基于FC網(wǎng)絡(luò)的航空電子系統(tǒng)時(shí)間管理

汪智超，汪海涵，趙兀君

(1.海軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330000；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

電子工業(yè)的飛速發(fā)展使得航空電子系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，以前的分立式和聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)已不能滿足飛行器的使用需求，取而代之的是綜合模塊化架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)總線也由低速總線(ARINC429、RS422、GJB289A等)改為高速總線(FC光纖總線)互聯(lián)。

專(zhuān)用武裝飛行器由以前的單機(jī)作戰(zhàn)轉(zhuǎn)為多機(jī)/多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)，采用多傳感器協(xié)同工作，如雷達(dá)、電子戰(zhàn)、光電等。航空電子系統(tǒng)采用綜合模塊化架構(gòu)，使用綜合一體化設(shè)計(jì)思路對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[1]，主網(wǎng)絡(luò)采用FC光纖總線構(gòu)建的星型網(wǎng)絡(luò)。

子系統(tǒng)間將涉及大量數(shù)據(jù)的高效實(shí)時(shí)共享和交互，保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間從源頭獲取準(zhǔn)確有效，并正確同步給各個(gè)設(shè)備/模塊就變得越來(lái)越重要，將直接影響飛行器的傳感器數(shù)據(jù)融合和作戰(zhàn)效能。因此，在遵循ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出一種典型的基于FC網(wǎng)絡(luò)的航空電子系統(tǒng)時(shí)間管理方案，包括時(shí)間獲取、同步、分發(fā)等過(guò)程。

1 時(shí)間概述

目前普遍采用的時(shí)間協(xié)議為簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP：Simple Network Time Protocol)[2]，SNTP是NTP協(xié)議的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，SNTP可以提供1～50ms的精確度，主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)上的各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。

航空電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間分為北京日歷時(shí)間和平臺(tái)時(shí)間，參考三個(gè)時(shí)間體系：絕對(duì)全局時(shí)間(AGT：Absolute Global Time)、絕對(duì)本地時(shí)間(ALT：Absolute Local Time)和相對(duì)本地時(shí)間(RLT：Relative Local Time)。AGT通常指飛行器之間及自身的真實(shí)時(shí)間，可以通過(guò)人工輸入、地面設(shè)備的自動(dòng)獲取和從全球可用的衛(wèi)星(BD、GPS、GLONASS)獲得。ALT是航空電子系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間，上電時(shí)初始化，能夠用于功能應(yīng)用更高精度的同步，如保持多個(gè)冗余處理間的時(shí)間一致性；RLT是航空電子系統(tǒng)中各個(gè)CFM(Common Function Module)的本地時(shí)間，主要用于軟件進(jìn)程的精確同步。時(shí)間精度：AGT

在ASAAC標(biāo)準(zhǔn)中[3]，對(duì)航空電子系統(tǒng)提出的精度要求見(jiàn)表1，工程應(yīng)用中的實(shí)際使用精度會(huì)更高。

表1 子系統(tǒng)時(shí)間精度需求(ASAAC)

2 時(shí)間管理方案

2.1 時(shí)間源授時(shí)

守時(shí)模塊接收外部時(shí)間源輸入作為時(shí)間基準(zhǔn)。時(shí)間獲取有四個(gè)，分別為：時(shí)鐘模塊時(shí)間、衛(wèi)星模塊時(shí)間、數(shù)據(jù)鏈模塊、人工輸入時(shí)間，如圖1所示。

圖1 時(shí)間源授時(shí)過(guò)程示意圖

要求如下：

1) 時(shí)鐘模塊：將自帶的獨(dú)立離散北京日歷時(shí)間下發(fā)給守時(shí)模塊，同時(shí)接受守時(shí)模塊發(fā)送的有效衛(wèi)星時(shí)間(東八區(qū))，包括完整的年月日和時(shí)分秒信息；

2) 衛(wèi)星模塊：可通過(guò)射頻信號(hào)、秒脈沖或B碼將衛(wèi)星時(shí)間信息(東八區(qū))下發(fā)給守時(shí)模塊，包括完整的年月日和時(shí)分秒信息；

3) 數(shù)據(jù)鏈模塊：在數(shù)據(jù)鏈對(duì)時(shí)模式下，接收地面站發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈時(shí)間信息，由數(shù)據(jù)鏈模塊完成時(shí)間解析并以B碼形式發(fā)送至守時(shí)模塊，包括完整的年月日和時(shí)分秒信息；

4) 人工時(shí)間：由飛行員根據(jù)需要從外部輸入設(shè)定的時(shí)間到守時(shí)模塊，包括完整的年月日和時(shí)分秒信息。

2.2 時(shí)間源同步

衛(wèi)星時(shí)間如果采用秒脈沖或者B碼，守時(shí)模塊需在準(zhǔn)秒時(shí)刻的上升沿同步，使時(shí)間誤差可控，針對(duì)數(shù)據(jù)鏈時(shí)間的B碼，守時(shí)模塊同樣需要在準(zhǔn)秒時(shí)刻的上升沿同步，使時(shí)間誤差可控。

2.3 守時(shí)

守時(shí)模塊上電后，采用銣鐘作為計(jì)時(shí)參考，對(duì)數(shù)據(jù)鏈時(shí)間(T0)、衛(wèi)星時(shí)間(T1 東八區(qū))和人工時(shí)間(T2)三個(gè)時(shí)間按公歷歷法規(guī)則進(jìn)行計(jì)時(shí)。上電初始時(shí)刻，三個(gè)時(shí)間信息均以RTC芯片內(nèi)讀取的時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)，分別進(jìn)行在線守時(shí)。各時(shí)間信息的處理遵循以下原則：

1) 在正確解析數(shù)據(jù)鏈模塊的B碼信息并通過(guò)時(shí)間有效性判斷后，以數(shù)據(jù)鏈模塊時(shí)間更新T0的時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行在線守時(shí)；

2) 在正確解析衛(wèi)星模塊的射頻信號(hào)/秒脈沖/B碼并通過(guò)時(shí)間有效性判斷后，以衛(wèi)星模塊時(shí)間更新T1的時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行在線守時(shí)，同時(shí)將有效衛(wèi)星時(shí)間發(fā)送給時(shí)鐘模塊；

3) 人工時(shí)間通過(guò)總線進(jìn)行授時(shí)，若接收到有效人工輸入時(shí)間，則按人工輸入時(shí)間更新T2的時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行在線守時(shí)；

4) 時(shí)鐘模塊接收到守時(shí)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的有效衛(wèi)星時(shí)間后，自動(dòng)修正本地的離散時(shí)間。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，平臺(tái)時(shí)間選擇需要的守時(shí)時(shí)間T0、T1、T2為AGT。

2.4 時(shí)間分發(fā)

在FC光纖網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步服務(wù)端口能周期性接收SYN原語(yǔ)信號(hào)，由SYNx，SYNy和SYNz組成，并能識(shí)別和處理SYNx、SYNy、SYNz原語(yǔ)信號(hào)，在交互幀間隔中同步原語(yǔ)替代IDLE原語(yǔ)，攜帶42比特時(shí)鐘信息，時(shí)鐘同步原語(yǔ)定義如圖2所示。

圖2 FC時(shí)鐘原語(yǔ)格式

守時(shí)模塊在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，將ALT與AGT對(duì)應(yīng)起來(lái)，構(gòu)成時(shí)間對(duì)，任意時(shí)刻ALT0對(duì)應(yīng)當(dāng)前平臺(tái)時(shí)間AGT0，將守時(shí)模塊設(shè)定為FC網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間服務(wù)角色。

時(shí)鐘服務(wù)角色周期以SYNx、SYNy、SYNz原語(yǔ)信號(hào)發(fā)送它的ALT0值到其它網(wǎng)絡(luò)終端，確保所有終端接收到相同的ALT0，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的AGT0通過(guò)應(yīng)用消息FC-AE-ASM協(xié)議發(fā)送到其它網(wǎng)絡(luò)終端。

守時(shí)模塊周期轉(zhuǎn)發(fā)從時(shí)鐘模塊獲取的離散北京日歷時(shí)間，通過(guò)應(yīng)用消息FC-AE-ASM協(xié)議發(fā)送到其它網(wǎng)絡(luò)終端，用于終端設(shè)備的維護(hù)及故障記錄。

2.5 設(shè)備/模塊時(shí)間同步

網(wǎng)絡(luò)終端模塊/設(shè)備在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，從時(shí)鐘服務(wù)角色周期獲取ALT和AGT，在接收到時(shí)鐘服務(wù)角色發(fā)送的ALT時(shí)刻，本地ALT計(jì)為ALT0,對(duì)應(yīng)時(shí)間服務(wù)角色發(fā)送的平臺(tái)時(shí)間AGT0，在本地存儲(chǔ)ALT0和AGT0值。

終端模塊/設(shè)備的AGT計(jì)算公式：當(dāng)前AGT=當(dāng)前ALT+AGT0-ALT0。

3 應(yīng)用

在直升機(jī)研制中，航空電子系統(tǒng)采用FC光纖網(wǎng)絡(luò)，采用以上時(shí)間管理方案對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間設(shè)計(jì)和管理，取得了很好的應(yīng)用效果：

1) 直升機(jī)平臺(tái)時(shí)間與真實(shí)時(shí)間(衛(wèi)星時(shí)間/數(shù)據(jù)鏈時(shí)間)誤差滿足設(shè)計(jì)要求，使直升機(jī)與直升機(jī)、直升機(jī)與其他作戰(zhàn)平臺(tái)的時(shí)間保持在同一個(gè)維度；

2) 直升機(jī)內(nèi)部航空電子系統(tǒng)設(shè)備/模塊之間的誤差滿足設(shè)計(jì)要求，基本滿足綜合模塊化架構(gòu)對(duì)時(shí)間同步精度和成本開(kāi)支/效益比的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合工程應(yīng)用，在ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于FC網(wǎng)絡(luò)的航空電子系統(tǒng)時(shí)間管理可行方案，確保整個(gè)航空電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間準(zhǔn)確有效，并正確同步給系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備/模塊，使多機(jī)/多平臺(tái)之間的時(shí)間保持一致，使整個(gè)航空電子系統(tǒng)設(shè)備/模塊之間的時(shí)間誤差可控，顯著提高了傳感器數(shù)據(jù)融合和作戰(zhàn)效能，可應(yīng)用到當(dāng)前及未來(lái)各類(lèi)直升機(jī)/戰(zhàn)斗機(jī)。