|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Комплексная система управления ЛА.
7.4.1. Состав АСУ. Итак, система АСУ (или АБСУ – бортовые АСУ) в комплексе с наземными радиотехническими устройствами решает задачи ручного и автоматического управления ЛА на всех режимах его полета. Она состоит из: 1). Автомата тяги, предназначенного для стабилизации скорости полета ЛА путем воздействия на величину тяги двигателя. 2). Системы автоматического управления САУ, работающей в режимах штурвального и автоматического управления путем воздействия на рули и элероны самолета. 3). Системы траекторного управления, формирующей сигналы управления для САУ, и командно-пилотажных приборов КПП в режиме захода на посадку по сигналам курсовых и глиссадных радиомаяков КРМ и ГРМ. 4). Блока навигации и сигнализации БНС, формирующего управляющие сигналы для АСУ самолетом по сигналам радиотехнических систем ближней навигации, а также команды достижения предельных отклонений самолета от заданной траектории полета при заходе на посадку и команды достижения высот 250, 100, 60 и 30 м при полете на глиссаде. 5). Системы встроенного контроля. Для повышения безопасности полета все чаще применяется автоматическое управление самолетом на некоторых ответственных режимах полета: вывод самолета на аэродром посадки, полет на малых и предельно малых высотах, посадка. С помощью, так называемых, автоматов опасных режимов полета происходит автоматическое отключение или ограничение перемещений органов управления на предельно допустимых значениях угла атаки, крена, скольжения и т.д.
7.4.2. Каналы управления САУ имеет три канала управления: 1). Канал курса, управляющий отклонением руля направления δ Н (разворот самолета с помощью элеронов на заданный курс ψ осуществляется установкой его на пульте задатчика курса с выбранным для этого углом крена). По достижении нужного курса включается схема стабилизации заданного курса. 2). Канал крена, управляющий отклонением элеронов δ Э с целью стабилизации крена. 3). Канал тангажа, управляющий отклонением руля высоты δ В с целью стабилизации тангажа. Каждый канал представляет собой регулятор с жесткой обратной связью, рулевой агрегат которого включен в проводку бустера управления самолетом, что позволяет использовать рулевой агрегат в автоматическом и штурвальном управлении самолетом. В каждом канале САУ можно выделить три его функциональные части: 1). Блоки связи согласуют выходные сигналы взаимодействующих систем, т.е. формируют подходящие по амплитуде и форме сигналы управления. Основные элементы блоков связи – дифференциальные усилители и задающие механизмы. 2). Вычислители преобразуют, суммируют и усиливают управляющие сигналы, а также обеспечивают переключение (коммутацию) режимов работы САУ. Соответственно, их основные элементы – преобразователи, сумматоры и усилители постоянного тока. 3). Сервопривод является силовой следящей (с обратной связью) системой, перемещающей органы управления самолета в соответствии с управляющими сигналами. Основные элементы сервопривода – усилители мощности, датчики обратной связи и исполнительные механизмы (электрогидравлические рулевые агрегаты или машины).
Видеоурок «Полёт в Лос-Анджелес, Lufthansa».
7.4.3. Режимы работы. Всю совокупность режимов работы АБСУ можно представить тремя основными видами: 1). Режим штурвального управления, когда формируется согласованная система «самолет – САУ», обеспечивающая демпфирование боковых и продольных колебаний самолета и улучшение характеристик управляемости ручного управления. 2). Режимы автоматического управления и стабилизации, когда выполняются соответственно заданным параметрам движения: - стабилизация углового положения самолета, высоты полета и путевого угла; - координированные развороты с углами крена до 30° (задаваемые летчиком) и управление углом тангажа при наборе высоты до +20°, а при снижении – до -10°; - стабилизация самолета на траектории, задаваемой навигационным вычислителем (НВ) и бортовой вычислительной машиной (БЦВМ); - управление самолетом при автоматическом заходе на посадку по сигналам системы траекторного управления (СТУ); - стабилизация скорости полета при одновременной стабилизации высоты или глиссады планирования с помощью автомата тяги по сигналам указателя скорости (УС). 3). Режим директорного управления, когда в условиях отсутствия видимости земли или других ориентиров осуществляется автоматическая обработка необходимой для пилотирования самолета информации, и АБСУ выдает летчику вторичную информацию в виде отклонения командных стрелок директорного прибора. 7.4.4. Управление взлетом и посадкой. (см. методическое пособие «Взлет-посадка»). Управление самолетом в районе аэродрома является наиболее сложной задачей самолетовождения. Для обеспечения выполнения маневра захода на посадку аэродромы оснащаются специальными радиотехническими средствами, независящими от погодных условий. Курсовые и глиссадные радиомаяки (КРМ и ГРМ) «жестко привязаны» к взлетно-посадочной полосе (ВПП) и задают траекторию захода на посадку. Заход на посадку может быть выполнен в директорном и автоматическом режимах. При директорном управлении летчик, отклоняя элероны и руль высоты, выдерживает командные стрелки командно-пилотажного прибора (КПП) δ Z и δ Н в нулевом положении, чем обеспечивает правильное выполнение маневра или следование по заданной траектории. В автоматическом режиме происходит «захват» сигнала КРМ со стабилизацией полета в горизонтальной плоскости (по задаваемому им курсу) и «захват» сигнала ГРМ со стабилизацией полета в вертикальной плоскости (по задаваемой траектории и скорости снижения). Причем в каждом промежутке времени маневра система траекторного движения (СТУ) формирует определенные сигналы крена и тангажа. Помимо этого, при посадке разностные сигналы между текущим и заданным значением скорости от указателя скорости (УС) с целью стабилизации глиссады планирования поступают в автомат тяги (АТ). Международным общепринятым стандартом автоматической системы захода на посадку является система ILS ( Instrumental Lighting System). Далее следует выполнение контрольной работы по системам АБСУ. 7.5. Исполнительные механизмы систем управления. Исполнительным механизмом автоматических систем управления являются электрогидравлические рулевые машины, выполненные по схеме гидроусиления. Гидравлические машины способны при больших нагрузках (сопротивлениях воздушных масс) создавать необходимые давления в системах управления и тем самым обеспечивать заданную системой тягу на элементах управления. Основная часть машины – поршень со штоком, приводимый в движение рабочей жидкостью.
Рабочая жидкость под высоким давлением, создаваемым внешним электрическим или электромеханическим насосом 1, нагнетается в полость цилиндра 4 через дозирующий (редукционный) клапан 2. Далее с помощью переключающего клапана 5 давление жидкости передается либо в левую, либо в правую полость поршневого цилиндра 6, сдвигая поршень соответственно вправо или влево. Левая часть поршня через систему тяг связана с органами управления, например, со штурвалом. Правая часть поршня также, через систему тяг, - с элементами крыла или руля высоты. Электромеханические клапаны 2 и 5 могут питаться, как и насос, постоянным напряжением 27В, а управление ими берет на себя электроника АСУ. С целью усвоения принципа работы, на рисунке показана простейшая схема гидравлики. На практике гидравлический блок 3 может иметь двух и трехконтурную схему усиления тяги с многочисленными шариковыми клапанами, уменьшающую также время отклика на командные сигналы АСУ. Помимо этого за передвижением отдельных узлов гидравлики следят установленные на них датчики, передающие в блок управления (БУ) АСУ сигналы обратной связи в случае рассогласования управления или для его коррекции. *7.6. Средства обеспечения надежности АСУ и безопасности полета. Надежность обеспечивается высокой степенью резервирования отдельных датчиков, вычислителей и исполнительных механизмов и наличием встроенного контроля. При этом остается возможным полностью ручное управление рулями и элеронами во всем диапазоне углов их отклонений. Каждый из каналов АСУ построен по принципу смешанного резервирования. Так, например, в одном продольном канале крена сигналы поступают в устройство управления (УУ) одновременно с трех гировертикалей (МГВ) по трем отдельным цепям, где они постоянно сравниваются. Также и каждый канал сервопривода состоит из трех одинаковых, параллельно действующих и независящих друг от друга подканалов. При неисправности одного из подканалов произойдет его отключение. Если случится второй отказ, что маловероятно в течение одного полета, сервопривод автоматически отключится и летчику будет выдана информация о случившемся. В автоматических режимах работает только один канал, а второй находится в состоянии «нагруженного резерва» или в «горячем состоянии» на случай быстрой замены неисправного; при этом третий канал переходит из «холодного состояния» в «горячее». Система встроенного контроля осуществляет непрерывный контроль технического состояния резервированной системы, отключает неисправные блоки и переводит систему на резервные режимы работы, а также обеспечивает автоматический предполетный тест-контроль. 7.7. Бортовые регистраторы полетных данных (или БУР – бортовое устройство регистрации) являются частью единого комплекса системы регистрации и обработки получаемой информации. При этом система обработки информации обычно является наземной и представляет собой дешифрирующие и вычислительные устройства. Результаты обработки данной информации используются для анализа летных происшествий и предпосылок к ним, для определения способов совершенствования ЛА, подготовки летного и технического состава. Основные требования к БРПД: 1). Сохраняемость записанной информации при пожарах, ударных перегрузках с ускорениями до 200g, при попадании в топливную, масляную среду и в морскую воду. 2). Малые габаритные размеры. 3). Достаточное число записываемой информации. 4). Возможность быстрого обнаружения в случае разрушения ЛА. Выполнение этих требований обеспечивается применением механически прочных, термостойких и влагостойких материалов. В ряде случаев регистратор оборудуется катапультой, выбрасывающей его при аварии. Обнаружение обеспечивается с помощью радиомаяка и яркой окраски корпуса (обычно оранжевого цвета). Оптимизация (минимизация) числа регистрируемых данных проводится на основании опыта эксплуатации, с условием, что выбор данных должен с заданной точностью, скоростью и достоверностью восстановления оценивать условия полета на всем его протяжении. Регистрируемые данные можно разделить по приоритету на следующие группы (см. приложение 2). В зависимости от способа записи регистраторы бывают: - с механической записью (чернилами, путем наколов ленты); - фотооптической записью на фотопленку; - магнитной записью на магнитную ленту; - теплохимической записью на специальную ленту из фольги. По назначению регистраторы делятся на: 1). Эксплуатационные, предназначенные для записи большого числа параметров бортовых изделий, обеспечивающих оценку качества работы и поиска мест отказов. 2). Аварийные, предназначенные для записи параметров полета и расследования причин летных происшествий. 3). Испытательные, записывающие очень большое число параметров полета на этапе испытаний нового ЛА. Для получения достоверной информации о режимах полета в каждый момент времени необходимо, чтобы запись данных была представлена в аналоговой графической форме, т.е. в виде зависимости x( t). В этом случае при обработке записи требуется распознать каждый параметр из их числа и определить его значение. Этот процесс называется дешифрованием записей регистратора. В цифровых регистраторах параметр « x» представлен в цифровом виде и предварительно требует преобразования его в аналоговую величину x( t). Этот процесс называется декодированием записи. В механических и оптических регистраторах запись осуществляется сразу в наглядной графической форме, поэтому обработка записей заключается только в дешифровании. Результаты обработки параметров отображаются на мониторе наземной ЭВМ в виде траектории движения и пространственного положения ЛА в любой момент времени. 7.8. Системы управления беспилотными ЛА. Управление беспилотным ЛА можно рассмотреть на примере крылатой ракеты – ЛА одноразового действия с автономной системой наведения и снаряженной ядерной или обычной боеголовкой. По развиваемой скорости крылатые ракеты подразделяют на гиперзвуковые, сверхзвуковые (М=1, 0…2, 2) и дозвуковые. У сверхзвуковых ракет роль крыльев выполняют боковые воздухозаборники и сам корпус. Аэродинамические схемы ракет зависят от расположения органов продольного управления относительно центра масс ракеты, т.е. рулей: в хвостовой части (нормальная схема), в носовой части и на задней кромке крыла. Отличительными особенностями современных дозвуковых крылатых ракет являются: - массовость их применения, - малая высота управляемого полёта, - малая заметность в радиолокационном, оптическом (инфракрасном) и акустическом диапазонах. В качестве системы наведения стратегических дозвуковых крылатых ракет с ядерной боевой частью применяется корреляционная система, в которой используется метод навигации по топографическим картам местности. Набор карт вводится в запоминающее устройство БЦВМ ракеты. Поэтому точность выхода ракеты в район цели зависит в основном от точности карт и типа рельефа земной поверхности. Основными бортовыми приборами ракеты, определяющими ее траекторию движения, являются радио- и барометрический высотомер, поскольку для уменьшения уязвимости полет совершается с огибанием рельефа местности на малой высоте. Для дезориентации систем ПВО полет от одного участка коррекции до другого совершается по криволинейному маршруту с помощью радио- и оптических датчиков. С целью повышения точности попадания в цель применяются системы конечного наведения. Системы инерциального наведения заслужили долгосрочное применение на различных типах боевых ракет. Инерциальные системы обеспечивают корректировку траектории средствами астронавигации и отслеживания земного горизонта. Для большинства ракет ближнего боя, т.е. для несущих обычные взрывчатые вещества, используется самонаведение (независимое от искусственных спутников и наземных станций). При активном самонаведении ракета снабжается собственным радиолокатором, который ведет ее к цели. При полуактивном самонаведении цель облучается радиолокатором, расположенным на стартовой площадке или на борту самолета. Ракета в этом случае наводится по сигналу, отраженному от цели, а в конечном наведении – по видеоизображению цели, передаваемому с камеры, установленной на ракете. Полуактивное самонаведение позволяет сохранить на стартовой площадке много дорогостоящего оборудования и дает возможность оператору контролировать цели. Лазерные целеуказатели, которые стали использоваться с начала 1970-х годов, доказали свою высокую эффективность во вьетнамской войне. Приемник системы наведения с лазерным целеуказателем фактически не воспринимает никакого другого излучения, кроме испускаемого лазером собственного передатчика. Поскольку рассеяние лазерного луча невелико, он способен облучать область, не превышающую габаритов, в том числе, и малых целей. Пассивное самонаведение сводится к обнаружению излучений самой цели. Это могут быть радиолокационные сигналы станций ПВО противника, свет и тепловое излучение двигателей самолетов или других ЛА. Боеголовка ракеты может приводиться в действие взрывателем, который детонирует при встрече с целью (контактное инициирование) или на некотором расстоянии от неё (неконтактное инициирование). В последнем случае срабатывание взрывателя происходит, когда сигнал от цели (отраженный или излучаемый самой целью) достигает некоторого порога. Ракеты с неконтактным инициированием снабжают осколочными боеголовками. В момент взрыва таких ракет на цель направляются тысячи стальных или вольфрамовых кубических осколков. Такая шрапнель наиболее эффективна при поражении самолетов, средств связи, радиолокаторов ПВО, а также людей, находящихся вне укрытия. Для поражения бронетехники применяются кумулятивные боеголовки, формирующие направленное движение осколков при взрыве. Одним из последних достижений в области систем противоракетной обороны является создание кинетических ракет, поражающее действие которых определяется чрезвычайно большой скоростью движения. При столкновении такой ракеты с целью выделяется огромное количество разрушительной кинетической энергии. Применение боевых ракет тесно связано с созданием средств борьбы с ними. Одним из первых таких средств на ЛА был «обман» ракеты выбросом ленточек алюминиевой фольги, что приводило к электронным помехам в системах наведения. Современные системы анализируют сигналы радиолокаторов противника и передают в ответ ложные или просто генерируют радиочастотные помехи, достаточные для того, чтобы заглушить систему противника. Помимо этого для защиты от ракет с тепловым наведением на ЛА применяют неэлектронные помехи – отстрел специальных зарядов, создающих вспышки. Для снижения инфракрасной заметности самолета выхлопные газы смешивают на выходе с атмосферным воздухом с помощью сопел специальной конструкции. Современные способы борьбы с электронными помехами (на самих ракетах) основаны на применении в системах наведения поляризованной электромагнитной волны с псевдослучайным изменением рабочих частот. 7.9. Некоторые особенности автоматических систем управления движением космических ЛА. Задача стабилизации и управления космическими ЛА отличается тем, что для создания управляющих моментов нельзя воспользоваться аэродинамическими моментами, как на самолетах, так как полет происходит в безвоздушном пространстве. Как известно, при движении материальной точки массой m по окружности центростремительная сила F, удерживающая ее на окружности, равна
Для спутника: Подставив эти значения в формулу, получим численное значение первой космической скорости: Движение спутника на орбите в безвоздушном пространстве происходит без затраты энергии (т.к. работа, совершаемая гравитационной силой mg в каждую единицу времени, равна нулю), а для вывода его на орбиту требуется огромная энергия. В реальных условиях полета гравитационная сила изменяет величину и направление, вследствие несферичности Земли и гравитационных аномалий (см.п.3.2 МПЗ). Помимо нее на спутник действуют относительно небольшие аэродинамические силы. Поэтому для обеспечения заданного орбитального движения (радиуса и угла наклона орбиты по отношению к меридиану или экватору) применяют корректирующий реактивный двигатель, развивающий в некоторый момент времени определенную тягу. Кроме этого, на заданной траектории полета требуется управлять вращением спутника вокруг его центра масс, ориентируя оси координат спутника по отношению к Земле или звездам. Для этой цели применяют миниатюрные жидкостные реактивные двигатели или тяжелые маховики и гироскопические стабилизаторы. Использование маховиков и гироскопических стабилизаторов дает возможность экономии топлива, а электрическая энергия, расходуемая на их вращение, может быть восполнена, например, с помощью солнечных батарей, установленных на корпусе спутника. Коррекция движения спутника в обоих случаях происходит по заданной программе АБСУ и, или по командам наземных операторов и диспетчеров. Систему управления движением спутников проектируют таким образом, чтобы всегда была возможность у наземных операторов перепрограммировать в процессе полета или дополнять программную часть БЦВМ. Более полное изложение вопросов управления спутниками и космическими ЛА не представляется возможным в связи с ограниченным объемом лекций.
Тема 8. Интерфейсы бортовых систем. Интерфейс – совокупность технических средств (устройств и линий связи), обеспечивающих взаимодействие составных элементов системы или комплекса бортового оборудования (блоков, модулей и т.п.), а также совокупность правил, алгоритмов и временных соотношений по обмену данными между этими составными элементами. 8.1. Общепринятые стандарты. Существует большое разнообразие интерфейсов, но наиболее распространенными являются определенные международными стандартами. В зависимости от уровня оборудования интерфейсы могут быть: - приборные (внутри электронных блоков), - системные (для соединения блоков между собой и подсоединения датчиков) и - комплексные (для обеспечения взаимодействия систем между собой). Внутри электронных блоков разработчик вправе применять любые интерфейсы, но для связи блока с другим оборудованием требуется согласованное применение общепринятого интерфейса, обеспечивающего взаимозаменяемость отдельных блоков в целях их ремонтопригодности и модернизации. Категории стандартов
Относительно компьютеров существует понятие сетей – интерфейсов, соединяющих несколько независимых компьютеров для совместного использования каких-либо ресурсов. Однако в современном бортовом оборудовании интерфейсы представляют собой именно такие сети и называются глобальными сетями передачи данных. В сравнении с интерфейсами для наземной электронной техники, бортовые интерфейсы и сети должны обеспечивать: 1). Работу в реальном масштабе времени (например, это особенно ощутимо для управления на высоких скоростях полета и для выполнения задач навигации с необходимой точностью). 2). Высокую помехоустойчивость. 3). Устойчивость к локальным отказам (обрыв, короткое замыкание линий связи, отказ подключенного к интерфейсу устройства не должны приводить к полному отказу интерфейса). 4). Детерминизм или детерминированность (работу по жестко определенной программе обмена важной информацией, исключающей вмешательство извне и задержку в ее передаче). 5). Возможность дистанционного контроля состояния. 6). Простоту диагностики и технического обслуживания. 7). Легкость изменения состава и конфигурации устройств без ухудшения основных характеристик системы. 8). Работоспособность в неблагоприятных условиях полета. В связи с этими особенностями для сопряжения бортовых систем используются специальные интерфейсы, установленные авиационными стандартами. Два основных стандарта, разработанных в 80-х годах и повсеместно используемых по настоящее время, – это ARINC -429 (для гражданских ЛА) и MIL - STD -1553 B (для военных ЛА). Вполне естественно, что данные интерфейсы устарели и не соответствуют современным требованиям, в первую очередь – в отношении пропускной способности (скорости обмена информацией). Поэтому в настоящее время для гражданской авиации взамен появились новые интерфейсы ARINC -629 для магистральных самолетов и ASCB для легких ЛА. А для военных целей существующий MIL-STD-1553B модернизировали в стандарт STANAG -3910 (НАТО) с повышенной скоростью передачи информации. На новейших ЛА высокоскоростные интерфейсы / сети имеют скорость передачи информации до 1Гбит/с с максимально возможной задержкой при приеме менее 1мс. Это – интерфейс « High Speed Data Bus », используемый, например, на истребителе F22 (USA) и на вертолете RAH-66 Comanche и имеющий стандарт AS -4074 SAE (Society of Automotive Engineers) или стандарт STANAG -7076 (в странах НАТО). Помимо этого широкое распространение в авиации получили интерфейсы « Fibre Channel » и « Ethernet / AFDX ». Производство все новых и новых видов оборудования приводит к одновременному использованию на борту нескольких разных интерфейсов между отдельными блоками систем, что приводит к значительным затратам при проектировании, модернизации и обслуживании бортового оборудования. Поэтому в последнее время усилия проектировщиков авиационного оборудования направлены на создание универсального интерфейса. Такие интерфейсы называются масштабируемыми. 8.2. Виды интерфейсов и их особенности. Линии интерфейса – это связи между отдельными блоками. Они могут объединяться в группы – шины. По способам объединения линий интерфейсы могут иметь следующие особенности: 1). Способ управления централизованный и децентрализованный. При централизованном управлении вся передача информации от одного устройства к другому происходит под управлением некоторого главного устройства – контроллер а. Контроллеров может быть несколько, тогда они управляют обменом поочередно с помощью центрального процессора или специального устройства – арбитр а. При децентрализованном управлении все функциональные блоки равноправны и осуществляют обмен самостоятельно. 2). Способ соединения цепочечный, кольцевой, радиальный и магистральный. При цепочечном и кольцевом соединениях выход устройства соединен с входом следующего устройства и т.д.
При радиальном соединении одно устройство соединено одновременно с несколькими, причем с каждым из них по отдельной линии.
Радиальное соединение может быть использовано для связи с центральным устройством – контроллером, под управлением которого происходит обмен данными между устройствами. В данном случае обмен организован с помощью системы команд «запрос-ответ» в соответствии с установленным для каждого устройства приоритетом. Недостаток радиальной структуры – большая длина линий связи, преимущество – простота обмена (адресации). При магистральном соединении к одной общей шине подключены все источники (ПРД) и приемники (ПРМ) информации, а также сам контроллер.
Обмен данными основан на временном распределении по команде контроллера, и связь в каждый момент времени может быть только между одной парой источник-приемник. Недостаток магистральной связи – низкая надежность по сравнению с радиальной связью, однако, малые затраты на кабели и разъемы делает магистральное соединение более предпочтительным при большом числе устройств. При построении сетей чаще употребляется комбинированный вид соединения (см. ниже). 3). Способ передачи информации параллельный, последовательный и параллельно-последовательный. При параллельной передаче m бит (единица) информации передается одновременно по m линиям. Время передачи в этом случае минимально. При последовательной передаче все биты передаются последовательно по одной линии. Количество линий при такой передаче минимально, интерфейс – дешевле, компактнее, проще обеспечить его помехоустойчивость, но возрастает время передачи. При параллельно-последовательной передаче данные передаются посимвольно. Каждый символ состоит из n бит, и все n битов одного символа передаются одновременно и параллельно по n линиям. Сами же символы, следовательно, передаются последовательно, поэтому для передачи m бит информации потребуется k = m / n посылок. Т.е. скорость передачи будет в n раз ниже, чем при параллельной передаче, и в n раз выше, чем при последовательной. 4). Режимы передачи симплексный, полудуплексный, дуплексный и мультиплексный. В симплексном режиме только одно из двух связанных между собой устройств может в произвольный момент времени инициировать передачу информации по выделенной линии интерфейса. В переговорном устройстве с тангентой прием и передача осуществляются поочередно по выделенному каналу связи, т.е. на одной частоте.
В полудуплексном режиме все устройства используют для передачи одну линию связи, но с разделением по времени (существует много различных методов разделения). В дуплексном режиме каждое устройство может передавать информацию другому в произвольные моменты времени, используя для этого раздельные линии интерфейса (например, в телефонии прием и передача происходят одновременно на двух несущих частотах).
В мультиплексном режиме в произвольный момент времени связь может быть осуществлена между любой парой устройств, но в одном направлении. Такая связь характерна для магистрального соединения, где передача происходит по одной линии, а распределение информации между приемниками обеспечивается контроллером. 5). Принцип обмена информацией синхронный и асинхронный. При синхронной передаче данные передаются с постоянной привязкой по времени, в течение которого происходит считывание информации из буфера обмена или напрямую из канала связи. В этом случае на линии присутствует синхронизирующий сигнал (синхроимпульс), по которому запускается счетчик приемника, и фиксированный протокол (алгоритм) обмена, определяющий расположение сигналов адреса и данных относительно него.
синхроимпульсы адрес приемника данные окончание передачи Поскольку кроме синхронизации не требуется никакой дополнительной логики для определения посылки данных, интерфейсы с таким принципом обмена отличаются простотой, дешевизной и большой пропускной способностью. Однако синхронные шины не могут быть длинными из-за проблемы перекоса синхросигналов. Компьютерные шины процессор-память обычно синхронные. Асинхронная передача осуществляется без постоянной привязки по времени, а вместо этого используется старт-стопный режим передачи и протокол «рукопожатия» с управляющими сигналами: «Готовность к обмену», «Начало обмена», «Конец обмена», «Контроль передачи»… Этот принцип передачи более помехоустойчив по сравнению с синхронным и позволяет удлинять шину и сопрягать устройства с различным быстродействием. Шины ввода/вывода обычно асинхронные. 6). Маршрут передачи прямой и косвенный. Прямая передача не требует управления путями обмена данными: передатчик сам выбирает путь, а приемник распознает предназначенные для него сообщения. Поэтому в линии связи кроме буферных устройств и устройств, обеспечивающих достоверность передачи, не требуется никакой логики. Косвенная передача предусматривает логику выбора одного из нескольких альтернативных маршрутов и в связи с этим требует в некоторых случаях преобразование информации. Управление маршрутом передачи осуществляется специальным устройством – маршрутизатор ом. 7). Способ коммутации. Коммутация цепей (или каналов) на шину осуществляется по запросу от какого-либо устройства. Получив разрешение, устройство занимает шину на все время обслуживания запроса. При этом время обслуживания тратится в основном не на выполнение операций на шине, а на выборку из памяти и другие операции, поэтому данный способ не отличается быстродействием и используется для построения телефонных сетей. Шина с коммутацией пакетов имеет большую пропускную способность за счет разделения посылок на транзакции (пакеты) и «расщепления» самих транзакций. Благодаря этому каждое устройство на шине практически не имеет режима ожидания обслуживания. Например, в то время, пока память определяет адрес одного из устройств, другое устройство, уже имеющее разрешение, может передавать данные. Каждая транзакция должна быть помечена таким образом, чтобы устройства и память могли определить очередность и принадлежность данных. Приемник восстанавливает из отдельных пакетов исходное сообщение. Это требует определенного времени, поэтому при большом числе устройств на шине может возникать большая задержка в обмене данными между некоторыми устройствами. Коммутация пакетов – наиболее эффективный способ, т.к. применим для работы в сетях сложной конфигурации за счет возможной параллельной передачи пакетов одного сообщения разными маршрутами. 8). Среда передачи. Витая пара в экране (бифиляр) – два сплетенных вместе изолированных медных провода, заключенных в общую металлизированную оплетку – экран. Иногда применяется трифиляр – три сплетенных провода в экране. Это самый компактный и дешевый вид кабеля. Коаксиальный кабель – медная жила внутри пластиковой оболочки, заключенной в свою очередь в экран, который служит вторым (массовым) проводом для передачи сигнала. Коаксиальный кабель дороже и тяжелее, но позволяет передавать сигнал на большие расстояния с более высокой скоростью. Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) – отличается от медных тем, что данные передаются в прозрачной среде кабеля в виде световых импульсов. Источником света в дорогих ВОЛС может быть лазер. ВОЛС позволяет: - передавать сигналы на расстояния до 50 км без промежуточного усиления; - передавать информацию со скоростью до 50 Гбит/с (в 100 раз быстрее, чем медные); - обеспечить высокую помехоустойчивость, т.к. сигнал не подвержен воздействию электромагнитных полей; - обеспечить скрытность передачи, поскольку оптический сигнал нельзя перехватить без непосредственного вмешательства в кабель; - обеспечить многоканальность передачи (по одному кабелю можно передавать более 1000 каналов со сжатыми видеоизображениями, аудиосигналами и другой информацией); - обеспечить большую устойчивость к механическому воздействию, огню, топливу. В наземной технике в качестве среды передачи могут использоваться также радиоэфир и инфракрасное излучение, но для передачи информации внутри ЛА они не используются по соображениям помехоустойчивости. Так или иначе, все эти особенности интерфейсов определяют и характеризуют пропускную способность системы в целом, физическую длину канала связи и количество устройств, которые могут быть подсоединены к нему. Оптическое волокно
Поэтому оптоволоконные системы используют на особо ответственных объектах, либо для передачи больших объемов информации, в том числе и видеосигналов. Коротко об оптоволокне Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современной волоконной технологии началось в 1950-х годах. Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передачи, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи. Первоначально стеклянные оптические волокна делались из кварцевого стекла, для дальнего инфракрасного диапазона использовались другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и обычное стекло, они имеют показатель преломления около 1, 5. Современное оптоволокно, используемое в оптоволоконных системах, представляет собой прозрачные стеклянные волокна из полиметилметакрилата (PMMA), которые проводят свет от одного конца до другого с минимальными потерями, благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Конструктивно, такое оптоволокно состоит из ядра, оптической оболочки и защитной оболочки. Защитная оболочка, как правило, из фторированных PMMA (фторполимеров). Ядро оптоволокна пропускает световой сигнал, а оптическая оболочка обеспечивает полное внутреннее отражение света в ядре и его прохождение по всей длине. Толщина оптоволокна сопоставима с толщиной человеческого волоса (125 мкм – оптоволокно, 85 мкм – волос).
В настоящее время промышленность выпускает два типа оптоволокна: одномодовое оптоволокно - с одной траекторией распространения сигнала по ядру оптоволокна и многомодовое оптоволокно – с несколькими траекториями распространения световых волн по оптоволокну. При этом многомодовое оптоволокно обеспечивает передачу сигналов на расстояния 1-5 км, а одномодовое оптоволокно – на десятки километров. Это объясняется меньшими потерями при прохождении сигнала в одномодовом волокне по сравнению с многомодовым. Одномодовое волокно стоит намного дороже, чем многомодовое оптоволокно. Однако в оптоволоконных системах управления и видеонаблюдения чаще всего используют многомодовое оптоволокно, поскольку необходимо осуществлять не только передачу видеосигнала, но и аудиосигнала и сигналов управления. Состав оборудования оптоволоконной системы Все оптоволоконные системы имеют примерно одинаковую структуру. На передающем конце оптоволоконной линии находится светодиод или лазерный диод, излучение которого модулируется по амплитуде передаваемым сигналом, поступающим от источника информации. В качестве передаваемого сигнала может выступать видеосигнал от телекамеры, сигнал управления поворотным устройством телекамеры, аудиосигнал и другие сигналы, подлежащие передаче. Прежде чем направить такой сигнал на излучающий светодиод, он предварительно модулируется в амплитудном, частотном или импульсном модуляторе. Использование в оптоволоконной системе такого модулятора в передатчике в паре с демодулятором приемника позволяет одновременно передавать по оптоволокну несколько сигналов различного типа.
Типы модуляции в оптоволоконных системах Для передачи по одному оптоволокну одновременно нескольких независимых сигналов применяются методы временного и частотного уплотнения сигналов. Для этого в оптоволоконные системы наиболее часто устанавливают оптические мультиплексоры с частотным (спектральным) разделением каналов, которые объединяют несколько передаваемых сигналов в один. Каждый источник сигнала передается лучами с различными длинами волн. Эти лучи проходят по оптоволоконной линии независимо и не взаимодействуют друг с другом. Такой вид модуляции называется WDM (wavelength division multiplexing). Он повышает пропускную способность оптоволоконной системы и позволяет осуществлять одновременную двунаправленную передачу информации. Другие виды модуляции оптического сигнала, которые используют оптоволоконные системы: 1). Частотно модулированное частотное мультиплексирование FM-FDM (frequency-modulated frequency division multiplexing). 2). Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой, частотное мультиплексирование AVSB-FDM (amplitude vestigial sideband modulation, Frequency division multiplexing) - обеспечивает одновременную передачу по одной оптоволоконной линии до 80 каналов. 3). Импульсно кодовая модуляция, частотное мультиплексирование PCM-FDM. Как правило, частота передачи цифровой информации (видеосигнала) через оптоволоконные системы составляет более 10 Гбит/с. Уже к 2006-ому году была достигнута скорость модуляции 111 ГГц, в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. В настоящее время каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов, уже способно передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Одним из преимуществ, отличающих оптоволоконные системы, является абсолютная защищенность оптоволокна от электрических помех, наводок и полное отсутствие излучения во внешнее пространство. Это объясняется тем, что в оптическом канале связи для передачи информации используется световой сигнал, никак не взаимодействующий с электромагнитными полями, а само оптоволокно является диэлектриком и по своей природе не может никак взаимодействовать с электрическими и магнитными полями. Несмотря на чрезвычайно малый диаметр, оптическое волокно может выпускаться в прочной внешней оболочке, выдерживающей большие механические нагрузки, а также гарантирующей длительную работу в сырых помещениях и агрессивных средах. Многофункциональный волоконно-оптический кабель. Некоторые типы оптических кабелей допускают их прокладку непосредственно в земле, что резко удешевляет и ускоряет монтажные работы. Все оптоволоконные системы отличаются повышенным уровнем безопасности, так как передаваемый сигнал не излучается за пределы оптического волокна и к нему невозможно подключиться для несанкционированного перехвата. Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом, например, в навигационной системе Boeing 767, космических аппаратов и т.д. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока.
8.3. Топология сетей. Сеть включает в себя серверы, ресурсы, пользователей (клиентов), среду передачи и промежуточные устройства. Серверы – это мощные компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям. Сети могут быть без серверов (одноранговыми), где компьютеры взаимно разделяют свои ресурсы (бортовая сеть, домашняя сеть, производственная сеть и т.п.). Ресурсы – это базы данных, файлы, другой компьютер, периферийные устройства и т.д. По способу передачи данных сети могут быть с модулированной и немодулированной передачей. При модулированной передаче данные передаются в виде аналогового сигнала – электромагнитной или световой волны (в зависимости от среды передачи). Это позволяет передавать по одному кабелю или радиоэфиру несколько сигналов от разных передатчиков в разных направлениях одновременно, разбив всю полосу пропускания кабеля на множество полос с различными несущими частотами. При немодулированной передаче данные передаются в цифровом виде – электрическими или световыми импульсами (в зависимости от среды передачи). При таком способе вся емкость линии связи, т.е. вся ее полоса пропускания, используется для передачи одного сигнала одного передатчика в течение какого-либо времени. По режиму передачи данных сеть может быть полудуплексной или дуплексной. В полудуплексной сети все компоненты используют для передачи один и тот же кабель в режиме разделения времени. Доступ к кабелю определяют различными средствами. В дуплексной сети каждое оконечное устройство (приемник) соединено отдельной парой проводов кабеля с концентратор ом. Организовывать доступ к кабелю в такой сети не нужно – он обеспечен всегда. Вследствие этого исключаются конфликты между пользователями и оконечными устройствами, т.к. не имеет значения задержка сигналов. Поэтому длина кабеля может быть гораздо больше, чем в полудуплексной сети, т.е. ограничиваться только затуханием сигнала. Топология сети (построение, расположение компонентов) использует рассмотренные выше (п.8.2) виды соединений. При линейной топологии «шина» все компьютеры, включая сервер, подключены к одному кабелю (магистрали, шине). Передачу в каждый момент времени ведет только один из компьютеров. Принимает информацию тот компьютер, чей адрес зашифрован в сигналах передатчика. Такая топология относительно медленная, т.к. другие компьютеры вынуждены ждать своей очереди на передачу информации.
При топологии «звезда» все компьютеры, включая сервер, подключены с помощью сегментов кабеля к центральному устройству – концентратору. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Концентратор может быть активным, т.е. усиливать приходящие на него сигналы, и пассивным. В бортовых сетях топология «звезда» используется редко, т.к. имеет существенный недостаток: при выходе из строя концентратора не работает вся сеть.
Поэтому при построении бортовых сетей чаще применяют комбинированные топологии: 1). «Звезда-шина», при которой концентраторы объединены единой магистралью, и где выход из строй одного компьютера не скажется на работе остальных, а выход из строй одного концентратора повлечет за собой отключение от сети только подключенных к нему компьютеров.
2). «Звезда-кольцо», при которой концентраторы подключены к главному концентратору по топологии «звезды», а кольцо реализовано логически внутри главного концентратора.
Промежуточные устройства сети обеспечивают достоверную передачу информации на всем протяжении сети. Виды промежуточных устройств: 1). Повторитель (repeat hub) – усиливает затухающий сигнал и передает его в другие сегменты сети. Т.к. повторитель не преобразует сигнал, соединяемые сегменты должны иметь одинаковые методы доступа. 2). Мост (bridge) – соединяет два сегмента сети, но в отличие от повторителя может накапливать информацию и распределять ее по соединяемым сегментам самостоятельно. Мост решает свою задачу программными средствами и поэтому является относительно медленным устройством. К тому же он может быть только двухпортовым (работать с двумя сегментами). 3). Переключатель (switch hub) – выполняет ту же функцию, что и мост, но сегментирует и передает информацию аппаратными средствами, не замедляя работу сети, и может быть многопортовым (т.е. объединять более двух сегментов сети). 4). Маршрутизатор (router) – более сложное устройство, знающее не только адрес каждого сегмента, но и определяющее наилучший маршрут для передачи данных. Он способен соединять сегменты с разными схемами упаковки данных и разными методами доступа к кабелю, а также позволяет обходить неработающие участки сети. 5). Коммутируемая структура (switched fabric) - содержит несколько коммутаторов, обеспечивающих очень быстрое непосредственное соединение передатчиков и приемников данных, причем одновременно могут соединяться много пар ПРМ-ПРД. В коммутируемой структуре обеспечивается множество одновременных сеансов, за счет чего может достигаться высокая пропускная способность сети. 6). Шлюз (gateway) – обеспечивают связь между различными топологиями и средами, т.е. распаковывают, преобразуют и запаковывают данные, передаваемые из одной среды в другую. Шлюзы – дорогие и медленные устройства; обычно роль шлюзов выполняют серверы. 7). Брандмауэр (firewall) – защитное устройство сети, обеспечивающее безопасность и конфиденциальность передаваемой из одной сети в другую информации. 8.4. Организация доступа к сети. Доступ к сети определяется в основном получением доступа к среде передачи с гарантией того, что в данном сегменте сети только один компьютер может передавать данные в определенный момент времени. В противном случае произойдет коллизия – столкновение и взаимная порча данных, передаваемых двумя компьютерами. Формат передаваемых данных и правила, по которым происходит обмен информацией в сети, называется протокол ом обмена. Как было сказано в начале главы, интерфейс бортовых систем должен иметь такое свойство как детерминированность, предполагающее жесткую программу управления обменом информацией в сети. В децентрализованных сетях (например, в домашних и телефонных сетях, не имеющих контроллера) недетерминированность не предполагает управления процессом доступа. В таких сетях разрешена конкуренция за право доступа, и при одновременной попытке передачи данных несколькими устройствами возникают коллизии. Как правило, в таких сетях доступ организован специальной программой прослушивания несущей (сигнала): все устройства сети прослушивают кабель и определяют, есть ли в нем сигнал от другого устройства, и если нет, начинают передачу. Однако при напряженном трафике и большом количестве устройств коллизии могут происходить часто и даже непрерывно. Тогда сеть зависает. Кроме того, при длине кабеля между устройствами более 2500 м сигнал ослабевает, и обнаружить его трудно. Различные методы доступа реализованы в следующих сетях: - CSMA / CD – Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий, используется в Ethernet; - CSMA / CA – Carrier Sense, Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий, используется в Local Talk; - детерминированный с помощью расписания доступа предыдущий метод CSMA / CA используется в ARINC-629; - CSMA / CR – Carrier Sense, Multiple Access with Collision Resolution – множественный доступ с контролем несущей и разрешением конфликтов. Разрешение конфликтов происходит путем побитового арбитража: передавая очередной бит информации, например «1», и обнаруживая вместо него при прослушивании шины «0», компьютер понимает, что этот «0» передается другим компьютером с более высоким приоритетом и прекращает свою передачу. Такой метод обеспечивает почти 100% достоверность обмена, но побитовый арбитраж требует высокой степени синхронизации компьютеров, поэтому длина кабеля в этом случае ограничена. Данный метод используется в шине CAN-bus. - Доступ с передачей маркера (token) – заключается в передаче от компьютера к компьютеру (чаще в кольцевой сети) по логическому кольцу определенного пакета (комбинации бит). Компьютер, получивший маркер, может занять кабель и передать данные, а другие компьютеры должны ожидать, пока маркер не дойдет до них. Если маркер по какой-либо причине «зависает» на неисправном компьютере, то отправивший его компьютер обращается к следующему за ним компьютеру. Такой метод используется в сетях Token Ring, ArcNet и AS-4074. - Доступ по приоритету запроса – заключается в том, что концентраторы последовательно опрашивают все узлы сети, выявляя запросы на передачу и отдавая предпочтение устройствам с более высоким приоритетом. Используется такой метод доступа в интерфейсе STANAG-3910.
8.5. Бортовые и внутренние интерфейсы. 8.5.1. Внутренний интерфейс БЦВМ, как и в офисных компьютерах использует магистральное соединение с параллельным способом передачи информации, в целях достижения максимальной скорости обмена между внутренними функциональными блоками. Любая БЦВМ включает следующие основные устройства: 1). Процессор – устройство, обеспечивающее вычисления и обработку данных, размещаемых в ОЗУ, по заданной программе. При наличии в БЦВМ нескольких процессоров, как правило, один из них, наряду с обработкой информации, выполняет также функции управления всей БЦВМ. Он называется центральным процессором. 2). Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – часть памяти БЦВМ, которая предназначена для хранения входной информации БЦВМ, а также для промежуточных и конечных результатов вычислений процессора. В процессе переработки информации ОЗУ непосредственно взаимодействует с процессором, постоянно записывая и считывая данные. При наличии в БЦВМ нескольких отдельных блоков ОЗУ, обращение к ним производится через специальное устройство управления памятью. Основными характеристиками ОЗУ являются время обращения к ОЗУ и ёмкость. Время обращения считается скоростью записи или считывания байта информации из любой ячейки. При проектировании БЦВМ время обращения к ОЗУ выбирается равным или меньше времени выполнения простейшей арифметической операции в процессоре, например, сложения. Ёмкость памяти – это максимально возможное число машинных слов определенной длины (или Байт), хранимых в ОЗУ одновременно. 3). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – часть памяти БЦВМ, предназначенная для хранения информации, которая не подлежит изменению в процессе работы. По сравнению с ОЗУ хранение информации в ПЗУ гораздо надежнее, исключена вероятность искажения данных при различных внутренних и внешних сбоях. Обычно время обращения к ПЗУ меньше, чем к ОЗУ, т.к. данные находятся в ячейках с фиксированными адресами. Запись данных в ПЗУ (программирование) производится на заводе-изготовителе БЦВМ. 4). Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) или накопитель данных – часть памяти БЦВМ, предназначенная для хранения неоперативной информации и сбора данных. К ВЗУ относятся диски типа «винчестер», флэш-память и т.д. Объем таких устройств обычно значительно превышает объем ОЗУ. 5). Устройства ввода-вывода (УВВ) – служат для связи БЦВМ с внешней средой и объектом управления. УВВ должны обеспечивать заданную комплексом точность измерения и преобразования входных и выходных величин во всем их диапазоне. Перспективные комплексы авионики характеризуются переходом от блочного исполнения состава бортового комплекса оборудования к модульному. Это касается и разработки новых видов БЦВМ. Набор типовых модулей (модулей процессоров, модулей памяти, модулей ввода-вывода) обеспечивает построение на их основе БЦВМ с различной структурой, топологией и различным числом этих модулей. Такое построение является универсальным и позволяет получить практически оптимальные системы для широкого класса ЛА. Существует много типов универсальных магистралей для внутренних интерфейсов - ISA, EISA, VME, Q-bus, Multibus, PCI. Перспективными интерфейсами бортовых компьютеров в первую очередь являются Rapid-IO, Infiniband, Starfabric, PCI-Express. Для военных целей разработаны специальные параллельные интерфейсы PI Bus и Futurebus. При существующих скоростях работы процессоров, а также в многопроцессорных системах параллельные шины не обеспечивают достаточную для них пропускную способность, т.к. в определенный момент времени шина занята обменом только двух устройств. Решить эту проблему позволяет коммутируемая структура. Функциональные блоки компьютера соединяются коммутируемой структурой, и за счет обеспечения множества одновременных сеансов может достигаться гигантская пропускная способность внутренней магистрали БЦВМ - до тысяч Гбит/с, т.е. до нескольких Тбит/с. Поскольку параллельные магистрали требуют много контактов, занимают существенную часть разъемов платы и восприимчивы к электромагнитным помехам, для нужд авиации были разработаны высокоскоростные последовательные интерфейсы. Такие современные интерфейсы соизмеримы по скорости с параллельными магистралями, но проще, дешевле, занимают мало места и потребляют меньше электроэнергии. Новейший пример последовательного интерфейса – шина SAFEbus (стандарт ARINC-659). В качестве нового поколения она является основным внутренним интерфейсом комплекса интегрированной авионики (AIMS, объединяющей БЦВМ и приборы) на самолетах Boeing-777. 8.5.2. Интерфейсы для связи с датчиками – простые. Главной задачей их является передача и преобразование сигнала датчика в аналоговый, дискретный (цифровой) или дискретно-аналоговый сигналы. Аналоговый сигнал – это числовое значение графической зависимости измеряемого параметра от какой-либо величины (в большинстве случаев – от времени). Оно может быть любым в пределах диапазона измерений. Если информация о величине параметра закодирована частотой импульсов или временным интервалом между ними, то такой сигнал - дискретно-аналоговый. Дискретный сигнал принимает только одно из двух возможных значений – «0» (например, «Выкл.») и «1» (например, «Вкл.»). Сигналы такого рода называют также командами: - «Шасси убрано» / «Шасси выпущено», - «Давление в норме» / «Давление велико», - «Нет пожара» / «Пожар» … В России сигналы на борту ЛА имеют стандарты, предусмотренные ГОСТом 18977-79: - переменное напряжение ……………………………………….…… от 2, 4 до 8 В; - постоянное напряжение (питания схемы) …………….…… 0-5 В или 0-10 В (до +27); - постоянный ток ……………………………………..........…….………. от 0, 1 до 15 мА; - диапазон сопротивления датчиков температуры ….….. 75-225 Ом; - отсутствие дискретного сигнала на шине ………………….. 2, 4-5 В или разрыв; - наличие дискретного сигнала на шине ……………………... 0-0, 44 В или замыкание на корпус; - длительность импульса команды ………………………….…… не менее 50 мкс; - длительность фронта импульса команды …………………. не более 20% от его длительности. Международный стандарт, регламентирующий типы сигналов датчиков, – ARINC-729. Современные бортовые датчики стали более интеллектуальными, имеют микропроцессор, а информацию выдают в цифровом виде, используя для этого простые цифровые интерфейсы. Интерфейс CAN – Controller Area Network, который первоначально был разработан фирмой BOSCH для объединения в единую сеть датчиков, приборов и исполнительных механизмов автомобиля, в настоящее время применяется и в аэрокосмическом приборостроении. Такие интерфейсы в этом случае являются связующим звеном между центральной магистралью комплекса (например, MIL-STD-1553B) и множеством датчиков и механизмов. 8.5.3. Бортовые (приборные, аппаратные) интерфейсы военной авиации. Мультиплексный канал информационного обмена (МКИО) впервые появился в 1973г. и использовался в своем первоначальном виде на ударном тактическом истребителе США F-15 (Eagle). Позднее он был принят в качестве стандартного бортового интерфейса во многих странах: - в США под стандартом MIL-STD-1553B; - в странах НАТО под стандартом STANAG-3838; - в России под стандартом ГОСТ 26765.52-87 (! ). В настоящее время МКИО используется на большинстве военных самолетов. Его широкое и долгое применение связано со следующими достоинствами: 1). Линейная топология. Такая топология идеально подходит для распределенных (многофункциональных) комплексов оборудования ЛА. По сравнению с радиальными связями, свойственных, например, для интерфейса ARINC-429, связей в МКИО гораздо меньше, и экономятся масса и габариты оборудования. Помимо этого, при такой топологии легко менять состав комплекса, т.е. добавлять новые устройства или исключать какие-либо из имеющихся. 2). Надежность. Линейная шина легче дублируется, а также проще при этом обеспечить автоматическое переключение на резервную шину при отказе основной. 3). Детерминизм. Жесткая программа обмена данными работает по принципу «команда – ответ» в реальном масштабе времени, что обеспечивает мгновенное исполнение основными системами команд АСУ и пилотов. МКИО гарантирует величину задержки информации, меньшую даже, чем у новейшего интерфейса Fibre Channel. 4). Поддержка неинтеллектуальных терминалов. Т.е. предусмотрена возможность подключения простых (нецифровых) датчиков и исполнительных устройств. 5). Общедоступная элементная база. Микросхемы для этого вида интерфейса производятся повсеместно.
Защитные и согласующие цепи шлейфов (собранные на резисторах и трансформаторах), обеспечивают работу магистрали при коротких замыканиях в подключаемых приборах. Несмотря на свои положительные качества, применение МКИО на перспективных ЛА затруднено из-за невысокой по современным меркам скорости передачи, равной 1Мбит/с. Стремление сохранить имеющиеся наработки по усовершенствованию МКИО привело к созданию бортового интерфейса стандарта STANAG-3910 (шина EFA-bus), которая используется на самолетах Eurofighter и Rafale (Огненный шквал). Российский стандарт этого интерфейса – ГОСТ Р-50832-95. Увеличения скорости обмена в таком доработанном варианте МКИО добились параллельным включением к уже имеющейся шине МКИО высокоскоростной магистрали (со скоростью передачи 20Мбит/с). Управление доступом к высокоскоростной магистрали осуществляется специальным контроллером. Он подключает к магистрали более новые высокоскоростные бортовые устройства через разветвитель. Структура такой связи по стандарту STANAG-3910 на базе MIL-STD-1553B выглядит следующим образом: MIL - STD -1553 B
Здесь устройства нового поколения - 1 и 3, а T / R означает ПРД/ПРМ (transmitter/receiver). На базе STANAG-3910 разработан еще один стандарт – его симплексная разновидность STANAG-7040. В этой системе только один передатчик, поэтому не требуется контроллер и низкоскоростная шина. Самой последней разработкой компьютерной промышленности по части интерфейсов является Fibre Channel ( FC ). Его использование регламентируют более 20 стандартов. Для авиационного применения разработан специальный стандарт FC-AE. В частности для военного применения FC-AE используется на следующих американских самолетах, несущих на борту новейшие виды вооружения с высокой точностью и скоростью действия: 1). F/A-18 Hornet – морской ударный истребитель, созданный авиакомпанией McDonell Douglas и оборудованный многорежимной цифровой импульсно-доплеровской РЛС Hughes AN/APG-65, которая позволяет сопровождать до 10 целей, включая режим картографирования земной поверхности, обход наземных препятствий и поиск надводных целей. На его борту расположены две БЦВМ, аппаратура спутниковой навигационной системы, радионавигационная система Collins AN/ARN-118 TACAN, автоматическая система посадки на авианосец, станция предупреждения о радиолокационном облучении Magnavox AN/ALR-50, устройство для разбрасывания дипольных отражателей и другие системы. 2). F-16 E/F block 60 (или Viper -2100) – многофункциональный истребитель, созданный компанией Northrop и оснащенный навигационно-прицельной контейнерной системой LANTIRN, широкоугольным индикатором на лобовом стекле с голографической оптикой для нанесения высокоточных ударов по наземным целям вне зависимости от времени суток, от погоды и в условиях жесткого противодействия сил ПВО противника. 3). RAH-66 Comanche – боевой вертолет, созданный фирмой Boeing-Sikorsky и оборудованный электронной системой идентификации целей и управления полетом в любых условиях с применением инфракрасных сенсоров. 4). AH-64D Longbow Apache – боевой вертолет, созданный авиакомпанией McDonell Douglas, оснащенный системой управления огнем Longbow на базе СВЧ-РЛС. 5). E-3C Sentry – летающий командный пункт с системой дальнего радиолокационного обнаружения AWACS, созданный на базе гражданского самолета Boeing 767-27C. Внешне этот самолет отличается тем, что перед вертикальным оперением на двух пилонах установлена антенна РЛС с обтекателем диаметром 9, 14м, которая вращается со скоростью 6 об/мин. Дальность обнаружения целей, включая морские цели, составляет 320 км. Обработкой данных занимается БЦВМ Lockheed Martin CC-2E. Разработка программ обработки данных велась совместно с японскими инженерами. На перспективном малозаметном (по технологии stealth) ударном истребителе F-35 JSF (Joint Strike Fighter), разработанном американской фирмой Lockheed Martin совместно с Northrop Grumman, Pratt-Whitney, Rolls-Royce, Alisson и British Airspace, Fiber Channel будет основным интерфейсом, объединяющем все важнейшие бортовые системы. Принятый уровень сигнала в FC =8…10 В, что обеспечивает высокую достоверность передачи. Топология по структуре, как и для масштабируемого интерфейса, напоминает молекулярную решетку волокна с множеством связанных между собой блоков, а по обмену – внутреннюю вычислительную сеть БЦВМ. Чтобы подчеркнуть отличие топологии среды передачи информации в FC, разработчики назвали такое множество связей не сетью (network), а структурой (fabric). Максимальное количество узлов в структуре =224, т.е. более 16 миллионов. Каждый узел при подключении к структуре FC проходит стандартную для всех узлов процедуру регистрации с получением адресов и возможностях всех остальных узлов и становится частью структуры. Центральными устройствами FC являются коммутируемые структуры (см. п. 8.3). Скорость последовательной передачи информации в таких структурах на базе Fibre Channel равна 0, 8-1, 0 Гбит/с, и уже ведутся дальнейшие разработки по увеличению скорости до 10 Гбит/с. Основное затруднение в настоящее время – отсутствие высокоскоростных переключателей и концентраторов, соответствующих жестким авиационным требованиям. Из-за этого пока остается невозможным строить сложные разветвленные сети и приходится ограничиваться небольшими участками с радиальной связью. 8.5.4. Бортовая сеть Ethernet для целей гражданской авиации. Сеть Ethernet появилась в 1975г. и в настоящее время это самая популярная сетевая архитектура с множественным доступом CSMA/CD и со скоростью передачи до 100 Мбит/с. Поскольку сеть Ethernet с самого начала разрабатывалась для коммерческого применения (как телевидение), то в ней не уделяется внимания тому, дошли ли данные до места назначения. Передатчик будет продолжать работу независимо от того, «слышит» его кто-нибудь или нет. В авиационном применении это неприемлемо, и поэтому бортовая сеть Ethernet изменена в протоколе передаче, с целью повышения достоверности передачи данных, т.е. с целью повышения детерминизма. В качестве бортовой сети Ethernet используется на самолетах Boeing-777, но для передачи некритических данных – в системе развлечения пассажиров, на стоянке и т.п. В ответственной роли фирма Rockwell Collins впервые применила Ethernet со скоростью 10 Мбит/с в системе индикации (т.е. в системе реального времени) на самолетах Boeing 767-400ER. А на самолете А-380 эта сеть выбрана в качестве основного бортового интерфейса, соединяющего систему самолетовождения, средства индикации и сигнализации. Создаваемая для А-380 доработанная разновидность Ethernet известна как AFDX (avionics full duplex switched network). Основное отличие от Ethernet заключается в том, что AFDX – дублированная сеть с дополнительными требованиями к линиям связи. Естественно, что доработки коснулись, прежде всего, промежуточных устройств линий связи, во избежание коллизий и неопределенности данных. Изменение роли Ethernet на борту ЛА вызвало необходимость разработки нового стандарта – ARINC-664. Этот стандарт адаптирует сеть Ethernet для применения в бортовых сетях передачи данных и сужает выбор из множества ее разновидностей до четырех возможных вариантов: 10Base-T, 10Base-2, 100Base-TX, 100Base-FX. Различие их заключается в скорости обмена (первая цифра в обозначении указывает скорость в Мбит/с) и в топологии. По сравнению с существующим интерфейсом ARINC-429 Ethernet дает следующие преимущества: - увеличенную пропускную способность, - гибкость в архитектуре авионики, - уменьшение количества проводов. Данные, которыми обмениваются системы на борту гражданского самолета, больше не ограничиваются отдельными параметрами как скорость, высота и т.д. В настоящее время гражданская авиация движется по пути передачи уже не данных, а информации, объемы которой измеряются гигабайтами. Т.е. теперь это может быть индикация рельефа пролетаемого участка местности, схема аэродрома, карта погоды. На новейших пассажирских самолетах, даже в случае кабинетной конструкции авионики, как на Boeing-777, вычислительные модули тесно связаны специальной внутренней шиной БЦВМ и поэтому должны быть размещены в одной «оболочке» или, по крайней мере, в ограниченном пространстве (вся сеть авионики этих самолетов соответствует стандарту ARINC-629). Но это ограничивает размещение поблизости объемных вычислительных ресурсов. С Ethernet такой проблемы нет: вычислительные модули, вычислительные модули, расположенные в разных концах самолета, могут обмениваться информацией точно так же, как если бы находились рядом. Кроме того, с помощью Ethernet данные можно направлять в любую точку самолета без больших изменений в конструкции самолета, в виду полной универсальности интерфейса. Отсутствие общей физической оболочки оборудования позволяет более гибко выбирать поставщиков средств авионики и не зависеть от них (т.е., когда оборудование размещено в одном корпусе, поставщик – тоже один). Бортовые сети могут быть двух типов: обыкновенные (compliant network) и (profiled network). Обыкновенная сеть полностью соответствует спецификации IEEE 802.3, использует протоколы обмена TCP/IP или UDP/IP и с наземными средствами связывается по обычным каналам связи. По уровню критичности обыкновенные сети отвечают требованиям уровня «D» и ниже, т.е. используются для некритичных целей, таких, как развлечение пассажиров. Профилированная сеть предназначена для выполнения критических или существенных полетных функций (управление полетом, система индикации и т.п.), поэтому она должна быть детерминированной, подчинена жестким авиационным правилам и обязательно контролируема. Профилированных сетей на борту может быть несколько, разделенных по уровню критичности. Обыкновенные и профилированные сети, хотя они и сертифицируются на разных уровнях, тем не менее, могут соединяться между собой, но только с применением шлюзов, маршрутизаторов и брандмауэра.
Центральными устройствами бортовых сетей являются маршрутизаторы. На борту должно быть, как минимум, одно такое устройство. Через маршрутизатор обеспечивается соединение бортовых сетей с внебортовыми через радиотелефонный, спутниковый или СВЧ каналы связи. Для трафика воздух-земля маршрутизатор использует шифрование данных и различает адрес своего борта, но может быть и коммерческим устройством. В последнем случае его программное обеспечение имеет низкий уровень критичности «Е». 8.5.5. Масштабируемый интерфейс. Наличие на борту разных интерфейсов, как, например, при использовании сети Ethernet, усложняет аппаратуру ввода-вывода, требует постоянного преобразования информации из одной формы в другую. Идеальным решением был бы единый интерфейс, объединяющий все функциональные бортовые устройства. Это позволило бы значительно уменьшить массу и стоимость оборудования. Масштабируемость – широкое понятие, в соответствии с которым единый интерфейс должен обладать следующими качествами: 1). Пропускная способность должна обеспечивать работу всех бортовых устройств, при смешанной передаче данных, сообщений, команд, видео и аудиосигналов в последовательных и параллельных шинах. 2). Улучшение характеристик авионики и добавление оборудования на протяжении всей жизни ЛА (30 лет и более) должно происходить без переделки данного бортового интерфейса. 3). Интерфейс должен быть нечувствителен к расстоянию и помехам и рассчитан как на оптическую среду передачи, так и на электрическую, более дешевую. 4). Высокая надежность должна быть обеспечена в соответствии с требованиями ЛА и при толерантности (нечувствительности) к отказам отдельных элементов. 5). Единый интерфейс не должен быть требовательным в отношении технического обслуживания. Одним из основных кандидатов на роль единого интерфейса на борту сегодня является масштабируемый когерентный (логически связанный) интерфейс – Scalable Coherent Interface (SCI). Принцип общей магистрали разработчики SCI отклонили с самого начала. Магистраль при большом количестве информации стала узким местом, поэтому в новой системе узлы стали соединять индивидуальными связями, причем упорядоченными в одном направлении для каждого сектора. Данный метод аналогичен построению транспортных магистралей: для борьбы с заторами предусматривают строительство дублеров и переулков – индивидуальных связей. Индивидуальные перекрёстные связи определили оптимальные топологии SCI:
Топология «матрица» в объеме дает топологию «гиперкуб». Помимо матрицы разрабатываются топологии с различными комбинациями колец и переключателей:
Топология с централизованным переключателем Строительство сети с централизованным переключателем (как развязок на дорогах) пока остается за будущим, ввиду отсутствия высокоскоростного переключателя. Такой переключатель должен использовать маленький лазер, не требующий охлаждения, который еще не создан. Поэтому на сегодняшний день топологии SCI ограничены кольцами и радиальными связями.
Тема 10. Системы индикации. Основным способом представления информации экипажу являются приборы, электронные индикаторы приборных панелей (досок) и сигнализаторы. 10.1. Компоновка приборных панелей. Несмотря на большое разнообразие ЛА существуют общие правила расположения приборов и индикаторов на приборных панелях. В кабине ЛА с двумя пилотами перед ними размещаются три приборных панели – левая, средняя и правая:
Напротив каждого пилота устанавливают командно-пилотажный индикатор 1 и навигационно-плановый индикатор 2 (приборы 1 и 2 могут располагаться вертикально). В зоне 3 располагаются: 1). Основные приборы: указатель скорости, барометрический высотомер и вариометр. 2). Вспомогательные пилотажно-навигационные приборы: радиовысотомер, указатель числа М, указатель истинной воздушной и путевой скорости, указатель поворота и скольжения, комбинированный указатель угла атаки и перегрузки, дублирующий высотомер, индикатор курсовых углов, индикатор дальности, часы и др. В приборных панелях нового поколения приборы зоны 3 могут быть совмещены с индикаторами 1 и 2. На средней приборной панели установлен общий монитор комплексной системы информации и сигнализации 4, а также в зоне 5 – резервные пилотажно-навигационные индикаторы: авиагоризонт, навигационный индикатор или комбинированный пилотажно-навигационный дублер, а также высотомер, указатель приборной скорости и вариометр. В зоне 6 и на центральной консоли располагаются индикаторы параметров силовой установки: указатель положения рычагов топливных насосов (тяги), тахометры, указатели температуры, топлива, масла и т.п. Для самолетов с турбовинтовыми двигателями в эту группу приборов дополнительно входят указатели крутящего момента и индикаторы отрицательной тяги, а для вертолетов – указатели оборотов и шага винтов. В зонах 11 средней панели или на центральной консоли располагают индикаторы управляющих поверхностей самолета (закрылков, предкрылков, тормозных щитков, элеронов, стабилизатора, рулей высоты, руля направления) и индикаторы положения триммеров. В зонах 7 и на боковых консолях располагают индикаторы и звуковые сигнализаторы самолетных систем. Для кислородной системы эти приборы дублируются у каждого пилота, индикаторы других систем (топливной, кондиционирования, противопожарной, противообледенительной, электроснабжения, тормозов и др.) могут быть общими, если они видимы обоим пилотам. В зонах 8 размещают аварийные световые сигнализаторы, в зоне 9 – предупреждающие, а в зонах 10 – уведомляющие. В зоне 12 находятся средства управления пилотажно-навигационным комплексом (пульт систем автоматического управления).
При такой группировке легче определить пространственное положение ЛА и режимы полета. Приборы навигационной системы самолета Boeing -737-300 В комбинированных приборных панелях нового поколения Т-образное расположение на дисплее основных указателей также остается основополагающим принципом компоновки:
На приборной панели ЛА с одним пилотом индикаторы и сигнализаторы располагают аналогично:
Кабины вертолетов 10.2. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). На современных ЛА главным средством индикации стали электронные индикаторы. В отличие от традиционного прибора, отображающего максимум 8 параметров, на экране электронного индикатора могут отображаться десятки параметров и сигналов, сменяя друг друга по мере необходимости. Высокая надежность и эффективность по многим критериям (по массе, габаритам, стоимости, потребляемой мощности) привели к тому, что электронные индикаторы захватили все главные роли в кабине пилота, оттеснив традиционные приборы и сигнализаторы на периферию рабочей зоны в качестве дополнительных и резервных средств. Индикаторы на электронно-лучевых трубках (ИЭЛТ) были первыми авиационными экранными индикаторами. К настоящему времени они сохранились не только на самолетах и вертолетах предыдущих поколений, причем заменяются и там. Одна из причин утраты ИЭЛТ своих ведущих позиций заключается в том, что за 40 лет существования технология ЭЛТ так и не сумела достичь яркости, обеспечивающей видимость изображения при высокой солнечной засветке. ЖКИ обеспечивают такой уровень яркости 700-800 кд/м2 и имеют перспективы ее увеличения до идеальных 1300 кд/м2. Кроме того, ЖКИ легче, имеют меньшую глубину монтажа и безопаснее для человека (не генерируют вредные излучения и электромагнитные поля). Хотя пиковое потребление электроэнергии во время разогрева панели у ЖКИ такое же, как у ИЭЛТ, в установившемся режиме они потребляют меньше и не так требовательны к охлаждению. Качество изображения на ЖКИ при индикации статической картинки выше, как это видно на следующем фото: Авиационная приборная панель “ Garmin G 3000”
Сенсорные экраны DST ( Dispersive Signal Technology) реагирует на деформацию стекла. Возможно нажатие на экран рукой или любым предметом. Отличительной особенностью является высокая скорость реакции и возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана (см. приложение «Touch screen»). Авиационная приборная GPS панель Garmin G3000 – это первая интегрированная приборная модель для небольших самолетов с управлением при помощи сенсорного экрана. Основные характеристики устройства: 5, 7 дюймовый сенсорный экран управления; 14, 1 дюймовый WXGA основной экран полётных данных и универсальный дисплей; трехмерная, полностью цифровая, двухканальная, защищенная от сбоев система автоматического пилотирования. «Garmin» планирует пройти сертификацию устройства G3000 во второй половине 2011 года.
Но существует ряд недостатков ЖКИ, на устранение которых направлено главное внимание разработчиков приборов: 1). Динамическое изображение информации дает ступенчатость наклонных линий. 2). Плохая видимость под большим углом обзора. 3). Невысокая скорость переключения пикселей, т.е. большое время отклика, что проявляется на динамичных изображениях в виде ореолов и шлейфов. 4). Ограниченный температурный диапазон работы (замерзание кристаллов при низких температурах). 5). Низкий выход годных панелей в производстве, отсюда – высокая стоимость.
 Сама ЖК-панель не является источником света – она лишь пропускает через себя свет, излучаемый лампой подсвета. Панель представляет собой слой жидкокристаллического материала (ЖК-молекул), заключенный между двумя стеклянными пластинами с электродным покрытием. С обеих сторон к стеклянным пластинам примыкают поляризационные фильтры, причем углы их поляризации взаимно перпендикулярны. Свет от лампы, проходя через первый фильтр, поляризуется (в параллельные друг другу плоскости).
Если ЖК материал не оказывает влияния на проходящий свет, тот будет полностью поглощаться вторым фильтром, создавая на экране черную точку. Если же ЖК материал изменит на 90 ° угол поляризации света, тот беспрепятственно пройдет через второй вертикальный фильтр и создаст на изображении яркую точку, цвет которой задается цветовым фильтром. Управление ориентацией молекул ЖК материала производится с помощью прозрачных электродов, находящихся по обе стороны материала. Структура электродов сетчатая, разделяющая ЖК материал на матрицу пикселей (ячеек). На каждый пиксель может быть подано различное напряжение по соответствующим ему координатам (номеру столбца и номеру строки). Панель с таким способом управления называется ЖК-панелью на пассивных матрицах. Все современные бортовые ЖКИ используют панели на активных матрицах ( AMLCD ). В такой панели на ее поверхность наносится пленка, содержащая матрицу транзисторов, каждый из которых управляет своим пикселем изображения. В результате улучшается четкость и яркость изображения, скорость его перерисовки (т.е. быстродействие), т.к. уменьшается время включения/выключения пикселя и устраняется взаимовлияние соседних пикселей. Лучшие на 2011 год ЖКИ имеют следующие характеристики: углы обзора по горизонтали и вертикали = +/-80°; разрешающая способность = до 100 пикселей/см2; максимальная яркость = 1000 кд/м2; количество оттенков цвета = 512. Лидером по применению ЖКИ на самолетах и вертолетах являются США – около 70% всех авиационных индикаторов жидкокристаллические.
Применение ЖКИ создало условия для производства компактных многофункциональных индикаторов (МФИ):
Это позволило сократить занимаемое приборами пространство кабины вдвое. Благодаря этому стало возможным расположить в боковых консолях аппаратуру вычислительного комплекса и тем самым повысить скорость обмена информацией при управлении самолетом, а также увеличить обзорность внешней обстановки.
  Кабины военных самолетов 4 и 5-го поколений
Приборная панель самолета, разработанная компанией « SKYLANE » |
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-30; Просмотров: 1434; Нарушение авторского права страницы
– является гравитационной силой притяжения к Земле, равная mg; 
– радиус орбиты, равный сумме радиуса Земли 6370 км и высоты полета, 
– скорость полета, равная первой космической скорости 
. 
В последние годы оптоволоконные системы в качестве линий связи стали неотъемлемой частью большинства интерфейсов систем управления. Все чаще они применяются для высокоскоростной передачи аналоговых и цифровых сигналов различных систем. Обладая низкими потерями, оптоволоконная линия связи способна транслировать сигналы на расстояния до десятков километров без использования промежуточных усилителей ( repeat hub ). 
Одномодовое и многомодовое оптоволокно для оптоволоконных систем
При передаче световое излучение лазерного диода модулируется по яркости в такт с передаваемым сигналом модулятора. Оптическое излучение передается по оптоволоконной линии на приемный модуль, где установлен фотодиод, преобразующий модулированный по яркости свет в электрические колебания. После детектирования модулированного оптического видеосигнала он поступает на демодулятор, который разделяет принятый комбинированный сигнал на сигналы отдельных передаваемых каналов. Вид модуляции оптического сигнала и количество одновременно передаваемых по оптоволоконной линии сигналов выбирается, исходя из решения конкретных технических задач. 
основные пилотажные дисплеи
Кабины самолетов D - Jet и Boeing -787 ( Dream Liner ) 
