در طول چند دهه اخیر با افزایش پیچیدگی نرم‌افزارها، معماری‌ اویونیک تغییرات زیادی کرده است. در این مدت سیستم‌های آنالوگ جای خود را به سیستم‌های دیجیتال داده اند. همچنین با افزایش تعداد زیر سیستم‌های هواپیما، پیچیدگی ارتباط بین آن‌ها بیشتر شده است. ارتباطات گسترده درون هواپیما راهکاری جز ایجاد شبکه‌های انتقال داده میان سیستم‌های آن باقی نگذاشته است. از اینرو با شبکه شدن زیر سیستم‌ها و انتقال داده بین آن‌ها، انتخاب یک استاندارد جامع امری مهم است. در این میان عوامل متعددی بر انتخاب استاندارد تاثیرگذار خواهند بود. از جمله این شاخصه‌ها می‌توان به سرعت، قابلیت اطمینان، ایمنی، هزینه و کیفیت خدمات و سرویس‌ها اشاره کرد. امروزه تکامل در فناوری و شبکه‌های داده طیف وسیعی از گزینه‌های انتخابی مناسب را برای هواپیماهای مدرن فراهم کرده است. از این میان استاندارد انتقال داده MIL-STD-1553B همچنان یکی از گزینه‌های مهم شبکه‌سازی سیستم‌های هوایی است.

پیشرفت فناوری در بخش ویدئو و دوربین‌های کیفیت بالا موجب شده است تا نرخ انتقال داده مورد نیاز (بطور تقریبی 200 مگابیت بر ثانیه) بسیار فراتر از حداکثر توان تئوری استاندارد MIL-STD-1553B باشد. از اینرو تلاش‌های بسیاری برای افزایش سرعت انتقال اطلاعات در این استاندارد شده است. این در حالی است که فناوری‌هایی همچون اترنت احتمال بیشتری در برآوردن خواسته‌ها و نیازهای اویونیک هواپیماهای تجاری و احتمالا نظامی خواهند داشت.

نمودار زمانی معماری‌های اویونیک

در تصویر زیر روند تغییر و پیشرفت معماری سیستم‌های اویونیک را مشاهده می‌کنید. همانطور که ملاحظه می‌شود سیستم‌ها از حالت مجزا و توزیع شده به سمت ماژول‌های یکپارچه تغییر شکل داده‌اند. به همین ترتیب ارتباطات میان سیستم‌ها نیز از سیم‌کشی‌های نقطه به نقطه، به شبکه‌های انتقال اطلاعات توسعه یافته‌اند. در ادامه مسیر این تحول را بطور دقیق‌تری بررسی خواهیم کرد.

روند تغییر و پیشرفت معماری سیستم‌های اویونیک

معماری آنالوگ توزیع شده

در دهه 1960 اولین سیستم‌های اویونیک آنالوگ توزیع شده ارائه شدند. معماری این سیستم‌ها به صورت تک منبع- تک دریافت کننده بود که در آن یک کامپیوتر می‌توانست دستورات را برای تنها یک واحد از تجهیزات ارسال کند. این نوع از ارتباطات اختصاصی انتقال داده را به شکل ساده و در واقع تنها در یک جهت انجام می‌دادند که پیش از این در هواپیماهایی با حداقل زیر سیستم بکار گرفته می‌شد. با افزایش پیچیدگی سیستم‌های داده اویونیک، وابستگی و ارتباط متقابل بین تجهیزات به وجود آمد. این معماری به سرعت محدودیت‌های خود را در هواپیماهایی با زیرسیستم زیاد نشان داد و به دلیل نبود هیچ گذرگاه داده‌ای در این معماری و تنها استفاده از سیم و قطعات الکترومکانیکی بزرگ، تغییر سیستم آنالوگ اصلی بسیار دشوار بود.

شماتیک ساده از عرشه پرواز الکترومکانیکی با معماری آنالوگ توزیع شده

یک شماتیک ساده از عرشه پرواز الکترومکانیکی با معماری آنالوگ توزیع شده

معماری دیجیتال توزیع شده

در اواخر دهه 1960 و اوایل 1970 ظهور و بلوغ محاسبات دیجیتالی به معماری‌های دیجیتال توزیع شده کمک بزرگی کرد. در معماری دیجیتال توزیع شده، یک منبع توانایی انتقال داده به چند دریافت کننده را داشت. این معماری با استانداردهایی همچون ARINC 429 به عنوان گذرگاه‌های داده دیجیتال یک جهته سریال اجرا می‌شد.

این فناوری امکان ارتباط هر منبع اطلاعات را با 1 تا 20 زیرسیستم قادر می‌ساخت. اما همچنان این استانداردها یک انتقال ساده را روی یک خط زوج سیم به هم تابیده انجام می‌دادند و انتقال داده دو جهته (دو طرفه) مستلزم وجود دو خط داده مجزا بود. این پروتکل داده در درجه اول در هواپیماهای تجاری به تصویب رسید و به عنوان یک ساختار سیم‌کشی نقطه به نقطه، انتقال مطمئن داده‌ها را با سرعتی حدود 100 کیلوبیت بر ثانیه فراهم کرد.

به دلیل وجود پیچیدگی سیم‌کشی در این نسل از هواپیماها، ارتقا و روزآمد کردن آن‌ها بسیار دشوار بود. همچنین بیشتر تجهیزات هواپیما نیاز به طراحی سفارشی داشته و خبری از سخت‌افزارهای COTS نبود. در هواپیماهایی همچون ایرباس A310/A320 و A330/A340، بالگردهای بل، هواپیماهای بوئینگ 727، 737، 747، 757 و 767 و همچنین مکدانل داگلاس MD-11 از استاندارد ARINC 429 برای ایجاد ارتباط میان برخی از سیستم‌های اویونیک استفاده شده است.معماری اویونیک دیجیتال توزیع شده

وجود استاندارد ARINC-429 و پیشرفت در اجزای کامپیوتری، امکان استفاده از تجهیزات دیجیتالی همچون سیستم مدیریت پرواز را در معماری دیجیتال توزیع شده فراهم کرد.

معماری دیجیتال وابسته

استاندارد نظامی MIL-STD-1553 برای اولین بار در سال 1973 منتشر شد. این گذرگاه‌های داده دیجیتالی یک ارتباط سریال نیمه‌ دو طرفه را بین چند منبع و چند دریافت‌کننده فراهم می‌کند. در دهه 1980 میلادی همچنان که گذرگاه‌های داده ARINC-429 به عنوان عنصر اصلی ایجاد ارتباط میان سیستم‌های اویونیک هواپیماهای تجاری بود، گذرگاه داده 1553 توانست معماری اویونیک دیجیتال وابسته را برای بخش نظامی به ارمغان آورد.

با گذشت زمان و اثبات توانایی‌های گذرگاه داده 1553، کم کم طیف وسیعی از پلتفرم‌ها از جمله هواپیماهای تجاری، زیردریایی‌ها و سیستم‌های اویونیک فضایی، محلی برای گسترش این استاندارد شدند.

قابلیت اطمینان بالای گذرگاه 1553 ناشی از ویژگی متعددی است که در بخش کنترل‌کننده گذرگاه (BC) پیش‌بینی شده است. در واقع BC با شناسایی خطاها و بررسی متوالی هر یک از دیگر اجزای شبکه و ترمینال‌های راه دور (RT) خرابی‌های احتمالی را تشخیص می‌دهد. علاوه بر این یک گذرگاه اضافی (به عنوان افزونگی) و یک BC پشتیبان وجود دارد که در صورت خرابی BC اولیه برای جلوگیری از شکست وارد عمل می‌شود.

دلیل دیگر پذیرش عمومی این استاندارد، سادگی طراحی و پیاده‌سازی آن در سیستم‌های اویونیک بود. زیرسیستم‌ها از طریق این گذرگاه داده به راحتی و مطابق برنامه‌ریزی‌های از پیش تعیین شده می‌توانند با بخش‌های مختلف هواپیما در ارتباط باشند.

معماری دیجیتال وابسته یک قابلیت ارتباطی بیشتر و موثرتر را میان سیستم‌هایی که پیش‌ از این بصورت مستقل عمل می‌کردند ایجاد کرد. انتقال داده از طریق باس‌ها بشدت موجب کاهش وزن و هزینه سیستم‌های سنتی با ارتباط نقطه به نقطه شد. به عنوان نمونه نیروی هوایی ایالت متحده با استفاده از این گذرگاه داده حدود 544 کیلوگرم در وزن سیم‌کشی‌های هواپیمای B-52 صرفه‌جویی کرد. در طی سال‌ها محبوبیت این گذرگاه داده به حدی رسید که بر اساس یک تخمین در سال 2008، حدود 30000 هواپیما در سراسر جهان از آن بهره برده‌اند.

معماری ماژولار یکپارچه

خاصیت ماژولاریتی و افزونگی سیستم استاندارد MIL-STD-1553B مسیر را برای ارتقا سریع زیر سیستم‌های اویونیک هموار ساخت. برای چندین سال این گذرگاه داده و استاندارد ARINC-429 به عنوان هسته اصلی انتقال اطلاعات در هواپیماهای تجاری محسوب می‌شدند. با این حال درخواست برای افزایش نرخ داده روی هواپیما و سیرتکاملی آهسته ARINC-429 منجر به توسعه استاندارد ARINC-653 شد. این استاندارد اهداف کلی سخت‌افزار و نرم‌افزار را برای معماری اویونیک ماژولار یکپارچه[1] (IMA) تشریح می‌کند. توسعه شبکه داده در جنگنده‌های جت نسل چهارم (برای مثال F-35، F-22 و…) منجر به ارائه مراحل اولیه معماری IMA شد، اما در نهایت بیشترین توسعه این معماری در صنعت هواپیماهای تجاری اتفاق افتاد.

درحالی که اجزا در شبکه‌های وابسته با یک سیستم‌عامل مستقل برای هر ماژول سخت‌افزاری عمل می‌کنند، شبکه‌های ماژولار یکپارچه با ایجاد یک لایه انتزاعی میان نرم‌افزار و سخت‌افزار، امکان اختصاص منابع را به و یا از هر زیرسیستم هواپیما می‌دهد.

به طور کلی اجزا و قطعات با سیستم عامل‌های مستقل در هر ماژول سخت افزاری عمل می‌کنند. شبکه‌های ماژولار یکپارچه یک لایه انتزاعی بین سخت‌افزار و نرم‌افزار به منظور تخصیص سریع‌تر منابع به هر زیر سیستم هواپیما تعریف می‌کند. این سیستم‌های بسیار یکپارچه اغلب اهرمی برای سیستم‌های کاملا دوطرفه سوئیچ شده به شبکه داده اترنت (AFDX) با رابط برنامه کاربردی (API) مشخص شده در ARINC 664 پارت 7 برای ارتباطات داده است. این سیستم‌های یکپارچه اغلب از یک شبکه داده سوئیچی به نام [2]AFDX برای تبادل اطلاعات استفاده می‌کنند.

این شبکه داده در اصل جایگزین اتصالات نقطه به نقطه ARINC-429 با لینک‌‌های مجازی[3] (VL) روی یک شبکه فیزیکی یکپارچه شده است. شبکه AFDX از کابلی با سیم‌های زوج به هم تابیده یا کابل فیبر نوری برای انتقال دو جهته اترنت (با دو جفت ارتباط جداگانه) در مسیرهای ارسال و دریافت استفاده می‌کند. این رویکرد مانع از برخورد و تلاقی اطلاعات تبادلی می‌شود. سوئیچ‌ها جزء اصلی این سیستم به حساب می‌آیند و یک شبکه توزیع شده از بسته‌های اطلاعاتی ایجاد می‌کنند. پیش از این سیستم IMA در تعدادی از هواپیماها از جمله ایرباس A350، A380، A400 و بوئینگ 777 و 787، فالکن 900، و ATR42/72 پیاده‌سازی و اجرا شده است.

معماری اویونیک ماژولار یکپارچه

شبکه‌های داده پرسرعت در هواپیماهای امروزی امکان استفاده از یک سیستم مدیریت پرواز پیشرفته همراه با سیستم پردازنده مرکزی را فراهم کرده است.

نقاط قوت گذرگاه 1553B

سیستم MIL-STD-1553B دارای ویژگی‌هایی از قبیل مقیاس‌پذیری و قطعیت است و به همین دلیل دائما در چند دهه اخیر جذب صنایع مختلف شده است. نرم افزارها و رابط‌های گرافیکی توسعه‌یافته برای این استاندارد سهولت در شبیه‌سازی را برای کاربران ایجاد می‌کنند. علاوه بر این بخش‌های عمده‌ای از اجزای آن بصورت COTS در دسترس بوده و در نتیجه فرآیند طراحی آسان‌تر می‌شود.

یکی از ویژگی‌های اساسی MIL-STD-1553B انتقال قابل اعتماد است که خطر و هزینه در پیاده‌سازی و اجرا را نسبت به دیگر استانداردهای اویونیک بسیار کاهش می‌دهد. نرخ خطای بیت در این گذرگاه داده کمتر از 10-12 است و بنابراین تنها بخش بسیار کوچکی از پهنای باند گذرگاه برای انتقالات مجدد اطلاعات استفاده شده است. در معماری این گذرگاه داده چندین بافر برای جلوگیری از بروز شکست‌های فاجعه‌‌بار در نظر گرفته شده است. همچنین یک سیستم زمان‌سنج مانع از هرگونه انتقال بزرگتر از 800 µs می‌شود تا گذرگاه برای استفاده سایر تجهیزات آزاد باشد.

علاوه بر موارد یاد شده باید اشاره کرد که دستورالعمل‌ها در استاندارد 1553 بطور منظم و دقیق اجرا شده و امکان زمان‌بندی کامل ارسال اطلاعات و پاسخ‌ به آن‌ها پیش‌بینی شده است. نقطه قوت دیگر این استاندارد استفاده از سیم‌پیچ‌های ایزوله‌ کننده برای هر زیرسیستم است که از انتشار امواج مخرب و تداخل الکترومغناطیسی در سطح شبکه جلوگیری می‌کند.

نقاط ضعف گذرگاه 1553B

مانع اصلی در بکارگیری از گذرگاه 1553B در معماری‌های اویونیک امروزی، پایین بودن نرخ انتقال اطلاعات (حداکثر 1 مگابیت بر ثانیه) است. در مقابل پروتکل AFDX در معماری اویونیک ماژولار یکپارچه سرعتی بیش از 100 مگابایت بر ثانیه را فراهم می‌کند. مشکل دیگر این استاندارد عدم امکان ارسال و دریافت اطلاعات بصورت همزمان است که امکان بکارگیری آن را برای برخی از برنامه‌های کاربردی امروزی محدود می‌سازد.

افزایش توان عملیاتی 1553B

سیستم‌های 1553B یک روش قوی و موثر برای تحقق بخشیدن به ارتباطات و ادغام تجهیزات اویونیکی است. اولین نسخه از این فناوری در سال 1973 با عنوان MIL-STD-1553A منتشر شد و سپس در سال 1978 به نسخه MIL-STD-1553B تغییر پیدا کرد. این نسخه بیشتر روی پروتکل‌های شبکه برای اطمینان از دسترسی همه برنامه‌های کاربردی تعبیه شده نظامی تاکید دارد.

در سال 2006 محققان یک مرکز پژوهشی در کانادا موفق به افزایش سرعت گذرگاه داده 1553B به 200 مگابیت بر ثانیه شدند. این بهبود عملکرد با حمایت مالی ارتش و با حداقل تغییرات در سیستم‌ها اجرا شد. مراحل اولیه آزمایش سیستم مذکور در نیروی هوایی و با استفاده از جت جنگنده F-16 انجام شد و نتایج امیدوار کننده‌ای ارائه کرد. این برنامه به دلیل کاهش بودجه متوقف شد، اما توانست به خوبی پتانسیل سرعت بالا در توپولوژی 1553 را نمایان کند.

در ادامه شرکت DDC با اجرای طرح‌هایی موفق به افزایش سرعت انتقال اطلاعات در استاندارد 1553 شد. طرح اول با عنوان TURBO-1553 نرخ انتقال اطلاعات را تا 5 مگابیت بر ثانیه افزایش داد و در ادامه این شرکت در طرح HYPER-1553 به سرعتی بیش‌ از 100 مگابیت بر ثانیه دست یافت.

نتیجه‌گیری

معماری شبکه‌های داده همراه با پیشرفت‌های سریع فناوری، تغییرات جدی و موثر را تجربه کرده است. در حال حاضر بین انتخاب یک سیستم بسیار یکپارچه با زمان تاخیر کم و توان عملیاتی بالا (گذرگاه AFDX) و یک سیستم گسسته با قطعیت بالا، کم خطر و قابلیت همکاری (گذرگاه 1553) تعادل وجود دارد. استاندارد MIL-STD-1553B یک معماری ارتباطی فوق‌العاده قابل اعتماد است که ممکن است طی سال‌های آینده همچنان به خدمت گرفته شود. معماری IMA مزایای زیادی برای هواپیماهای تجاری ارائه می‌کند، اما همچنان به دنبال یافت یک راهکار مطمئن برای شبکه‌سازی سیستم‌ها است. با این حال فناوری‌های جدید عصر دیجیتال مانند اترنت و شبکه‌های مبتنی بر IP ممکن است با تطبیق قابلیت اطمینان و عملکرد، به عنوان نسل آینده استانداردهای اویونیک نظامی و تجاری معرفی شوند.

منابع:

http://www.intelligent-aerospace.com/

پانویس ها:

[1] Integrated Modular Avionics

[2] Avionics Full-Duplex Switched Ethernet

[3] Virtual Links