航空航天数据总线技术发展综述

FC总线技术简介（二）在上一期中我们了解到光纤通道（FC）是高吞吐量、低延时、低误码率的网络技术。

整个标准系列还在不断的发展，其中用于航空领域-航空电子系统环境工程（FC-AE）的协议规范已经定制了5种，分别是：MIL-STD-1553高层协议（FC-AE-1553）、无签名的匿名消息传输（FC-AE-ASM）、FC轻量协议（FC-AE-FCLP）、远程直接存储器访问协议（FC-AE-RDMA）及虚拟接口（FC-AE-VI）。

因此，本期我们将对FC-AE的系列标准进行介绍。

1. 简介FC-AE 标准是Fiber Channel-Avionics Environment 的简称，即光纤通道在航空电子领域的应用，它是由美国国家信息委员会（ANSI）组织制订的一组草案。

FC-AE定义的是一组协议集，这些协议主要用于航空电子的控制工作、命令指示、信号处理、仪表检测、仿真验证和视频信号或者传感器数据的分配。

FC-AE 标准所涉及的应用协议都有着许多相同的特点，如它们都具有实时性、高可靠性、可确定性带宽和可确定性延迟。

FC-AE 规范中定义的在航电系统中采用光纤通道的环路拓扑与交换网络来连接设备的选择，已经得到了广泛的应用。

具体的FC-AE规范如下。

FC-AE-1553：FC-AE-1553 协议是MIL-STD-1553B 协议在带宽，地址空间和数据传输量上的扩展，其目的是更好地支持航电系统中各元素之间的通信。

FC-AE-1553 的主要特性在于它的命令/响应式，消息的ACK 选择，RDMA 传输，文件传输，以及兼容MIL-STD-1553B 终端的能力。

FC-AE-ASM：ASM 是Anonymous Subscriber Messaging 的缩写，即匿名订制信息传输协议。

该协议用于支持航空电子应用的处理器、传感器和显示器之间确定、安全、低延迟的通信。

FC-AE-FCLP：FCLP 是Fiber Channel Lightweight Protocol 的缩写，即轻量协议传输。

浅谈航空电子数据总线技术发表时间：2020-06-09T10:48:40.170Z 来源：《当代电力文化》2020年3期作者：李泽张波[导读] 在我们国家经济实力逐渐壮大的今天，航空电子综合化的关键技术之一就是机载高速数据总线,即机载通信网络的建立。

摘要：在我们国家经济实力逐渐壮大的今天，航空电子综合化的关键技术之一就是机载高速数据总线,即机载通信网络的建立。

代表目前航空电子系统综合化程度最高的研究计划是美国的JAST计划,该计划在“宝石柱”和“宝石台”计划中对高速数据总线互联系统技术积累的基础上,为了降低成本,提高性能,提出了统一网络的概念——利用统一网络实现从芯片,板级到机柜(子系统)之间的信息互联,从而降低系统的复杂性和可靠性,实现更高程度的综合化。

关键词：航空；电子数据；总线技术引言在我们国家不断进步、发展的过程中，数据总线作为航空电子系统的“骨架”和“神经”，与航空电子技术的发展同步进行，相互促进，对航空电子系统起着至关重要的作用。

1航空数据总线的概述所谓机载数据总线技术基本是用于机载设备、子系统到模块间的互相连接，利用机载数据总线连成的网络系统，使相互间数据信息能够完成传输。

现在，应用领域已延伸至卫星、坦克、舰船等多种机动性的平台，其实质上是网络互连技术的整体实现。

机载数据总线技术始于航空电子综合系统的不断进步，美军航空电子系统历经了四个时期：第一时期的分立式航空电子系统、通信、导航的独立，早期任务处理时仍然依赖于飞行员的实际判断。

联合式航空电子系统是第二个时期，每一个子系统的功能都是独立的，不一样设备之间数据的交互性也相对比较少。

第三个时期，综合式航空电子系统，主要倡导“模块”理论概念，运用计算机构成信息处理模块，替代子系统，系统扩展性呈现良好势态，功能较为丰富，可以将复杂的问题处理好。

当前是在第四个时期的过渡阶段，使用统一的网络，让子系统、模块、处理芯片都能够实现全面性的互联，该系统有可以容纳错误、扩展性强、低延迟的具体特征。

航空专用数据总线技术研究作者：马萌来源：《数字技术与应用》2013年第10期摘要：本文从航电系统结构的演变出发，通过对1553B、ARINC429、STANAG3910等传统总线和FC、AFDX、TTE等新一代总线的研究分析，归纳出了航空专用数据总线技术的发展脉络，明确了国内该领域的发展方向。

关键词：航空专用数据总线航电系统光纤通道中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0061-03伴随着电子信息技术的迅猛发展，航电系统（Avionics Systems）在航空器中的重要性日益凸显，已经成为衡量其先进程度的最重要的标准之一。

航电系统的发展依赖于各方面技术的突破和实现，航空专用数据总线（Aerospace-specific Data Bus）技术正是其关键技术之一。

航空专用数据总线技术与航电系统结构的发展相辅相成，一项新的总线技术的发展催生了新一代航电系统结构的出现，一种航电系统结构的提出也会促使新一代总线技术的产生。

而本文则从航电系统结构的演变入手，进而展开对传统总线和新一代总线多项技术的分析研究。

1 航电系统结构的演变1.1 分布式模拟结构（Distributed Analogue Architecture）这类上世纪五六十年代出现的系统未采用数据总线，各主要单元通过配线相互连接，如图1（a）所示，这就使得飞行器需要非常庞杂的配线。

而模拟系统的设备大都比较笨重，且较容易出现偏离和漂移现象，在高低温时就更为明显。

所以随着数字技术的发展和应用，这种结构逐渐退出了历史舞台。

1.2 分布式数字结构（Distributed Digital Architecture）上世纪七十年代，随着数字处理设备的逐渐成熟，速度快、精度高、无漂移和偏离问题的数字结构应运而生。

在这个阶段，如图1（b）所示，数据总线得到了应用，例如民用标准ARINC429（110kbit/s）、英军标准串行总线Tornado（64kbit/s）。

航空总线简介：MIL-STD-1553B（GJB289A）总线简介MIL-STD-1553B是一种具有可确定性的、传输可靠的数据总线。

特别适合使命关键的计算模块与实时传感器和控制器之间互连的应用。

20多年来，它广泛地应用于不同的军事平台(航空系统、地面车辆系统、舰艇系统) 系统,已经发展成国际公认的数据总线标准。

国内航空航天部门都已开始采用该总线进行数据传输、而且许多新型号同类产品也正拟采用该总线用于航电的通讯。

不难看出未来的十年到十五年内它仍将是国内航空航天的主要航电总线之一。

随着现代航电综合化要求的加强，航电通讯系统的重要性不断提高，MIL-STD-1553B作为目前首选的航电总线，其关键作用也日益突出。

在军事方面，目前正进入信息化作战的新时代。

西方发达国家的武器平台绝大部分采用MIL-STD-1553B总线作为连接各个分系统的神经枢纽，可以说基本实现了武器平台的信息化。

这些武器平台包括：战斗机、武装直升机、坦克、战车、军舰，甚至导弹等。

我国军队正处在由机械化到信息化的起步阶段，我国新型战斗机已经全面换装GJB289A(MIL-STD-1553B)数据总线,如：歼八II、歼11、"山鹰" 号新一代教练机、FC-1等，我国军舰也正在采用MIL-STD-1553B数据总线，例如167驱逐舰。

其它武器平台也将逐步采用GJB289A(MIL-STD-1553B)数据总线。

ARINC429总线简介ARINC 429是一种航空电子总线,是美国航空无线电公司(ARINC)制定的航空数字总线传输标准，定义了航空电子设备和系统之间相互通信的一种规范。

它将飞机的各系统间或系统与设备间通过双绞线互连起来,是各系统间或系统与设备间数字信息传输的主要路径,是飞机的神经网络.规范是在ARINC419的基础上立草的,但又独立于ARINC419.过去许多航空设备采用的航空总线种类各异(如ARINC453,ARINC461/568,ARINC573,ARINC575,ARINC582),很难互相兼容.现代飞机电子系统要求各机载航空设备使用统一的航空总线,方便系统集成.ARINC429就是在这种需要下形成规范.ARINC429它具有接口方便,数据传输可靠的特点.目前已经是商务运输航空领域应用最广泛的航空电子总线,如空中客车的A310/A320,A330/A340飞机,波音公司的727,737,747,757和767飞机,麦道公司(97年与波音公司合并)的MD-11飞机等等.另外ARINC429也有在导弹,雷达等领域得到了应用. ARINC429协议规定使用双绞屏蔽线以串行方式传输数字数据信息，信息为单向传输，即总线上只允许有1个发送设备，可以有多个(≤20个)接收设备。

无人机作为一种先进的空中作战平台，重量轻、造价低、机动性高、隐蔽性好等优点，并能完成有人驾驶飞机不宜执行的任务，因而在现代战争中承担着战场侦查和监视、电子干扰等越来越多的任务，但随着机载任务设备（干扰器、雷达等）的不断完善和增加，地面终端与机载平台之间的数据交互量也在也在逐步提高，为了实现数据的可靠交换，提高数据传输速率，必须建立完善的数据链系统。

利用数据链进行通信，具有传输速率快、抗干扰能力强、误码率低等优点。

与传统的通信方式相比，它能极大的提高信息处理能力,并且最大限度的保证信息的完整性。

目前，航空数据链系统已经获得了广泛的应用，并已成为航空通信未来发展的主导方向。

1.国内外航空数据链系统发展情况1.1我国航空数据链系统我国目前最常用的数据链系统是80年代初研制的数传/导航兼备系统。

该系统由机载设备和地面设备构成。

数据引导与塔康设备兼容，数据率为600bps，调制方式为ASK。

其工作方式为：地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息，机载台按地址接收各自的信息，并在接收后经一定的延迟向地面台发回复信息。

机载台把接收的信息经译码得到指令，再由码声器转化为声音指令，对重要信息还同时使用综合航向指示器的航向指令针、敌情指示器、双针高度表、双针速度表显示。

该链路存在一些不足如：不能传输话音、数据率低、不具备抗干扰能力，地面设备易受攻击等。

1.2国外航空数据链系统到目前为止，美国己经研制出TLinkI,、LinkI、LinkIII、Link4、Link11、Link16等多种战术数据链并装备了部队，现在又在着手研制和完善Link16A和Link220。

目前美国军方使用较多的仍是Link4A，因为它符合数字信息链路(TADIL)C规范，Link4A一般由控制站终端分系统、传输分系统和受控站终端分系统组成。

如1所示。

图1Link—4A系统的组成框图一个典型的Link一4A系统终端分系统包括UHF无线电设备、调制解调器、密码设备、计数据处理器和用户接口设备，它的组成框图如2典型的Link-4A的UHF半双工或全双工终端1.2.1Link—4A链路的工作原理Link—4使用一个时分多址技术在单一频率上连接不同单元，交换目标信息，在单一射频载波上按串行时分复用的方式进行传输，所传送的各个信息以一个序列的时分为基础。

总线技术在民用飞机上的应用研究摘要随着飞行器电子系统综合程度的不断提高，系统功能和设备数量的不断增强和扩大，各组织先后提出一系列的数据总线规范。

总线技术的发展已经成为民用飞机最为关键的技术之一。

本文首先介绍几种典型的机载数据总线，然后综述了总线技术在机载设备数据通讯和数采测试系统中的应用，最后展望下一代民机总线技术的发展趋势。

关键词民用飞机；机载总线；数采系统0 引言从波音737到空客380和波音787，民用飞机电子系统的综合程度已经逐步达到一个前所未有的水平。

而数据总线已成为实现机载电子设备信息综合、功能综合的关键所在。

数据总线作为航空电子综合系统不可分割的组成部分，已渗透溶合于整个系统之中。

数据总线性能的好坏直接影响到整个综合程度的高低和系统综合能力的优劣[1]。

民用飞机总线技术的目的是实现各子系统的模块设备之间的交联，使其达到信息和资源的共享，信号和数据的交换。

其主要特点是：满足飞机各系统之间数据通道的高带宽、高实时性、高可靠性的要求。

1 总线介绍1.1 CSDB总线CSDB总线是由罗克韦尔柯林斯制定的航空电子设备间互连的单向广播式异步串行总线标准，被广泛应用于客机、运输机等设备之间的互联通信。

CSDB可以构成单信源、多接收器的传输系统，总线数据采用全双工差分方式传输，信号的数据格式为异步串行通信格式。

CSDB总线传输波特率为12.5Kb/s。

1.2 ARINC429总线ARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会于1977年7月提出的。

协议标准规定了航空电子设备及有关系统间的数字信息传输要求。

ARINC429广泛应用在先进的民用飞机中，如B-737、B757、B-767。

ARINC429总线结构简单、性能稳定，抗干扰性强。

最大的优势在于可靠性高，这是由于非集中控制、传输可靠、错误隔离性好。

ARINC429特点是：1）单向传输，在两个通信设备间需要双向传输时，则每个方向上各用一个独立的传输总线，信息分发的任务和风险不再集中；2）驱动能力：每条总线上可以连接不超过20个的接收器。

航空航天工程师的航天器数据传输技术航空航天工程师是一项高度专业化的职业，他们负责设计、构建和维护航空航天器。

在航天器设计中，数据传输技术起着至关重要的作用。

本文将讨论航天器数据传输技术在航空航天工程师的工作中所起的关键作用。

一、航天器数据传输的重要性航天器是一个复杂的系统，它需要处理和传输大量的数据，包括航天器的状态信息、仪器测量数据、图像和视频等。

这些数据对于观测航天器的运行状态、执行任务的有效性以及科学研究的进展至关重要。

航空航天工程师需要确保数据能够快速、可靠地传输，以便做出正确的决策和调整。

二、无线数据传输技术1. 射频通信技术航天器通常使用射频通信技术来进行数据传输。

这种技术通过无线电波将数据传输到地面站点或其他航天器，实现远距离通信。

航天工程师需要设计合适的射频系统来确保数据传输的稳定性和安全性。

2. 高频率通信技术有时，航天器需要将数据传输到地球上的特定目的地，例如地面站点或其他卫星。

在这种情况下，航空航天工程师可能会使用高频率通信技术，如Ka波段通信，以实现高速数据传输和长距离通信。

三、有线数据传输技术1. 数据总线对于航天器内部的数据传输，航空航天工程师通常会使用数据总线来连接各个子系统和设备。

数据总线可以传输多种类型的数据，如指令、传感器数据和控制信号等。

它们可以提高数据传输的可靠性和效率。

2. 串行通信接口与数据总线不同，有些系统要求高速、高带宽的数据传输。

在这种情况下，航天工程师可能会使用串行通信接口，如以太网或光纤通信。

这些接口能够快速传输大量的数据，确保航天器内部各个子系统之间的高效通信。

四、数据传输安全性与可靠性航天器的数据传输必须具备高度的安全性和可靠性。

航空航天工程师需要采取各种措施来确保数据的保密性，避免被未经授权的人获取。

此外，他们还需要设计冗余系统，以防止单点失效导致数据传输的中断。

五、航天器数据传输技术的挑战和未来发展趋势1. 高速传输需求随着科技的进步和航天任务的复杂性增加，航天器对数据传输速度的需求也越来越高。

航空电子系统几种主要数据总线应用特性分析70年代以来，随着微电子、计算机、控制论的发展，使得航空电子系统的发展更为迅速。

1980年美国专门制定了军用1553系列标准和ARINC系列标准，使数据总线更加规范化。

目前自动化程度较高的军、民用飞机，如F-16、F-117、幻影2000、空中客机A340等都采用了总线技术。

数据总线技术在我国航空电子系统设计中已有十几年的设计和使用经验，本文就常用的MIL-STD-1553B、ARINC429、CSDB、ARINC6路总线（561、568、582）和ARINC629总线从构成、特性以及应用等几方面进行讨论和阐述。

1总线的构成一旦设计者确定了基本的飞电系统结构后，最重要的是总线布局，它对系统性能具有重要影响。

总线可以是单向的，也可以是双向的。

最常用的单向总线设计的依据是ARINC429规范MARK33数字式信息传输系统。

双向总线布局基本上有三种形式：线性的、网状的、星形的。

通常根据MIL-STD-1553B飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线规定：总线要有一个中央总线控制器。

线性的双向总线布局设计最常用。

设计时，要注意采用特别的预防措施，否则容易产生单点失效（可运用故障树分析技术检查）；网状布局可用于通用的先进容错系统，优点是：利用节点控制器来断开失效或破坏的网段，可成功地实现容错，其他无损坏的网段上，按规定路线发送信号，系统的全部功能可重构；星状结构的布局除具有上述优点外，还可明显地减少耦合损耗，但灵活性较差。

2几种总线的特性分析2.11553B总线特性分析1553B总线为总线控制器和所有有关的远程终端之间提供了一条单一数据通路，包含双绞屏蔽电缆、隔离电阻、变压器等所有硬件。

远程终端（RT）是1553B总线系统中数量最多的部件，事实上，在一个给定的总线上最多可达31个远程终端。

远程终端仅对它们特定寻址询问的那些有效指令或有效广播（所有RT同时被寻访）指令才作出响应。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 数据综合网络总线技术综述及发展趋势展望 作者：王林 韩凯 罗兴科 张霖 来源：《卷宗》2020年第02期

摘 要：近年来，总线技术因为具有高带宽、低延迟、高可靠性、控制灵活等特点，已经逐渐成为数据综合网络的核心技术之一。本文简要介绍了总线技术在该领域的应用情况，并对新一代总线技术的发展趋势和在数据综合网络领域的应用前景进行了展望。

关键词：数据综合网络;总线协议;下一代总线技术 随着数据链技术、数据综合网络及高速采集技术在通信领域中的应用，下一代通信系统对高速大容量数据通信和信息过程控制有了更高的需求。目前，总线技术对整个网络内设备高速互连起着至关重要的作用，下一代总线技术具有的开放式结构、模块化与高综合化是数据综合网络发展的必然趋势[1]。

1 总线技术在数据综合网络中的应用 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 数据综合网络中应用总线技术的目的是实现各子系统之间、模块之间的资源共享、降低介质的质量和复杂性，支持系统过程控制和状态管理，强调信息传输的实时性和可靠性。目前数据综合网络主要应用的总线技术主要包括CAN总线、1553B总线等。

1）CAN总线。CAN总线是国内外各领域应用最广泛的总线之一。CAN总线是一种多主总线，通信速率可达1Mbps，距离可达10km。CAN具有以下优点：（1）CAN可以以多主方式工作。（2）CAN网络上的节点（信息）可分成不同的优先级。 （3）CAN采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术。

其工作原理框图如图1所示。 CAN总线经证实具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉等优点。 2）1553B总线。1553B总线的全称为时分制指令/响应多路传输数据总线，具有双向输出特性，实时性和可靠性高，应用广泛。1553B数据总线上连接有三种不同的终端类型：总线控制器（BC）、远程终端（RT）和总线监控器（BM）。BC是总线上执行建立和启动数据传输任务的唯一终端;RT是用户子系统到数据总线上的接口，它在BC的控制下提取数据或吸收数据;BM负责监控总线上的信息传输，完成对总线上数据的记录和分析。1553B总线拓扑结构如图2所示，其传输速率可达1Mbps。

2020,35(4)电子信息对抗技术Electronic Information Warfare Technology 中图分类号:V243 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2020)04-0013-05收稿日期:2020-02-24;修回日期:2020-03-30作者简介:任锋(1970 ),男,学士,高级工程师;罗天男(1991 ),女,硕士,工程师;邓亮(1982 ),男,硕士,高级工程师㊂航电总线技术的发展应用与自主研究任　锋,罗天男,邓　亮(西南电子设备研究所,成都610036)摘要:介绍航电总线技术的发展㊁应用情况,分析了典型航电总线的特点与不足,在此基础上对我国自主研究航电总线技术的现状进行了探讨,并从解决研究难点的角度提出了关于自主研究航电总线技术的一些建议性观点㊂关键词:航电系统;航电总线;技术发展;自主研究DOI :10.3969/j.issn.1674-2230.2020.04.004The Development Application and Original Researchof Avionics Bus TechnologyREN Feng,LUO Tiannan,DENG Liang(Southwest China Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China)Abstract :The development and application of avionics bus technology are introduced and the characteristics and shortcomings of typical avionics bus are analyzed.On the basis of these,the current situation of research on avionics bus technology in china is discussed and some sugges⁃tions are put forward for autonomous research of avionics bus from the perspective of solving theresearch difficulties.Key words :avionics system;avionics bus;technology development;original research 1　引言航电系统是现代飞行器的重要组成部分,其技术水平直接决定和影响着飞机的综合性能[1]㊂航电总线,也称为航空电子数据总线㊁航空数据总线,是航空设备之间信息传递㊁数据共享的骨干”通道,是航电系统的核心组成部分㊂随着计算机控制技术和总线技术的发展,航电总线因其确定性强㊁实时性高㊁具有冗余能力等特性,也逐渐发展应用于飞行控制系统和机电控制系统内部㊂航电总线已逐步成为整个飞行系统的 神经网络”㊂目前,航电总线技术已成为现代先进飞行器计算机控制系统和综合化航空电子关键技术之一,一定程度上决定着飞行器的整体性能㊂同时,因为航电总线表现出的良好性能,其应用领域也逐渐从航空航天,向兵器㊁舰船等领域拓展,作为系统总线得到广泛的应用㊂2　技术发展形势 上世纪70年代以来,随着微电子㊁计算机㊁控制论的发展,航空电子系统的发展十分迅速㊂1980年美国专门制定了军用MIL-STD-1553系列标准和ARINC 系列标准,使数据总线更加规范化㊂目前自动化程度较高的军㊁民用飞机,如F-16㊁F-117㊁幻影2000㊁空中客车A340等都采用了航空总线技术㊂31任　锋,罗天男,邓　亮航电总线技术的发展应用与自主研究投稿邮箱:dzxxdkjs@随着飞机传感器和航空电子设备数量㊁性能的不断提高,以及航空电子系统综合化程度的不断提升,航空电子各子系统之间的数据交换更为频繁,对航电总线带宽需求也大幅增加㊂传统的航空数据总线如ARINC429㊁1553B等的带宽已捉襟见肘,而ARINC629总线因价格昂贵,使飞机制造商难以接受㊂虽然具有广泛商业用途的IEEE802.3以太网总线能提供低成本的高速带宽,但其不能满足航空电子系统所需的鲁棒性,主要是不能提供可靠的有保证的带宽和服务质量㊂因此,IEEE802.3也难以成为实时性高㊁可靠性高和带宽大的新一代航空总线㊂为此,波音公司和空中客车公司通过已经实现商业用途的以太网技术来建立新一代航空总线,从而促使了航空电子全双工通信制以太网交换(AFDX)的诞生㊂AFDX的出现满足了目前飞机各子系统之间大数据量的传输要求,并成功应用于空中客车A380㊁A400和波音的B787等机型中[2]㊂近年来,在民用领域,光纤通道的应用所占的市场份额已经越来越多,并且得到了主要工作站和服务器供应商(惠普HP㊁康柏Compaq㊁IBM㊁SUN)的支持㊂也有一批研究者和研究机构在尝试把商用光纤通道FC(Fiber Channel)应用到航空电子系统中㊂光纤通道航空电子环境FC-AE(Fiber Chan⁃nel Avionics Environment)标准化协议工作组织制定出了一种可操作版本,将光纤通道标准应用到军事领域特别是航空电子领域㊂该工作组织定义了一组实时的结构以扩展光纤通道,从而提供确定性延迟和带宽以满足使命关键的应用项目的需求㊂其重点是要定义实时的仲裁环路㊁实时请求的优先权抢占机制和一个实时同步环路,因此,它很接近于1553B可确定性行为,但可以提供1553B所不能提供的1Gbit/sec的接口速度㊂作为FC-AE协议的一部分,FC-AE-1553协议于2004年由美国标准化委员会(ANSI)的X3T11小组制定完毕,定义了MIL-STD-1553总线协议和FC高层协议之间的映射关系,整个FC-AE协议于2007年完成㊂FC总线在军事领域也日渐流行,已作为F-35飞机综合化航空电子系统骨干网得到具体的应用㊂航电总线的发展如图1所示,其技术发展趋势的主要特点为:●通信带宽越来越宽;●时延越来越小;●串行总线成为发展主流,便于维护;●逐步适应于从设备级互联到母板级互联的统一网络㊂图1　航电总线发展示意图3摇典型航电总线的特点与不足 当MIL-STD-1553B近乎完美地 服役”30年后,终于因为需求的不断扩大而走下了神坛㊂而新兴的总线虽然种类繁多各有所长,但弊端也很明显,就几种有代表性的总线大致分析如下: 1)MIL-STD-1553BMIL-STD-1553B总线是非常成功的,其命令响应式的总线调度机制保证了总线的可控性,其冗余管理机制又保证了可靠性,所以一直深得用户的信赖㊂然而,随着应用系统复杂度的提高,1553B总线已经不能满足要求,例如:带宽不足,只有1Mbps;时间调度颗粒较大,总线周期在5ms以上,一般为10ms或者25ms;节点数量太少,最多只能挂31个节点[3]㊂虽然后来有人继续研究和推出了2M㊁4M的版本,但提高的幅度有限,而且由于缺少系统性的技术和产品支撑,应用范围很窄㊂至于10Mbps 或20Mbps版本,虽然带宽有了明显的上升,但由于总线架构改成了交换模式,引入了总线交换机,在设备部署方面带来了一些问题,同样没有得到业界的认可㊂2)AFDX/ARINC664AFDX/ARINC664是在以太网的基础上,通41电子信息对抗技术·第35卷2020年7月第4期任　锋,罗天男,邓　亮航电总线技术的发展应用与自主研究过增加确定性和冗余获得高可靠性传输,带宽主要有10Mbps和100Mbps两种,以后可能进一步支持1000Mbps㊂AFDX/ARINC664目前主要应用在商用飞机上㊂应该说AFDX/ARINC664标准的系统性很强,从线缆㊁接插件到各层协议都进行了详尽的规定,产品成本也比较低廉㊂但对于其面对的应用领域,AFDX/ARINC664总线尚存在一些不足,例如:没有定义确认和重传机制;带宽利用率很低,实际可用带宽有限㊂AFDX/ARINC664采用虚拟链路(Virtual Lanes)来规划网络带宽㊂为了保证每个应用都能够获得足够的带宽,且网络时延参数合适,网络的带宽利用率一般只能达到总带宽的20%左右,也就是说一般可用带宽只有20Mbps左右㊂在商用飞机中,AFDX/ARINC664主要用于控制和传感信息的通信,而视频通信则通过另外的ARINC818视频总线进行传输㊂3)MIL1394bMIL1394b是以IEEE1394b为基础,通过应用AS5643协议对通信网络进行管理,从而满足某些军用场景的需求㊂MIL1394b最开始是用于传输媒体信息,现在也被进一步拓展到控制和传感信息的通信㊂但AS5643协议对IEEE1394b极其有限的约束亦导致MIL1394b总线存在不少不足,例如:没有定义确认和重传机制;没有明确的冗余管理机制㊂MIL1394b应用在媒体传输方面应该是基本合格的,但如果要拓展应用到其他对传输可靠性要求更高的领域,还有很长的路要走㊂4)FC-AEFC-AE光纤通信作为当前通信领域最为丰富的带宽资源之一,加之传输过程不会受到电磁波的干扰,实体总线重量轻,在业界被普遍看好㊂目前在航空领域,FC-AE总线正在迅速占领市场,航天领域也已经开展了相关的研究工作㊂但FC-AE总线存在的问题也不少,例如:价格昂贵,不能在PCB上走线;连接方式特殊,不便检查和测量㊂光纤通信技术在城域网㊁存储网以及局域网中都广泛获得了成功,但把光纤通信用作航电总线的应用过程中,在系统设计和工艺控制的可靠性方面仍需大力关注㊂现阶段各类典型的航电总线均存在一些技术不足,而新一代飞机的航空电子系统,对航空总线系统提出了更具挑战性的要求㊂航空电子系统必须选择先进的总线技术,使航空电子系统能够适应不断增长的需求,同时满足经济可承受性㊁高可用性㊁高可靠性和大容量㊁深层次的信号与信息综合化程度要求㊂而这些要求已经成为推进航电总线技术发展的源源不断的动力㊂4摇自主研究的现状 目前,国内航电系统选用的总线大部分还集中在ARINC429和MIL-STD-1553B总线的水准㊂面对更高的需求,国内关于航电总线的应用已经遇到了一些瓶颈,主要体现在以下几个方面: 1)一直在追随国外技术标准和产品无论是传统的ARINC429㊁CAN㊁1553B,还是近来兴起的高速总线如AFDX/ARIN664㊁MIL-1394b㊁FC-AE,这些总线标准都来自国外,而相应的产品和设备也主要依赖于进口㊂原则上,国外出什么标准,我们就学什么标准,国外有什么产品,我们就用什么产品,这几乎成了惯例,个别甚至成了来不及思考的盲从㊂这些总线到底好在哪里,适合应用到哪些应用场景,对于这些问题我们缺少深入的系统的研究㊂在比较正式和重要的应用领域,也会使用国内研究所自行研制的一些产品㊂目前,国内一些研究所和公司虽然也开展了一些关于航空总线方面的研究,但产品系列还不够丰富,产品的完善性和可靠性都有待提高㊂2)能够获得的技术资料已经越来越有限随着中国国力和国际影响力的提高,外国政府和厂商也加强了对中国的防备,对一些技术标准的保密也越来越严格㊂如果说在CAN㊁1553B等传统总线时代国内获得了相对较多的技术资料,但进入1394b㊁FC-AE等高速新型总线时代以后,能够获得的资料就已经变得非常少了,这种情形使得国内的技术人员很难深刻掌握总线的本质特征㊂例如FC-AE,该如何解决冗余,该如何解决传输确认等,这些问题几乎找不到直接相关的资料㊂3)能够获得的产品支撑已经越来越有限51任　锋,罗天男,邓　亮航电总线技术的发展应用与自主研究投稿邮箱:dzxxdkjs@除了标准本身,特别可能与军事相关的产品,以前习惯使用的技术随时可能被禁运,而某些新技术一开始就被禁运㊂比如美国通用电气公司(GE),从2013年开始全面向中国禁运与航电总线相关的产品和技术,至少包括ARINC429㊁1553B㊁AFDX㊁反射内存等产品系列㊂又例如,FC-AE的相关产品,我们目前并不能从国外市场上采购到现成的FC-AE-1553或者FC-AE-ASM或者FC-AV产品,甚至也采购不到真正意义上的FC-AE交换机㊂4)应用上不能充分发挥特定总线的特长由于缺少有说服力的具体应用方法的建议和样本,在航电总线的实际应用中,无法充分发挥特定总线的特长㊂例如某个工程师以前习惯于用ARINC429,那么他在使用FC-AE-ASM总线时,可能不假思索地继续沿用以前的系统设计方法㊁负载长度㊁发送间隔,标识与类别等各个方面都与新的总线环境FC-AE-ASM脱节,从而造成系统复杂度的无谓提高,造成总线带宽的浪费㊂5)信息安全的问题除技术方面的问题外,在信息化对抗中,通过入侵敌方计算机系统获取信息甚至控制和瘫痪敌装备系统的事件已屡见不鲜[4]㊂2011年12月,伊朗通过 情报收集和精确电子监控㊁提前设置陷阱”等技术手段,俘获进入其领空的美RQ-170 哨兵”隐身无人侦察机;2013年,美国中央情报局 棱镜”情报监视项目曝光,美国利用其在网络空间拥有的技术优势肆意入侵他国的信息基础设施㊂这些事实表明,以计算机为核心的信息处理设备若其核心处理器㊁操作系统㊁总线等关键技术无法自主保障,则信息系统的信息安全将无法保证,在信息对抗中将不堪一击,武器装备将极易被瘫痪㊂尤其是使用国外商用航空电子数据总线,因其协议标准公开,若协议标准存在漏洞很容易被敌方研究利用,一旦敌方有方法入侵武器平台,将对武器装备的使用带来巨大隐患㊂5摇自主研究的方向和目标 航电总线技术是新一代机载综合航电系统的关键技术之一,它直接决定了机载综合航电系统集成化程度的高低㊂因此,航电总线技术的自主研究势在必行㊂综合航电系统数据传输的实现主要取决于更通用的数据传输机制,并要求数据总线具有很高的分布式处理能力和吞吐率㊂因此,传输技术的需求主要体现在带宽㊁实时性和可靠性三个方面[5]㊂1)带宽的需求取决于航电各子系统的能力和功能综合的程度㊂例如,一个具有100万像素㊁30Hz帧率和8位灰度等级的前视红外成像传感器将产生每秒240Mb速率的数据传输要求,这就需要数据传输总线的带宽能够支持每秒1Gb以上的数据传输速率㊂在满足系统传输要求的基础上,还应留有相应的可升级余量㊂2)实时性要求总线数据必须在规定的时间内完成在节点之间的传输,否则将影响整个网络传输的响应速度㊂据美国汽车工程师学会(SAE)预测,新一代综合航电系统传感器信号传输与分配要求在Gbps量级的速率下产生不大于100us 的传输延迟,指令与响应信息要求在Mbps量级下产生不大于10us的传输延迟㊂3)传输的可靠性主要由总线的容错能力体现,总线通信不能因为数据网络中的某个节点故障而中断,也就是应具备单故障容错能力,并且可以通过冗余技术来获得更强的容错能力㊂通常,用传输误码率来反应可靠性特征,数据流误码率不应大于10-7,控制/状态数据误码率不超过10-10㊂不断提升的应用需求对航电总线技术提出了更高的要求,也是自主研究航电系统需要努力的主要方向㊂在此基础上为适应新一代航空电子系统对航空总线的经济可承受性㊁高可用性㊁高可靠性和大容量㊁深层次的信号与信息综合化程度等要求,未来国内航电总线的技术发展应具有以下三个特点:1)以形成自主的标准为目标以提高航空器的航空电子系统水平及航空器功能为需求背景,开展航空电子数据总线方面的技术研究,突破网络拓扑结构㊁物理层及协议层设计等关键技术,构建半物理仿真验证系统,完成基于实测数据的验证测试,形成自主的航电总线标准㊂该标准应该明显优于现行各种航电总线标61电子信息对抗技术㊃第35卷2020年7月第4期任　锋,罗天男,邓　亮航电总线技术的发展应用与自主研究准,并且在未来较长时间内一直保持这种先进性㊂2)借鉴高速通信物理层技术基础现有通信技术中,可借鉴的物理层实现方案有1394b㊁GTX (FC /Rapidio )㊁10GE (万兆以太网)㊁WiFi 等㊂在实施时,还需要进一步开展研究和拓展,在继承㊁完善的基础上进行必要的创新,形成最终的物理层方案㊂3)借鉴高速通信网络传输控制技术基础从历史应用情况来看,MIL-STD-1553B 通信协议得到了业界的高度认可,可以在1553B 协议的基础上,结合物理层特征(如报文长度㊁节点数量等)进行调整,并可结合国内外长期的应用经验进行完善㊂自主航电总线在集成1553B 总线协议的基础上,可以从以下方面但不仅限于以下方面进行调整和优化:●满足带宽更高㊁节点数量更多㊁报文更长的总线特征;●集成已经被业界默认的RTC㊁看门狗㊁矢量字等功能特点;●支持实时冗余管理,进一步提高实时性;●精简和合并一些不常用的网络管理功能,降低设计的复杂性,提高通信效率㊂从上述需求及特点可见,航电总线技术的自主研究应以形成自主的标准为目标,具有借鉴性㊁前瞻性和普适性,其技术指标至少应该满足以下描述:1)满足机载航空电子系统的数据及控制信令传输要求;2)兼容铜缆和光纤介质,支持异构[6];3)通信带宽:10Mbps ~10Gbps;4)传输距离:铜缆介质下≥100米,光纤介质下≥1000米;5)节点数≥1024个,有明确的扩展方法;6)实现带内时间同步,同步误差不超过0.1μs;7)支持周期消息㊁非周期消息以及消息优先级控制;8)支持消息的确认和重传;9)支持实时线路冗余,支持双冗余以及多冗余;10)可严格管理各节点的通信行为以及全网信令过程;11)可与其他典型航空总线的互通接口;12)能有效控制成本㊂6摇结束语 航电总线技术已成为现代先进飞行器计算机控制系统和综合化航空电子的关键技术之一,一定程度上决定着飞行器的整体性能指标㊂我国在开展航电总线技术研究,发展具备自主知识产权的完整的航电总线解决方案,深入全面掌握技术细节,消除总线自身可能存在的漏洞和安全隐患,建立完善的维护保障体系等方面,彻底摆脱对国外标准和产品的依赖,从根本上提升航电总线的整体性能以及信息安全能力,是非常必要的㊂参考文献:[1]　张红.新一代综合航电系统的发展趋势[J].航空精密制造技术,2016,52(2):1-4.[2]　丁勇飞.机载航电总线系统发展评述[J].航空电子,2003,34(2):1-7.[3]　曾星星.AFDX 在航天器综合电子系统中的应用[J].测控技术,2016,35(8):103-106.[4]　张家森. 舒特”系统及其他网络攻击方法探析[J].地面防空武器,2011,42(2):23-25.[5]　支超有.机载数据总线技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2009.[6]　张杰.机载高速数据总线技术的应用研究[J].电子测量技术,2016,39(6):163-166.欢迎投稿 欢迎订阅71。