引言

航空电子系统是现代飞机执行网络化任务的 基础, 在飞行管理、侦察、对抗等方面发挥着越来越重要的作用。与此同时，系统综合化程度越来越高，功能复杂、信息交错、资源复用，研制风险不断增加，需要从功能层面、信息层面及资 源层面解决集成问题 。

为提高航空电子系统综合性能及研发效率， 需采用开放式航空电子系统架构，即通过使用公开标准，对系统结构分层、软硬件接口、数据封装的通用性与一致性进行规范化约束，使系统具有可互操作性、可移植性、高经济性和可变规模能力。但是，航电系统架构研究基础性强、专业面广、知识体系复杂，尤其是标准制定及转化应用面临巨大挑战。

本文在分析未来航空电子系统需求及国内外架构标准现状的基础上，提出了面向服务的开放式航空电子系统架构标准，内容涵盖需求分析、架构设计、组件开发、集成验证、工具链等，并通过实践验证了标准的有效性，从而为后续推广应用提供参考。

1.标准制定的必要性

1.1 我国航电系统架构标准现状及问题

（1）航空电子系统架构研究方兴未艾,但对 系统架构研究边界缺乏共识面向航空电子系统体系化发展需求，我国航电系统架构研究正在从以平台为中心向以任务为中心转变。从体系视角出发，按照正向设计流程开展开放式架构设计越来越受到重视。但对系统架构研究的内容和边界仍缺乏共识，例如系统架构设计和系统总体设计之间的关系。

（2）航空电子系统架构标准制定滞后，且牵 引性不强我国航空电子系统相关专业方向已发布了系列标准，如雷达、导航、通信、总线网络等。但航电系统级架构标准缺乏，如GJB 5357-2005《航空电子应用软件接口要求》和HB/Z 360-2008《航空电子应用软件接口应用指南》，重点规定了应用软件与嵌入式实时操作系统之间的接口，但在系统级设计方面引领性不强。

（3）缺乏相应的架构实施指南，推广应用效 率待提升标准和实施指南具有较大的差异性，实施指南的可操作性更强。以联合标准航空电子结构协会（ASAAC）标准为例，在系统管理、时间管理、信息安全等要点上提供了较详细的设计指南。相比较而言，我国航电系统架构设计开发指南缺乏，迫切需要结合标准实践情况制定指导具体操作的实施指南。

1.2 开放式航电系统架构标准制定的必要性

（1）突破单平台限制，支持航空电子“系统 簇”发展随着现代飞机体系化协同任务样式发展，航空电子系统正在突破单平台限制，向“系统簇”（FoS）发展，不再追求单一平台能力最强，而是通过搭载不同传感器或体系化集成实现相似效果。开放式架构标准是构建高性能航电系统的基础，支持系统实现灵活扩展、跨平台能力聚合等目标。

（2）采用标准接口和模型，支持航空电子系 统模块化构建开放式架构的核心要素是标准接口和可复用的模块/部件。开放式架构标准支持系统软硬件功能与行为的抽象和封装，通过定义软硬件标准接口、协议，统一数据模型等，支持构建可灵活组合的应用软件库、服务组件库及硬件资源库，进而实现系统类似“搭积木”构建。

（3）统一方法和工具，提高系统设计与开发 效率航空电子系统研发受系统复杂性制约，具有周期长、成本高、集成验证难度大等特点。通过开放式架构标准研究，不仅制定架构标准及实施指南，而且还能形成规范化的系统设计方法、过程、工具、模型等系列成果，尤其是在工具辅助下能有效提升需求分析、设计、开发和集成验证效率。

2. 国外航空电子系统架构研究现状分析及启示

2.1 国外航电系统架构标准现状分析

（1）美国研究情况

近年来，为了提升航空电子系统的开放性及体系化协同能力，美军先后提出了系列开放式航空电子架构，见图 1。

图1 美军航空电子开放式架构研究情况

如图1所示，典型架构包括：航空电子 硬件开放式架构（HOST）、未来机载能力环境（FACE）、开放式任务系统（OMS）、开放式无线电（Open radio）、传感器开放式架构（SOSA）和联合通用架构（JCA），分别在系统功能、软件模型、物理接口等方面进行了架构定义。其中，系统级架构标准如下。

1）开放式任务系统（OMS）

通过建立标准接口将基于OMS的服务从特 定平台配置中抽象、以及为服务提供通用运行环境等，实现任务载荷在不同飞机上的快速移植。通过“通用武器接口”（UAI）提供标准化的武器相关可复用软件接口，实现机载武器快速综合，从而大幅度节约军机综合新武器时的成本及缩短 研制周期。

2）传感器开放式系统架构（SOSA） 通过定义通用、开放的侦察、情报、监视传感器接口，实现传感器快速部署，提升互操作能力。SOSA定义了传感器管理、任务管理、导航 数据服务等共享组件。

3）联合通用架构（JCA）

该架构将系统功能分解到域、子系统和组件， 并建立域和子系统之间的关联。通过采用未来机载性能环境（FACE）标准建立应用程序接口和数据模型，实现用户接口、机载设备、总线网络、操作系统之间深度解耦，进而支持软件跨平台复用。

（2）其他研究情况

为了持续开展分布 式综合模块化航电系统架构（IMA2G）技术的研究和应用，法国、德国、英国、俄罗斯、意大利、瑞典等欧洲十三个国家联合开展 ASHLEY 项目研究，旨在综合已经完成的SCARLETT项目研究成果，完成IMA 2G研制，并实现在飞机控制领域应用。

2.2 国外航电系统架构标准启示借鉴作用

通过上述标准分析可知，开放式航空电子系 统架构应采用分层设计理念，在功能、数据、物理资源接口等不同方面进行规范化定义。架构典型特征见表1。

表1 开放式航空电子系统架构典型特征

3 开放式航空电子系统架构标准设计思路

3.1 标准总体规划

开放式航空电子系统架构标准由术语标准、 架构规范、实施指南、基础类标准、管理类标准组成，在系统架构需求分析、设计、开发、评估、管理等方面提供标准支撑。架构标准组见图2。

图2 开放式航空电子系统架构标准组成

3.2 标准概述

3.2.1 术语定义

主要规定了开放式航空电子系统架构的相关 术语，如应用、服务、接入、资源、组件等，从而为统一开放式航空电子系统架构概念和共识奠定基础。

3.2.2 架构标准

主要规定了面向服务的开放式航空电子系统 架构总体设计及分层设计要求，包括层级划分、架构接口、运行管理、验证评估及安全、保密等要求。系统架构采用面向服务方法，通过良好的接口和契约对不同功能单元进行服务化封装，消除硬件平台、操作系统和编程语言差异，从而提升软硬件部署、组合和复用能力。系统架构层级划分如图3所示。

图 3 面向服务的开放式航电系统架构分层示意

系统架构分为应用层、服务层、网络层、接 入层和资源层。其中，应用层通过集成各层级能力执行相关业务，保障航空电子系统执行任务、正常运行及维护等；服务层通过优化组织各类服务和底层资源，提供动态、弹性、按需分配的具体业务处理能力，支撑上层应用执行；网络层面向系统内部、外部数据交互需求，实现数据高效传输；接入层提供资源灵活接入系统能力；资源层提供信息采集、处理、存储、显示、输出等基本能力。

3.2.3 实施指南

主要规定了开放式航空电子系统架构开发方 法、流程、关键要素等要求，用于指导开放式航空电子系统架构设计与开发。具体包括基于模型的航空电子系统需求分析指南，系统分层架构设计与评估指南，系统应用、服务、数据建模及开发指南等。

3.2.4 基础类标准

主要规定了开放式航空电子系统架构测试验 证方法、流程等要求，用于指导开放式航空电子系统架构测试验证。具体包括系统架构测试验证指标体系及流程要求、测试验证环境、工具链要求等。

3.2.5 管理类标准

主要规定了开放式航空电子系统架构认证、 发布、推广应用、升级维护等管理类要求。同时，对面向服务的开放式航空电子系统架构所涉及的利益相关方职责划分、协作流程、成果共享、通用流程等进行说明。

3.3 标准支撑作用

开放式航空电子系统架构标准可在系统需求 分析、架构设计、组件开发、集成验证等不同阶段发挥指导作用，如图4所示。

图4 开放式航空电子系统架构标准支撑作用

4. 产品研制中标准应用实践

4.1 概述

本标准已在多个航电系统产品方案论证及开 发、验证中应用。与此同时，实践过程中在相关工具链辅助下，航电系统应用、服务、网络、接入组件模型及资源模型不断积累和完善。

4.2 典型案例

以某航电原型系统研制为例，在系统需求分 析、架构设计、组件开发、集成验证过程中采用了相关标准。具体情况如下。

（1）典型场景想定

有人机携带探测载荷，控制无人僚机对某区 域进行监视。无人机通过数据链将探测到的相关信息传送给有人机。场景想定如图5所示。

图5 有人机 / 无人机协同监视示意

（2）航电系统架构设计

有人机和无人机航电系统采用开放式架构， 按照应用软件 + 领域服务组件 + 基础服务平台 +通用处理平台 + 开放式传感器的方式进行构建，并针对不同需求灵活组合。其中：

1）应用软件，通过按需使用服务执行相关 业务，按照应用层实施指南进行设计与开发。具体包括自动巡航、协同侦察、自动返航、数字地图辅助导航、无人机指控等应用软件。

2）领域服务组件，执行具 体业务，可根据不同服务质量QoS被应用软件调用，也可在服务组件之间相互调用，按照服务层实施指南进行设计与开发。具体包括导航定位、飞行管理、数据融合等组件。

3）基础服务平台，保障系统实现基本功能， 如操作系统适配、日志管理、数据分发、时间管理等，按照服务层、网络层、接入层实施指南进行设计与开发。具体包括系统管理、网络管理、接入管理等组件。

4）通用处理平台，提供通用计算、信号处理、 图像处理、I/O处理、存储等核心处理能力，按照资源层实施指南进行设计与开发。具体包括通用计算、存储、I/O等采用开放式接口标准的资源。

5）开放式传感器，提供信息获取、信息发 送/辐射等能力，按照资源层实施指南进行设计与开发。具体包括雷达、光电等采用开放式接口标准的传感器资源。

（3）工具链建设及使用情况

航电原型系统研制中贯彻基础类标准中规定 的基于模型的设计、开发及集成验证方法。基于数据接口建模工具、软件架构建模工具、虚拟操作系统等开展软件组件设计与开发；基于系统配置、性能分析工具等开展架构特性评估工作。主要工具情况如表 2所示。

表2 主要工具使用情况

（4）集成验证

面向典型任务场景想定，基于可复用的软件 组件库和资源库，在相关工具支撑下，分别开展了有人机、无人机航电原型系统集成与评估工作。

主要流程如下。

1）构建通用处理平台

根据有人机、无人机航电原型系统需求，配 置相关通用模块，分别形成有人机、无人机航电系统通用处理平台。

2）选择通用传感器

从基于商用货架产品的传感器库中，分别有 人机、无人机探测、识别、导航等传感器。各传感器能根据外部指令调节工作模式，获取、处理、传输相关信息。

3）构建基础服务平台

根据有人机、无人机航电系统处理平台差异， 分别开发及配置操作系统适配、系统管理、数据分发、网络管理、资源接入管理等组件，形成屏蔽硬件差异的基础服务平台。

4）部署领域服务组件

根据有人机、无人机航电原型系统功能需求 差异，分别在基础服务平台上部署相关领域服务组件。

5）部署应用软件

根据有人机、无人机航电原型系统任务需求 和能力差异，分别部署相关应用软件。

6）软硬件注册

有人机、无人机航电原型系统的各软件组件、 硬件分别在基础服务平台上进行注册及发布。

7）执行任务

有人机、无人机航电原型系统按照既定逻辑 运行相关应用软件及服务、网络、接入组件，协同执行相关任务。其中，无人机航电原型系统响应有人机控制命令，分别运行自动巡航、协同侦察、自动返航等应用。

8）系统架构评估

在试验过程中，有人机、无人机航电原型系 统具有优良的互联、互通、互操作能力，并且在缩短系统研发时间、降低成本等方面有较大优势。

5. 结论

本文面向航空电子“系统簇”发展趋势，提 出了以组件化、服务化为典型特征的开放式航空电子系统架构标准，并在有人机/无人机协同航空电子原型系统研制中进行了应用实践。并开展了该标准使用收益的定性评估，结果表明：该标准在指导可复用软件及资源设计、开发和集成验证等方面具有重要价值。后续将加强该标准使用收益及风险的量化评估研究，从而为推广应用提供有力支撑。