и оптимизации структуры комплексов бортового оборудования.
Киселёв Сергей Константинович, доктор технических наук, окончил Ульяновский политехнический институт по специальности «Авиаприборостроение» в г. Ульяновске. Профессор и заведующий кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы» в УлГТУ. Имеет монографии, статьи, патенты в области приборостроения.
Поступила 25.06.2017 г.
