摘要
为了降低装备在整体生命周期的成本，并获得更频繁地升级现有和新型武器系统的能力，美国国防部要求使用开放式系统架构，并已完成许多开放系统架构标准的制定工作。本文将在介绍航空电子领域典型的开放系统架构标准内容、发展状态及商业策略的基础上，对各个标准加以梳理和比较，总结不同开放式架构标准整合情况下可能遇到的问题并给出解决原则；最后，对开放式系统架构标准在新一代航空电子系统中的应用进行展望。
[关键词]开放式系统；航空电子系统；架构标准；系统设计；架构特征分析
0.引言
随着飞机系统复杂度的指数级增长，带来的问题是整机功能集成效率的降低和采购成本的不断上升。同时，受全球地区威胁扩散所驱动，多样化的作战需求推动着作战飞机需求的快速变化与迭代，这就要求飞机系统采用开放式架构，具备低聚合、
高可扩展特性，使之能够快速、经济地进行系统升级。
通过开放式的系统架构设计，使得整个飞机航电系统设计更加模块化（这种模块化不仅包含硬件的模块化设计，也包括了软件的组件化封装），使得整个系统像搭积木一样的方式进行组装和部署。
模块之间通过标准化的接口定义，不仅确保了系统部分之间的信息交互，还使得系统与系统之间互操作成为可能。通过开放式、模块化的设计，由于各个模块设计采用标准规范，只要满足标准规范要求即可集成到整个系统中，因此每一个功能模块可以独立地进行技术革新，从而推动整体系统的技术性能提升，促进系统的更新和升级。随着硬件资源的通用化程度日渐提升，软件在开放式系统概念中占据的地位也越来越重要，它对现代飞机系统能力实现发挥着至关重要的作用。作战系统越来越多地依靠软件来实现其性能特点，软件已经成为系统采办的主导因素。
本文将介绍典型的开放式航电系统架构标准，讨论每个标准的基本内容、发展状态或者商业策略，对各个标准的关键属性加以梳理和比较，最后对开放式系统架构在航空电子系统中的应用进行探究。
1.开放式系统架构典型特征
开放式系统方法的本质是对系统进行有组织的分解、界定执行边界，在软件和硬件共享服务框架的基础上进行分层。开放式系统方法不仅是一种系统设计理念，还包括了商业模式和技术战略，目标是形成模块化、互操作的装备系统，并构建一个开放的行业生态环境，使不同供应商能够竞争和创新，从总体上推动装备的快速投入和升级，同时不断降低设计生产总体成本。模块化开放式系统方法（MOSA：ModularOpenSystemsApproach）[1]，是美国国防部实施开放系统的首选方法。
开放式系统架构一个基本前提是行业广泛认可与采用的开放式标准体系。通过开放式标准体系的规约，认证合格的第三方供应商产品可以根据标准接口设计系统组件或应用软件，实现对系统中某个组件的添加、修改、替换或删除，使之能够快速响应不断变化的用户需求。
美国国防部给出的开放式系统架构五个基本原则包括：
（1）基于标准的模块化设计，具有松耦合性和高内聚性，可以独立获取和采购系统部件；
（2）基于协作的商业投资战略，最大限度地重用成熟的硬件系统设计，确保通过最少的投入取得最好的回报；
（3）通过成熟的技术插入和软件产品升级技术，转变软件密集型系统的生命周期维持策略；
（4）通过系统设计的透明化、持续的设计披露，以及政府、学术界与行业的同行评审，大幅降低开发风险；
（5）通过数据的战略性应用，确保公平的商业竞争环境，并保证在装备整个生命周期内均可获得替代性方案。
2.国外开放式系统架构研究现状
国外对开放式系统架构概念的探索至今已有40多年，美国国防部一直在装备采购中推动和强调开放式系统，提升武器系统的互操作性，新的国防采办政策改革推动了国防部和工业界许多新的开放式系统标准倡议。2019年1月，美国海陆空三军部长签发主题为“武器系统采用模块化开放式方法是当务之急”的服务采购主管和项目执行主管备忘录，回顾了OMS/UCI[2]、SOSA[3]、FACE[4]、VICTORY[5]等通用标准，决定将继续实施这些标准，并且未来在缺乏MOSA标准的领域进一步开发通用标准。
2.1 未来机载能力环境
未来机载能力环境（FACE：FutureAirborneCapabilityEnvironment）的目标是建立一个通用化架构，支持可移植软件能力的跨系统再利用，同时基于该标准推动系统间的互操作性。FACE标准定义了一个模块化软件架构，一套通用的API、数据架构、安全性和安保性配置文件，以及用于一致性验证和认证流程。
为了实现软件组件复用，FACE标准采用对任务系统进行逻辑分段，通过抽象方式将上层的应用软件和服务与特定的硬件设备进行解耦合；同时规约各个分段边界之间的关键接口，从而确定了各个分段之间的标准接口。FACE标准的5个分段包括：可移植组件分段（PCS）、传输服务分段（TSS）、平台特定服务分段（PSSS）、I/O服务分段（IOSS）、操作系统分段（OSS）。
FACE标准和商业开发活动通过开放组织（OpenGroup）进行维护和运营，并形成了FACE联盟，拥有来自美国国防部、工业界和学术界众多会员单位，其愿景是实现以下目标：
（1）在航空电子系统内使用开放的标准化方法；
（2）降低FACE系统的实施成本；
（3）支持稳健的架构，实现高质量软件开发；
（4）使用标准接口，实现航电能力的复用；
（5）实现多个FACE系统间的可移植性；
（6）采购符合FACE标准的产品；
（7）快速装备集成与投入的能力；
（8）提升航空电子行业的创新和竞争。
自2010年以来通过不断地演示验证和工程实践，FACE联盟一直在对技术标准进行渐进式改进，相继发布了FACE技术标准1.0版、2.0版、2.1版、3.0版和3.1版。2017年发布的3.0版包括了针对可移植性和互操作性的关键改进，而2020年发布的最新版本3.1版在3.0版本的基础上对数据架构、传输服务、计算平台等内容进行了进一步的更新和修订，使得FACE软件设计、集成和部署环境更加系统化，提升了FACE标准应用成熟度。
2.2 硬件开放式系统技术
硬件开放式系统技术（HOST：HardwareOpenSystemsTechnologies）是一种针对机载计算硬件资源的多层次方法[6]，用于实现嵌入式计算硬件组件和系统的商用货架产品化（COTS：CommercialOff-The-Shelf），目标是通过定义相应的标准，实现可互换部件的通用化和商品化，从而降低采购、集成和升级任务计算系统的成本以及系统更新升级带来的进度影响。HOST主要采用对机载硬件行业多个供应商生产的硬件进行标准化认证、登记和汇编，从而避免由于专用硬件或者特定供应商产品导致的产品升级问题。HOST架构目标如下：
（1）减少对专有和特定平台硬件的依赖；
（2）利用工业标准的外型和接口；
（3）开放必要的信息，实现完全可以互操作和互换的硬件和软件模块；
（4）建立合规部件登记目录；
（5）为多种装备应用和平台（空中、海上和地面车辆）提供共同的硬件基线，从而实现规模经济，降低装备的总体成本。
根据HOST架构目标所描述，HOST的工作是为多军种装备的嵌入式计算平台制定参考架构和标准，通过在不同平台类型、任务和军事服务中复用嵌入式计算硬件模块，实现硬件资源在更大范围上的共享和充分利用。HOST标准为下一代计算系统硬件组件的定义和设计提供了基础，规范并形成了硬件开放式系统产品线，实现从多域视角上的硬件资源复用，实现商品化和组件互操作。
2.3 传感器开放式系统架构
传感器开放式系统架构（SOSA：SensorOpenSystemArchitecture）的目标是建立一个通用的传感器架构，实现跨传感器类型和解决方案的软硬件模块重用。SOSA技术标准、参考架构和业务指南正处在开发阶段并定期发布草案快照，当前发布了最新的Snapshot2.0版本。SOSA标准采用了模块化的传感器架构设计，明确了外部电气、机械和软件接口定义，软硬件组件的内部模块以及一致性验证流程，支持两种传感器集成模式：即将传感器直接集成到平台上，以及将其作为可拆卸吊舱子系统的一部分。SOSA标准将传感器功能分为六个顶层模块：SOSA传感器管理、信号收集、信号/目标处理、信号分析、信息传输和操作系统支持。
SOSA标准考虑了多标准之间的兼容和接入，在子系统级，利用开放任务系统（OMS：OpenMis-sionSystem）标准信息传递API来实现外部软件接口；在硬件模块级，通过采用或兼容OpenVPX/HOST标准定义相应的传感器硬件标准。
SOSA标准开发活动以FACE架构和标准开发活动为蓝本，也通过开放式组织进行维护和运营，并同样形成了行业联盟。SOSA联盟的愿景是构建传感器和C4ISR有效载荷的业务/采购实践与技术环境，推动创新、行业参与和竞争，通过快速部署
技术，形成具有成本优势的作战能力和平台任务重组，同时最大限度地减少后勤需求。
2.4 开放式任务系统
OMS标准期望通过为任务系统和子系统构建一个通用化架构，使得在任务系统设计和集成中，提升其软硬件复用可能性，降低系统集成和部署的风险。OMS技术标准的目标是实现可承受的技术更新和升级，简化任务系统集成过程，实现服务重用和提升互操作性，促进整个装备生命周期的技术竞争。
OMS标准主要采用面向服务的架构设计方式，对任务系统各类消息模式和软件服务API进行了定义。为实现与飞机安全关键子系统的隔离，OMS架构通过定义和采用关键抽象层（CAL：CadAbstrac-tionLayer），将任务有效载荷和任务软件服务与平台特定的航空电子服务总线（ASB：AvionicServiceBus）之间的接口进行标准化，同时采用通用控制接口标准（UCI：UniversalControllerInterface）的消息传递机制，实现用于任务控制的机间消息协议。
OMS业务管理系统架构和标准制定活动启动于2010年，于2014年建立了一个初步基线，并通过实验和演示验证进行了逐步更新。2018年，OMS标准移交到AFLCMC的开放架构管理办公室（OAMO），提供标准维护、培训和采购支持，目前仅限于向美国国防部和承包商发布。
2.5 联合通用架构
联合通用架构（JCA：JointCommonArchitec-ture[8]）是联合多角色（JMR：JointMultiRole）任务系统架构演示（MSAD）项目的一部分，后者为美军未来垂直起降直升机（FVL：FutureVerticalLift）计划[9]演示和验证任务系统架构方案及相关备用技术。JCA的目标是利用开放式系统架构概念和基于模型的系统工程（MBSE：Model-BasedSystemsEngineering）技术，对FVL系统家族（FoS）能力进行功能分解及规划，自顶向下地将飞机级能力分解为子系统、域及子域、任务级能力，最终被分解到可复用的低层级能力组件（LLC：Low-LevelCon-trol），这些低层级能力组件具有良好的功能组件化定义，可以通过功能性建模技术进行设计，同时它们也像COTS一样进行封装、组配与分发。JCA希望创建一个相对更加顶层的系统框架，
有效获取和有计划地复用跨FVL系列飞机的硬件/软件组件，同时也考虑对传统飞机的改造和升级。JCA架构定义一个概念框架，即功能参考架构（FRA：FunctionalReferenceArchitecture），从逻辑上定义了各个组件的功能、边界和数据接口，以及它们是如何进行设计、装配和部署，以形成一个完整的航空电子系统架构实例的。JCA功能参考架构与FACE参考架构具有密切相关性，两者定了航电架构的不同层级，FACE架构提供航电软件的运行环境，而JCA架构则是从逻辑上定义了驻留于该环境中各个组件的能力描述和规约，面向架构设计的早期阶段。
JCA通过JMR演示验证项目实施，探索了从功能参考架构创建，到基于FACE参考架构软件实现的过程，希望通过开放式系统设计技术，实现FVL系统家族（FoS）、其它平台类型之间的软件复用能力，实现更大的技术竞争并节约装备采购成本。
3.开放式系统架构在航电系统应用分析
3.1 航空电子系统架构需求分析
根据对国外任务系统架构设计相关项目的技术演进进行分析可以看出，在开放式架构下的软硬件复用趋势将对未来装备产生深远的影响，快速系统集成和投入效率、列装成本等都将综合到系统总体设计考量因素中。未来先进航电系统设计不再是从头开始构建，而是通过选择一个标准化的参考架构，并将可重复使用的组件移植和集成到这个标准化参考架构上，实现快速开发和集成，极大地减小了设计到投入的成本。
航空电子系统架构从分立式架构、联合式架构发展到今天的综合式架构，正在向机/电/软/网系统一体化集成的先进的跨平台、体系化综合集成的航电系统架构发展其将向着更加开放的方向发展，在组织形式上呈现出分级分布、灵活可组的特征，未来的先进航空电子架构设计也将是一个综合的系统工程和商业策略过程，而开放式系统架构方法给出了最佳解决方式。
本文在对国内外开放式架构研究及应用情况进展分析的基础上，形成新一代航电系统架构的典型特征如下：
（1）开放性：尽可能采用开放标准设计，采用广泛定义的接口标准，以允许不同的供应商协同设计；
（2）可扩展：具有较好的扩展性能力，可按照规定的数据接口增减或修改功能模块，同时系统功能组织具备高内聚、低耦合特性，当局部功能进行修改、升级时，对系统的影响限制在修改、升级系统内部；
（3）服务化：采用SOA思想，实现组件化设计，可根据不同的系统规划及任务模式，对应用功能、
系统资源进行剪裁和组合；
（4）灵活可组：具备当系统需求发生变化时，增加新的功能，保证新功能与其他旧功能实体不发生竞争冲突，同时具备在作战环境、作战任务发生变化时，通过功能重构或者降级提供稳定的系统功能能力；
（5）经济可承受性：综合权衡性能、通用性和成本等要求，给出综合性系统方案；
（6）演进性：随着时间推移，支撑系统不断地增加新的执行节点数量、类型、功能变化，支撑新技术快速插入语集成的能力。
3.2 开放式系统架构标准在航电系统应用的考虑
开放式系统架构将广泛应用在未来新一代航空装备设计与研制过程中，以实现装备的快速投入和成本节约。开放式系统架构标准是实施开放式系统架构的核心，标准的多样化可能导致在某一特定的工程实践问题上，出现标准之间由于差异性导致的兼容性冲突。本文将对上述开放式系统架构标准的差异性进行对比和描述，并给出针对开放式系统架构标准适用性选择方面的原则和建议。
（1）多个标准间的数据适配问题两种不同标准之间的兼容性和互操作性问题。自上而下的系统级架构开发适用标准如JCA，和自下而上的开放系统架构适用标准如HOST、SOSA和OMS，在架构边界和接口定义上可能会存在不一致，最典型的例子就是计算环境规范和数据模型的差异，那么在系统开发和集成过程将需要对这些不一致进行处理，包括适配、转接和映射等工作在OMS—FACE系统开发计划中研究了OMS和FACE之间的架构边界和接口定义并制定了OMS和FACE之间的协调方法和适配建议以解决两种不同标准之间的兼容性和互操作性问题。因此有必要使用接口数据管理工具，通过专用
工具实现多个 OSA 标准数据元素定义之间的关联和适配，同时确保在系统设计阶段采用统一的数据模型框架。MBSE 工具可以为不同 OSA 标准所定义的软件模块自动生成接口设计文件，也可以为输入输出服务和传输服务自动生成配置文件。
（2）多个标准的权衡与裁剪问题许多开放式系统架构标准具有相似的目标和策略，如 HOST、SOSA 等，因此应用过程中需要根据实际情况对软硬件模块、接口进行统一化定义，通过兼容性设计扩大可接入设备的领域和范畴，从而加速新任务能力的投入使用。如上文所述，在SOSA标准的制定过程中，充分考虑了与其他标准工作组的合作，确保各项标准活动的统一和兼容性。如果HOST、SOSA和开放无线电架构标准在硬件模块规范中均兼容VITA65.0OpenVPX标准，那么根据HOST、SOSA和开放无线电架构标准各自设计的硬件模块将可能实现混合搭载，这将明显提升软硬件资源的复用性和可移植性。
在多种开放式标准可采用的情况下需要对如何选择最优的标准进行权衡分析，可以考虑根据现有的硬件和软件模块是否能满足项目技术要求，以选择更加优化的标准方案。如果没有满足项目技术要求的现有硬件或软件模块，则需要进行技术竞争，从修改后的现有模块或新开发的模块中采购必要的模块。此外标准权衡还应该从多个OSA架构的验证和确认工作上加以考虑。
4.新一代航电系统架构展望
国内航空电子系统架构由联合式，向综合模块化和高度综合模块化发展，随着分布式作战样式的发展，正在向开放式架构发展。体系化分布式作战的核心是集合大范围的、分布在不同空间或域内的航空平台的能力，将各平台的感知力、打击力、决策力形成面向统一任务的聚合力，构建复杂杀伤链路的同时，在全杀伤链环节迟滞、破坏和打破对手的闭环功能，这对未来航空电子系统的提出了新的要求。新一代航电系统为满足其体系化作战任务需求，要求航空平台的传感器、载荷、武器和任务系统，应可通过大容量、高速、隐身/非隐身抗干扰网络实时互联、互通、互操作，实现信息与资源的跨域、跨平台协同与快速重组,以满足作战体系任务需求。
未来新一代航空电子系统架构借鉴开放式系统架构的层次概念，结合航空电子系统任务强实时、环境苛刻、可靠性高等特点，按照自顶向下的功能逻辑划分顺序对整个航电系统进行分层解耦和服务表征，将应用、服务、数据、资源进行模块化定义，并基于开放式系统标准开发可复用的航电应用软件、服务组件库、数据池及适配中间件等，构建面向未来高可移植性和互操作性的航空电子系统设计资产库，为实现平台航空电子系统之间的互联、互通和互操作，缩短航空电子系统产品的研发周期和开发成本提供基础。
（1）构建面向服务的开放式系统架构
通过航电系统架构设计，支持体系能力快速生成、敏捷迭代需求；按照统一的航电系统集成框架，实现多平台的高效集成，增强多平台高实时性协同任务能力，提升不同平台间互联互通互操作效率；对航电系统资源进行解耦，支撑系统功能软件的敏捷升级；应用服务化软件架构，实现对应用的服务化封装，功能共享、资源扩展，形成功能即插即用能力。
（2）快速形成体系化协同作战能力
未来体系化作战的本质是将时空分散、跨域分离的作战资源进行快速配置、统一调度、按需重组，通过智能化技术加速OODA环并行构建、闭合与再循环流程。航电系统将充分考虑体系化作战需求，采用开放式架构设计与集成，支持航空装备融入到整个杀伤链、杀伤网体系，实现杀伤链全功能要素实现和快速生成作战能力。
5.结论
开放式系统架构核心目标是能够在武器系统寿命周期内进行更加经济的系统开发和维护。本文主要对当前已发布或者正在开发的众多开放式系统架构标准进行了梳理，对其内容、适用范围和发展历程等进行概述和总结，并对工程实践中开放式标准的使用给出了可能存在的问题及相关解决原则；最后结合对航空电子系统架构发展趋势的论述，对开放式系统架构在新一代航电系统架构中的应用进行了展望，以期为新一代航电系统的设计提供指导。
（文章来源于作者：黄俊，方学立，翁世倩，作者单位：93184部队，转载此文章仅以传播知识为目的，如有任何版权问题请及时联系我们！）