新一代军用航空电子系统网络

随着计算机应用领域的拓展与加深，航空电子系统经历了20世纪60年代离散的机载电子设备，发展到70年代的数据信息传输和显示的综合，又经过80年代数据处理和信号的综合，直至90年代的数据融合和传感器综合的发展历程。这不仅说明了航空电子综合系统是航空电子系统发展的必然趋势，而且也说明了航空电子综合系统本身正朝着更深层次发展，实现更高级别的综合，从而使航空电子综合系统的功能更强、体积更小、重量更轻、可靠性更高、维修更方便、成本更低，而且具有容错、重构、资源共享等高级能力，并进一步具有智能处理能力。
　　航空电子系统深层综合化的趋势，使得航空电子统一网络成为未来航空电子系统的必然选择。SCI（Scalable Coherent Interface 可扩展的一致性接口）作为航空电子统一网络的协议实现版本及关键技术，拥有较高的可靠性、实时性和容错能力，能满足军用航空电子系统发展的需求，将成为新一代航空电子系统的首选协议标准。
　　一、军用航空电子系统的现状
　　随着航空电子综合程度的不断提高，强大的航空电子系统为作战飞机实现多功能--全天候的探测能力、武器投放能力和电子对抗能力提供了保证，已成为现代军用飞机提高作战性能的重要手段。在航空电子系统对飞机整体性能影响日益增大的同时，航空电子系统的硬件成本占飞机出厂总成本的比例也在直线上升：从20世纪60年代F-4的10%，70年代F-15C的21%，80年代中期F-16C的30%，到90年代EF2000和F-22战斗机的40%～50%。因此，未来的航空电子系统除继续保持航空电子的进一步综合化、信息化和智能化的发展势头外，还必须探索有效的解决办法减少航空电子的寿命周期费用。
　　除此之外，由于微电子技术、计算机技术和信息技术日新月异的发展，使航空电子系统实现了信息的综合传输、综合处理、综合控制和显示，为航空电子系统综合化奠定了基础，由此推动了军用航空电子技术的发展。但是，在整个电子技术领域中军用航空电子技术所面临的形势非常严峻，主要表现在两个方面：一是纯军用航空电子市场正在萎缩；二是军用航空电子元器件过时问题。军用航空电子占总市场额的比例越来越小，使得制造商纷纷撤掉它的军用生产线，把注意力投向其他更高利润的领域。据F-22研制办公室统计，F-22飞机投入使用时大约400个元器件有可能不再生产。
　　军用航空电子只有顺应潮流才会有出路，对此，各国军方和研究人员都在积极寻找解决的办法，美国率先提出了军用航空电子采用开放式系统结构（OSA），尽可能采用民用标准和商用成品（CTOS）的战略思想，使用新技术并通过概念的更新，使军用航空电子系统既能经济上可承受又能应付迅速发展变化的技术和系统需求。在JSF研制中，航空电子的设计吸取了F-22的经验，采用开放式系统结构和CTOS技术，使用户能负担得起，其综合程度又前进了一大步。
　　二、航空电子统一网络
　　在新一代航空电子系统中实施低成本的、灵活性的、模块化的和开放性的标准体系，开放系统接口或者互连标准是关键，航空电子统一网络（UAN）由此应运而生。UAN就是一个以民用标准为基础的统一的数字式航空电子系统网络，其优越的性能表现在以下几方面。
　　（1）统一互连接口占用的板上空间和芯片管脚少，同时也不需专门的逻辑电路来判断多互连接口与应用间的对应问题，因此可相应地提高系统的可靠性。而多互连接口之间的数据传输需要经过专用的接口模块（网关或网桥），这将增加传输延迟，降低系统性能。
　　（2）统一互连接口中采用的点对点连接，无论从电介质还是光介质方面，都将大大简化与轻化背板。而多互连接口则需要对背板的电源层和地层进行精细的配置，以避免高频噪声的产生。
　　（3）统一互连接口支持并行处理，使得航空电子系统性能更强，而且在高性能的应用中，软件的设计更简单、更灵活。
　　（4）统一互连接口可支持共享内存体系结构，因而有非常低的延迟特性。
　　对于军用系统来说，统一网络还可满足苛刻的环境、实时性、可维护性及可测试性等方面的要求。它的灵活性表现在：与距离无关、G级的带宽、支持并行和串行方式、支持电介质和光介质等方面。
　　目前，美国Sanders公司已提出了一些商用网可供航空电子统一网选择，这些网络可在不同的程度上满足未来航空电子系统的要求。它们分别是SCI、光通道（FC）、Myrinet、ATM、 Serial Express（SE），G位以太网。JSF的开放系统结构综合产品小组（IPT）对这六种协议的网络特性进行了综合评定，SCI将是首选协议。
　　三、SCI是支持统一网络的关键技术
　　SCI 是一种宽带光纤数据网络，于1992年正式成为IEEE标准（IEEE-STD 1596-1992），具有支持底板互连和局域网互连的能力。在SCI网络结构中，节点以"小环网"为单位串接，经过"通路器"互连成网络系统（如图1所示），根据网络功能与带宽的不同要求，可以灵活地组成各种不同的拓扑形式（网状、立方体状、蝶状等），并提供相应的消息吞吐通道。通路器也可配置为面向消息和面向连接的不同形式，以实现传输机制的并行互连和串行互连。
　　SCI数据传输率为1Gbps（串行）或8Gbps（并行），各节点进行点到点的连接，可连接65000个站点，节点间距离可达几千米。信息交换可采用消息传输或共享内存方式，消息字计数300字。
　　从军用航空电子体系结构和功能的角度来看，SCI可部分甚至全部取代F-22设计中功能单一的互连网络。比如，替代1553总线，确保命令/控制消息的实时传输，替代测试维护总线（TM-bus），以实现对模块和互连接口的测试与查错，还可将高速数据总线、传感器数据分配网络（SDDN）、数据交换网（DN）和视频数据分配网络（VDDN）统一起来。SCI可使航空电子系统数据通信不再需要通过专用的接口模块（网关或网桥），消除了通信瓶颈，提高了数据传输效率。统一的数据传输网络不但交联了同一机箱内的各模块，而且向前连接到传感器区，向后连接到座舱及飞行管理区和外挂管理区，这样使处于不同物理位置的模块间的信息传输时间达到同一量级，同时保证互连网络的自动诊断、自动报警、自动恢复，甚至可以保证系统中某节点有故障时，可自动诊断、自动退出，进行系统重构。
　　SCI支持共享内存体系，因而有非常低的延迟特性，满足高实时性要求，并可支持并行处理，使得航空电子系统性能更强，软件设计更灵活简单。
　　四、结束语
　　由于SCI拥有低延迟、高带宽、可扩展等特点，故可支持从LAN到I/O、存储器，甚至处理器的系统互连，尤其适用于多种传统互连技术的系统综合化，而这正是先进综合航电系统的要求，JAST(联合式先进攻击计划组)已把SCI应用到新一代航空电子系统中。基于SCI的光纤统一网络将代替目前航空电子体系的复杂构成，简化系统结构，实现飞行器间的通用性，提高可维护性，降低备件成本，使航空电子综合系统能满足新一代战斗机的要求。随着计算机应用领域的拓展与加深，航空电子系统经历了20世纪60年代离散的机载电子设备，发展到70年代的数据信息传输和显示的综合，又经过80年代数据处理和信号的综合，直至90年代的数据融合和传感器综合的发展历程。这不仅说明了航空电子综合系统是航空电子系统发展的必然趋势，而且也说明了航空电子综合系统本身正朝着更深层次发展，实现更高级别的综合，从而使航空电子综合系统的功能更强、体积更小、重量更轻、可靠性更高、维修更方便、成本更低，而且具有容错、重构、资源共享等高级能力，并进一步具有智能处理能力。
　　航空电子系统深层综合化的趋势，使得航空电子统一网络成为未来航空电子系统的必然选择。SCI（Scalable Coherent Interface 可扩展的一致性接口）作为航空电子统一网络的协议实现版本及关键技术，拥有较高的可靠性、实时性和容错能力，能满足军用航空电子系统发展的需求，将成为新一代航空电子系统的首选协议标准。
　　一、军用航空电子系统的现状
　　随着航空电子综合程度的不断提高，强大的航空电子系统为作战飞机实现多功能--全天候的探测能力、武器投放能力和电子对抗能力提供了保证，已成为现代军用飞机提高作战性能的重要手段。在航空电子系统对飞机整体性能影响日益增大的同时，航空电子系统的硬件成本占飞机出厂总成本的比例也在直线上升：从20世纪60年代F-4的10%，70年代F-15C的21%，80年代中期F-16C的30%，到90年代EF2000和F-22战斗机的40%～50%。因此，未来的航空电子系统除继续保持航空电子的进一步综合化、信息化和智能化的发展势头外，还必须探索有效的解决办法减少航空电子的寿命周期费用。
　　除此之外，由于微电子技术、计算机技术和信息技术日新月异的发展，使航空电子系统实现了信息的综合传输、综合处理、综合控制和显示，为航空电子系统综合化奠定了基础，由此推动了军用航空电子技术的发展。但是，在整个电子技术领域中军用航空电子技术所面临的形势非常严峻，主要表现在两个方面：一是纯军用航空电子市场正在萎缩；二是军用航空电子元器件过时问题。军用航空电子占总市场额的比例越来越小，使得制造商纷纷撤掉它的军用生产线，把注意力投向其他更高利润的领域。据F-22研制办公室统计，F-22飞机投入使用时大约400个元器件有可能不再生产。
　　军用航空电子只有顺应潮流才会有出路，对此，各国军方和研究人员都在积极寻找解决的办法，美国率先提出了军用航空电子采用开放式系统结构（OSA），尽可能采用民用标准和商用成品（CTOS）的战略思想，使用新技术并通过概念的更新，使军用航空电子系统既能经济上可承受又能应付迅速发展变化的技术和系统需求。在JSF研制中，航空电子的设计吸取了F-22的经验，采用开放式系统结构和CTOS技术，使用户能负担得起，其综合程度又前进了一大步。
　　二、航空电子统一网络
　　在新一代航空电子系统中实施低成本的、灵活性的、模块化的和开放性的标准体系，开放系统接口或者互连标准是关键，航空电子统一网络（UAN）由此应运而生。UAN就是一个以民用标准为基础的统一的数字式航空电子系统网络，其优越的性能表现在以下几方面。
　　（1）统一互连接口占用的板上空间和芯片管脚少，同时也不需专门的逻辑电路来判断多互连接口与应用间的对应问题，因此可相应地提高系统的可靠性。而多互连接口之间的数据传输需要经过专用的接口模块（网关或网桥），这将增加传输延迟，降低系统性能。
　　（2）统一互连接口中采用的点对点连接，无论从电介质还是光介质方面，都将大大简化与轻化背板。而多互连接口则需要对背板的电源层和地层进行精细的配置，以避免高频噪声的产生。
　　（3）统一互连接口支持并行处理，使得航空电子系统性能更强，而且在高性能的应用中，软件的设计更简单、更灵活。
　　（4）统一互连接口可支持共享内存体系结构，因而有非常低的延迟特性。
　　对于军用系统来说，统一网络还可满足苛刻的环境、实时性、可维护性及可测试性等方面的要求。它的灵活性表现在：与距离无关、G级的带宽、支持并行和串行方式、支持电介质和光介质等方面。
　　目前，美国Sanders公司已提出了一些商用网可供航空电子统一网选择，这些网络可在不同的程度上满足未来航空电子系统的要求。它们分别是SCI、光通道（FC）、Myrinet、ATM、 Serial Express（SE），G位以太网。JSF的开放系统结构综合产品小组（IPT）对这六种协议的网络特性进行了综合评定，SCI将是首选协议。
　　三、SCI是支持统一网络的关键技术
　　SCI 是一种宽带光纤数据网络，于1992年正式成为IEEE标准（IEEE-STD 1596-1992），具有支持底板互连和局域网互连的能力。在SCI网络结构中，节点以"小环网"为单位串接，经过"通路器"互连成网络系统（如图1所示），根据网络功能与带宽的不同要求，可以灵活地组成各种不同的拓扑形式（网状、立方体状、蝶状等），并提供相应的消息吞吐通道。通路器也可配置为面向消息和面向连接的不同形式，以实现传输机制的并行互连和串行互连。
　　SCI数据传输率为1Gbps（串行）或8Gbps（并行），各节点进行点到点的连接，可连接65000个站点，节点间距离可达几千米。信息交换可采用消息传输或共享内存方式，消息字计数300字。
　　从军用航空电子体系结构和功能的角度来看，SCI可部分甚至全部取代F-22设计中功能单一的互连网络。比如，替代1553总线，确保命令/控制消息的实时传输，替代测试维护总线（TM-bus），以实现对模块和互连接口的测试与查错，还可将高速数据总线、传感器数据分配网络（SDDN）、数据交换网（DN）和视频数据分配网络（VDDN）统一起来。SCI可使航空电子系统数据通信不再需要通过专用的接口模块（网关或网桥），消除了通信瓶颈，提高了数据传输效率。统一的数据传输网络不但交联了同一机箱内的各模块，而且向前连接到传感器区，向后连接到座舱及飞行管理区和外挂管理区，这样使处于不同物理位置的模块间的信息传输时间达到同一量级，同时保证互连网络的自动诊断、自动报警、自动恢复，甚至可以保证系统中某节点有故障时，可自动诊断、自动退出，进行系统重构。
　　SCI支持共享内存体系，因而有非常低的延迟特性，满足高实时性要求，并可支持并行处理，使得航空电子系统性能更强，软件设计更灵活简单。
　　四、结束语
　　由于SCI拥有低延迟、高带宽、可扩展等特点，故可支持从LAN到I/O、存储器，甚至处理器的系统互连，尤其适用于多种传统互连技术的系统综合化，而这正是先进综合航电系统的要求，JAST(联合式先进攻击计划组)已把SCI应用到新一代航空电子系统中。基于SCI的光纤统一网络将代替目前航空电子体系的复杂构成，简化系统结构，实现飞行器间的通用性，提高可维护性，降低备件成本，使航空电子综合系统能满足新一代战斗机的要求。