开放式系统结构标准研究

任文明 李 喆 宋京帅

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）



开放式系统结构标准研究

任文明 李 喆 宋京帅

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

[摘要]分析研究了开放式系统结构技术发展现状及典型装备应用案例，深入剖析国内外开放式系统结构标准情况，在此基础上，结合我国目前的开放式航电系统研究现状，提出构建我国开放式航电系统的标准体系，并针对重点标准进行分析，积极探索我国开放式系统结构标准建设之路。

[关键词]开放式系统；结构；航电；标准

[收修订稿日期] 2016-03-28

随着电子技术的发展，电子系统的综合程度越来越高，系统结构越来越复杂，电子系统的升级扩展、新技术的有效插入、元器件停产及经济可承受性等问题，已经成为电子系统设计师首要考虑的重要问题。实践证明开放式系统结构（OSA）具有可缩放性、可扩展性、可升级性以及与其它系统的互操作性等特点，可以降低研发成本，解决军品级元器件停产、新技术有效插入问题，保障系统升级扩展等能力。

美国电子界在上世纪90年代初就提出了开放式系统结构的概念，以解决系统结构升级和功能扩展的需要。美国国防部已将利用开放式系统结构标准和规范作为21世纪武器装备采购政策，要求在电子产品中最大程度地贯彻和执行。

我国正在开展某对地观测系统、某型战斗机、大型地面雷达等项目研制，系统互操作性及开放性要求高，采用开放式系统结构是必然趋势。然而我国在开放式系统结构领域的研究主要是以跟踪国外技术为主，缺乏健全完整、合理可行的开放式系统结构标准体系。

本文将通过系统分析研究国外开放式系统结构的技术以及相关标准的发展情况，借鉴国外开放式系统结构发展的成功经验，提出我国开放式系统结构标准体系的构建建议，指导我国开放式系统结构的发展。

1 开放式系统结构技术发展

1.1 开放式系统结构

开放式系统结构通过对接口、服务和支持形式等采用充分定义的、广泛使用的、公众支持的非专利规范，以完成系统功能的物理和逻辑实现，这样能以最小的更改在很广的系统范围内合理地使用工程组件。

开放式系统具有如下特征。

a）遵循同一开放式规范的系统，系统间可以以最小的更改进行移植；

b）使用明确的、广泛使用的、非专利的接口；

c）通过增加更高性能的组件实现系统的扩展或升级，并且对系统影响最小；

d）系统组件以接口规范为基础实现相互操作，组件的研制遵循接口规范。

1.2 开放式系统结构国外技术发展现状

开放式体系结构的设计理念源于系统工程，上世纪90年代，美国军方发现武器装备中存在严重的老化问题，而该问题源自国防部的采购周期。通常，国防部的重大武器电子系统的开发周期是8～15 年，而工业电子系统的周期只有1.5～2 年。当研制出武器装备时，其电子技术已经落伍，这导致武器系统的开发往往跟不上现代技术更新换代的节奏，维护和升级更是很难开展，开放式系统结构可以很好的解决该类问题。

麻省理工学院林肯实验室所总结的美空军开放式系统结构演进如图1所示。它是一种集成（但松耦合）的开放式系统结构，采用扩展的面向服务结构（SOA）的概念，从网络中心系统的开放式结构逐层细化到开放式传感器。

美国海军对开放式系统结构探索比较深入，美海军将开放式结构分为3层：计算环境和操作系统；中间件；应用软件和通用服务，如图2所示。分层的目的主要是屏蔽，即系统中某一组件的变化对系统其它部分不造成功能上的影响。比如，计算环境中处理器的变化不影响上层操作系统功能，中间件的变化不影响上层应用功能。

图2 美国海军开放式系统结构

1.3 开放式系统结构典型应用

1.3.1 F-35开放式航空电子系统结构

F-35开放式系统结构示意图如图3所示。

图3 F-35开放式系统结构示意图

F-35是美军第四代作战飞机，它全面采用开放式系统结构，分为6层。

第1层：综合信息系统/系统的系统。由海、陆、空、天各种探测、通信、指挥、攻击等系统联网构成体系，面向体系对体系的对抗任务。

第2层：武器装备系统。在多机协同空战模式下，多机之间形成分布式传感器网络和武器网络，完成协同探测、协同交战决策和协同交战实施。

第3层：主要子系统/航空电子系统。通过互联网络和系统软件实现各个功能区间的综合，实现目标探测、飞行控制、火控解算、通信导航识别、数据融合、电子战等功能。

第4层：功能区/核心处理系统。按功能区划分，进行各功能深层次的综合，实现传感器综合、数据/信号与任务综合处理，实现综合显示与控制等。

第5层：硬件/软件模块。按照不同功能和性能要求，采用模块化设计方法，采用通用和专用的软硬件模块，灵活配置、动态重构，实现系统和子系统模块化结构。

第6层：硬件/软件组件。采用先进组件设计技术，实现各模块的高度综合化和小型化。

1.3.2 美海军未来机载能力环境（FACE）项目

美国海军与工业界在政府实验室建立下一代航电架构的参考原型。该原型基于未来机载能力环境（Future Airborne Capability Environment ，FACE）技术标准。FACE技术标准定义了通用操作环境，能够使基于软件的能力以模块化部件的形式进行开发，从而实现功能模块在不同平台间的移植、插入和重用。该航电系统结构将用于美海军下一代作战飞机，主要包括海军计划研制的未来垂直运输旋翼机和F/A-XX下一代空中优势战斗机。

FACE主要针对现有机载系统存在的4个紧耦合问题：特定用户接口设备的耦合、特定无线电设备的耦合、网络和I/O总线的耦合、特定操作系统的耦合和其它必需应用组件的耦合。FACE体系结构如图4所示。

1.3.3 美国开放式通用地面站

随着无人机种类的增多，军方对系统的互操作性和可扩展性的要求越来越高。分布式通用地面站（Distributed Common Ground Station, DCGS）系统是美国陆军、空军、海军和海军陆战队通用的地面站，可近实时地同时接收、处理及分发从侦察卫星、侦察飞机、无人侦察机以及地面/海面等侦察监视平台传送来的信息。DCGS通过构建一个情报共享网络，可在基于IP的协同环境下安全管理ISR资源。

根据各军种和作战性质的不同，美军DCGS系统主要分为陆军DCGS-A系统、海军DCGS-N系统、空军DCGS-AF系统、海军陆战队DCGS-MC系统、特种作战部队DCGS-SOC系统以及其它部门乃至盟军的DCGS系统。不同性质的DCGS系统通过DCGS集成骨干构成一个互通互连、信息共享的DCGS体系。

2 开放式系统结构标准现状

2.1 国外标准情况

2.1.1 SAE AS 4893《通用开放式结构框架（GOA）》

SAE AS 4893《通用开放式结构框架（GOA）》中提出了通用开放式结构的框架（GOA），GOA框架定义了一组通用接口的抽象结构，简化了对关键接口的定义。GOA框架给部件的使用方和承制方提供统一的基础平台，GOA框架的应用将加强在各自领域中的执行和约束，并增加产品间互操作的可能性。AS4893标准中对具体领域GOA框架是具体的，并在具体领域的应用将增加独立的即插即用型部件，该部件易于在本领域内升级和扩展。

2.1.2 ASAAC系列标准

欧洲各国为进行下一代飞机综合模块化航空电子系统（IMA）的研究，成立了“联合标准航空电子系统结构委员会（ASAAC）”，发起了ASAAC计划。ASAAC系列标准是为综合模块化航空电子系统（IMA）制定的开放式系统结构标准，包括系统结构、系统软件、通信/网络、通用功能模块、封装及系统设计指南；系统设计指南又分为系统管理、故障管理、系统初始化和关闭、系统配置/重构、时间管理、信息安全和安全7个分卷。ASAAC标准为IMA的核心处理系统建立了一整套开放式的系统结构、硬件、软件、通信网络、封装与接口标准，以及一套先进而全面的IMA系统设计指南。ASAAC系列标准计划用于欧洲下一代战斗机开放式航空电子系统及2005年后的飞机航空电子系统改进改型。

2.1.3 ARINC系列标准

ARINC 标准与ASAAC标准是互补关系，其中ARINC 651《综合模块化航空电子设备设计指南》、ARINC 664《综合组件航空电子设备包装和接口的环境设计方针》及ARINC 650《综合模块化航空电子设备打包和接口》等标准从IMA的软硬件设计，接口、封装及数据网络结构和技术方面进行了定义。ARINC 653《航空电子应用软件标准接口规范》主要是为IMA系统的使用而开发的。ARINC 653是专为航空电子系统应用而定义的软件标准接口（重点描述APOS），ARINC 653的核心概念就是空间和时间的分区隔离。ARINC 653将航空计算机软件系统分为应用软件层和核心处理软件层两大部分。应用软件层是由核心模块支持下的与航空电子应用有关的部分；核心处理软件层为应用软件执行提供公共的标准执行环境，包含操作系统以及硬件接口系统两部分。ARINC 653在航空计算机操作系统和应用软件之间定义了一个通用的APEX接口。通过这个接口应用软件可以得到实时安全的各种功能服务，也可以对各种服务的属性加以控制，如任务调度、通信和内部状态信息等。

2.2 国外标准情况总结

ASAAC定义了开放式航空电子系统的系统结构、系统软件、系统通信/网络、通用功能模块、封装及系统设计指南等一整套标准，是目前我国能获得的欧美综合模块化航空电子系统（IMA）的最新、最完整的开放式系统结构标准，对制定我国IMA系统的开放式结构系列标准具有重要的参考价值。

SAE AS 4893是从抽象的结构分层和接口，定义开放式系统结构框架，适用于独立应用的硬件/软件系统，尤其是国防武器系统电子各领域；ASAAC标准是针对IMA航空电子系统领域制定的，从功能及实际设计的角度。

ARINC 653偏重于时间和空间的分区、应用软件接口等内容，还没有对系统结构进行进一步细分。 ASAAC 标准将模块化航空电子软件大体划分为3层，应用软件层、操作系统层、模块支持层，以及两个接口，应用软件接口、模块支持接口，使得操作系统层可以完全独立于上层应用和具体硬件的实现。

2.3 国内标准情况

国内目前已研究、编制了部分开放式航空电子系统标准，如HB 7664-1999《并行互连（PI）总线》、GJB 289A-1997《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》、GJB 1383A-1998《程序设计语言Ada》、GJB 1682-1993《十六位计算机指令系统结构》、GJB 1683-1993《军用JOVIAL语言》、GJB 5357-2005 《航空电子应用软件接口要求》和FC系列标准。但对综合模块化航空电子系统（IMA）的开放式系统结构标准的研究还处于起步阶段，尚未形成完整的IMA开放式系统结构标准体系。

3 开放式航电系统结构框架研究

针对航空电子系统技术的发展，我国已经开展了综合式、开放式模块化航空电子系统技术预先研究，进行了关键技术的攻关，完成了基于模块化结构的开放式航空电子系统的地面原理样机的研制，突破的部分关键技术已经在三代机航空电子系统的研制和改进改型工作中得到应用。我国开发式系统结构的构建可以基于以下策略。采用 GOA 的层次结构划分；采用 ASAAC 的逻辑功能划分，并对GOA 的层次设计进行优化；采用基于 ARINC 653规范的操作系统；以 ARINC 653 规范为部署基础应用层软件；采用 ASAAC 系统配置的思路，对系统软件的进行配置。

开放式系统从下往上分为4层，包括模块支持层、操作系统层、平台服务层、应用软件层。

模块支持层。模块支持层的设计采用ASAAC软件结构中对模块支持层定义，主要实现对底层硬件资源的基本管理和访问功能，主要包括FC、1553、429等总线网络的集成。

操作系统层。操作系统层实现传统意义上的操作系统功能，包括进程管理、内存管理、中断管理、时钟管理和接口管理等功能。

平台服务层。借鉴ASAAC结构中系统通用管理和应用管理分离的思路，以及FACE和IMA2G中的软件结构，将系统软件管理的功能从应用层中剥离出来，设计一个屏蔽底层操作系统，为系统功能级应用软件提供支撑和接口的运行平台。

应用软件层。整个框架应用层中的基本单位，在平台服务的支持和统一管理下，应用软件是独立于硬件和操作系统平台的，完成系统某个特定独立的功能，包含明确的输入和输出的程序或程序集合，同时与平台服务还有特定的接口关系。

4 开放式航电系统结构标准体系研究

由于开放式航空电子系统与以往的联合式航空电子系统无论是在系统结构、综合程度、复杂程度、设计理念都发生了深刻变化，作为规范指导系统研制的标准也将发生很大的变化，应充分重视标准的研制，建立一套完整、严谨、可靠并实用的开放式航空电子系统结构标准体系。建议的开放式航空电子系统结构标准体系包括：系统架构标准、软件标准、通信与网络标准、通用功能模块标准、封装与接口标准以及系统设计指南等方面的标准。

4.1 系统架构标准

主要规定开放式航电系统（IMA）的系统架构总体要求。定义IMA系统、IMA核心系统、通用功能模块（CFM）、软件层次结构和系统管理等概念。规定IMA系统开发的主要驱动因素和结构特征。

4.2 软件标准

主要规定软件结构模型，描述不同处理类型的共同特性和专用特性，以及系统管理功能的实现。包括软件结构接口标准和软件结构标准。

4.3 封装与接口标准

主要规定环境条件、机械条件、冷却条件、电源、电磁兼容性和互连等方面的标准要求。规定了模块物理接口（MPI）的物理特性以及主要物理接口。MPI包含：

a）通用功能模块与背板之间的连接器接口；b）冷却接口；

c）插入拔出装置（IED）。

4.4 通信与网络标准

主要规定核心模块和其他组件之间进行通信网络信息传输方面的标准要求。开放式系统网络通信由以下的接口来定义和管理：

a）模块支持层与操作系统层（MOS）接口；

b）模块物理接口（MPI）；

c）模块逻辑接口（MLI）。

4.5 通用功能模块标准

主要规定了核心处理系统的通用功能模块的功能特性和接口原则，保证功能模块的互操作性。通用功能模块是外场可更换的，提供计算能力、网络支持能力和电源转换能力。以下模块构成了IMA核心处理系统的通用功能模块：

a）信号处理模块；

b）数据处理模块；

c）图形处理模块；

d）大容量存储器模块；

e）网络支持模块；

f）电源转换模块。

4.6 系统级标准

主要规定系统管理、故障管理、系统初始化/关闭、系统构成/重构、系统安全性和信息安全等方面的系统设计指导标准。

图5 开放式航空电子系统结构标准体系

5 结束语

开放式系统结构作为武器装备系统发展的大势所趋，美欧等先进国家都投入巨资开展研究，我国应抓住时机开展技术及标准研究，一方面应充分借鉴国外开放式系统技术研究成果，有选择地进行剪裁和吸收，并对标准进行深入分析和充分的技术验证工作；另一方面抓紧制定标准，标准引领技术发展，建立一套完整、严谨、可靠并实用的开放式系统结构标准体系。最后在顶层标准的基础上，逐步形成系统设计指南，以进一步指导系统的研制，避免由于标准理解的差异造成系统设计的不同。

（编辑：雨晴）

[中图分类号]T-65

[文献标识码]C

[文章编号]1003-6660（2016）03-0052-05

[DOI编码]10.13237/j.cnki.asq.2016.03.015