2022年8月17日现代战斗空间网站发表了一篇名为《克服挑战，使数字骨干网成为现实》的报道。报道详细阐述了美军数字骨干网的概念及设计要素，提出数字骨干网的建设可以使设备的连接和改进在方式上更为标准化，以便飞机在安装新设备或升级新功能时能达到更强的能力和实现更高的经济效益。

图1：飞机数字化模型

克服挑战，使数字骨干网成为现实

编译：学术plus高级观察员 解兵

本文主要内容及关键词

1.数字骨干的网建设目的：使设备的连接和改进方式标准化，以便在战机上安装新的组件或功能，从而实现更强的能力和更高的经济效益

2.如何实现快速集成与机群复用

①技术层面：数字骨干网--接口标准化/数据通信组建的关键设计标准/与现有系统的兼容性

②美国国防部：采购模式的标准化

③美国陆军：推动项目系统的模块化，MOSA

3.通过以太网进行通信：时间敏感网络的大规模应用；柯林斯公司数据传输解决方案

4.飞机系统设计的安全与认证：安全评估标准(DAL)；分离式设计的数据通道；未来趋势(航空器和任务系统分离)

5.评析：数字骨干网络综合了数据的传输，大大提升集成度的同时，也带来飞机自身的平台化和任务系统的模块化，为今后飞机任务系统的选择和升级提供了更大的自由度，代表了航电技术快速发展的趋势

内容主要整理自外文网站相关资料

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1.建设目的

数字骨干网的建设目的

建设数字骨干网是为了使设备的连接和改进在方式上更为标准化，以便飞机在安装新设备或升级新功能时能达到更强的能力和实现更高的经济效益。现在很多的机载任务设备是为了满足特定飞机的需求和相应的性能指标而研发的，这是研制单一飞机型号的好方法，但是这种研发方法不便于机载设备在其它型号飞机上的应用和未来的持续改进，这不利于在面对层出不穷的新威胁时长期保持空中的优势地位。

如果考虑优化飞机和其它辅助平台要能够以较低的成本实现快速升级，就需要设计一套飞机各类基本系统之间的通用接口。因为这些不同的系统往往是按飞机类型划分的，通用接口设计之初就需要找到各种飞机共有的功能以实现更好的适配。换而言之，数字骨干网希望飞机的飞行系统与安装在飞机上的任务系统都可以使用这些通用接口。

数字骨干网建成以后，将把主要的航空器平台和任务系统进行分离，分离后的任务系统具有模块化和可拆分的特点，可以在多个不同类型的飞机中重复使用。报道认为美国国防部需要优化采购飞机和任务系统的方式，通过尽量少的改动飞机来适应任务系统的快速迭代。使用像数字骨干网这样的先进技术，美国国防部能够减少飞机或者飞机上某一系统的升级成本，从而将预算资金更高效地用于提升飞机作战能力。

2.快速实现

如何实现快速集成与机群复用？

2.1 技术层面：数字骨干网是关键因素

接口的标准化。数字骨干网是实现快速集成的一个关键因素，因为它是飞机平台和综合任务系统之间的标准接口。在数字骨干网中，飞机被分成几个部分，每个主要部分都有一个标准接口，这些接口提供任务系统与航空器平台间的信息交换，如供电、热管理和子系统组件间的数据通信。接口的标准化和飞机整体设计能否同步实施将是数字骨干网发挥预期效果和在飞机上实现模块化、开放系统的关键。

例如在现有的电源管理组件中，飞机电源产生的电压有越来越复杂的趋势，而电压取决于飞机的发电系统。未来采用标准化设计后通用接口的电压将被统一为28V直流电，并且通用接口还可以管理和报告所连接单元的用电情况，以便飞机可以在不同的飞行阶段控制和管理子系统性能，或在部件故障或损坏时动态地平衡电源系统负载。旧的设计方法需要在系统无法重新平衡负载的情况下按照每个部件最大的电力消耗情况进行设计，因此电源管理的标准化设计能使电气系统的尺寸和重量更小。

数据通信组建的关键设计标准。由于系统集成方式的多变性和可供选择的数据通信标准的多样性，数字骨干网的数据通信组件是其中最为复杂的部分。这一组件设计时的关键标准包括：需要分发的数据量、与现有系统的兼容性、需要传输的数据格式、网络安全、防止数据损坏和保证数据传输的可靠性。

与现有系统的兼容性是关键。上述关键标准中，影响数据通信组件的集成成本和研发进度的主要因素就是与现有系统能够达到的兼容程度。通常情况下，数据必须被转码、重新配置来实现改变飞机性能或增加新功能的目的。设计方案时挑选一个使用标准且广泛应用的接口至关重要，可以减少频繁升级所需的时间。

柯林斯公司是飞机上数据分配系统的主要制造商之一，主力产品包括目前大型飞机上使用的ARINC664数据总线。该公司目前正大力投入下一代数据总线解决方案的开发，而目前这个领域最有前途的技术方向之一是开放式的IEEE（电气与电子工程师协会）标准“IEEE P802.1DP / SAE AS6675”，这一标准基于成熟的时间敏感网络（TSN）的技术。这个标准最开始被用于需要保证数据传输准确性和限制延迟的设备，比如工业和汽车自动化领域，现在也正在积极向航空领域进行探索。

2.2 采购模式的标准化（美国国防部）

要实现快速集成和机群复用，首先需要美国国防部改革监督和采购的模式，以确保标准化不只是在单一的飞机或系统组件上实现。新的监督与采购模式应重点加强重要领域的标准化，以便实现在多架飞机或系统组件之间能够重复使用和达到高度融合的目标。

传统观点认为标准化会抑制创新，然而当不遵循标准的部件被装上飞机时，也会产生相应的成本。例如，当出现115V交流电和28V直流电之间的供电标准转换模块、或是为ARINC 429和MIL-STD-1553两个数据标准进行转换的转码器都会增加额外的重量；此外，为了适应特定使用环境或计算设备，而对硬件和软件进行重构也需要大量的金钱和时间成本。

2.3 推动各项目系统的模块化（美军各军种）

当然标准化和灵活性之间存在着天然的冲突，难以两全其美。但通过落实国防部的相关措施，飞机中部件的集成度和再利用的速度可以得到显著提高。目前，美国陆军正在通过建立如美国陆军航空计划执行办公室（PEO）领导下的模块化开放系统方法转型办公室（MOSA）这类机构来提升自己的标准化水平。该机构正在努力推动陆军各飞机项目办公室大规模应用模块化的开放系统，并在其开发项目中对开发工作和接口进行标准化设计。→美智库称MOSA时机已到！将颠覆现有模式，大力整合创新技术

3.以太网

通过以太网进行通信

3.1时间敏感网络：大规模应用

时间敏感网络的最大好处是可以与任何通过以太网进行通信的系统一起使用，覆盖全世界99%的计算机。以太网的计算机不仅应用于日常办公，包括民用航空在内的很多不同种类的计算机已经在考虑采用这个标准。时间敏感网络作为一个当下流行的标准，有很多供应商可供选择，这对于确保供应链的稳定性和产品的可用性非常重要。

时间敏感网络与通用标准兼容的能力能够更高效的将已经在商业航空中使用的技术应用到军用飞机中。而且由于相关芯片组的设计生产厂家比以往军队专用芯片组的更多，为军用飞机开发新功能的速度也会更快、成本也会更低，美国国防部会因此优先将越来越多的重点转向开放系统和开放架构。

3.2 柯林斯：将提供更好的数据传输解决方案

柯林斯公司（Collins）柯林斯正在利用以太网技术发展其Mosarc™系统以提供更好的数据传输解决方案，其中增强的时间敏感网络功能在规定的延迟内提供可靠的数据传输，这些功能过去都要依赖较慢的数据通道。通过这一标准，可以大幅提升带宽，在同一线路上同时分发有关飞行安全的关键数据和或是任务类的数据，从而降低数据通信的复杂度，减少数字骨干网所需的整合时间。该标准成功的关键是数字主干线数据分发系统的设计能否符合规定的设计流程并达到相应的成熟度。

4.安全与认证

飞机设计中的安全与认证

4.1 系统/功能设计保证等级（DAL）

为了使得与飞行性能直接相关的系统均可在严苛条件下运行，并保证其能为飞行员提供正确的数据，在航空领域SAE ARP-4761和MIL-STD-882等安全程序规定了系统评估标准，并根据其对飞机安全运行的影响，给一个系统或功能分配一个设计保证级别（DAL）。DAL（范围为A-E）越高，对飞机安全飞行的影响就越大，而每一个更高的设计保证级别都需要额外的成本来确保系统的正常运行。

4.2 分离式设计的数据通道

如果不在一开始就考虑到这些安全程序，就会影响到数字骨干网未来对快速集成的实现。许多老旧型号的飞机在设计时对关键的飞行安全数据是使用单独且较慢的数据通道，而对任务数据则是使用相互连接和更快速的数据通道。

一些常见的飞行数据包括飞机位置、当前时间、飞机飞行计划、甚至包括飞行员使用的一些显示和控制信息等等。这些不同类型的数据需要采集并分配给任务和飞行关键系统。当两类数据通道之间转换数据时，这种分离式的设计阻碍了系统升级和未来的持续整合。需要说明的是飞行安全数据的传输要求高于任务数据，所以以前都是专门的传输通道，现在全机接口标准化以后两类数据必须放在一条通道中传输，不然无法达到数据骨干网的目标。

图2：F35航电系统

4.3 未来发展趋势：航空器和任务系统分离

由于必须要通过安全审查流程，每次对飞机状态进行更改前都要验证该更改不会影响关键功能。诸如ARINC 653和ARINC 661等航空设计标准就被用来保证更改不会影响飞机飞行安全的方法，但这种新的设计理念也被用于系统架构层面。目前比较流行的是一种叫做航空器和任务系统分割或者分离的概念。这个概念将属于不同部分的功能分开，并确保它们之间互不干扰，以减少更改的影响，从而减少成本。但随之而来的一些问题就是一些相同的系统功能被分割后的不同系统所共享，进而影响了系统工作的效率。

图3：F35座舱模拟机

5.评析

数字骨干网络是继上世纪通用数据总线应用之后又一次巨大进步，不仅综合了数据的传输，还包括了电源和热管理，集成度更高。随之带来的就是飞机本身的平台化和任务系统的模块化，以后一架飞机任务系统的选择和升级都将有更大的自由度，这一点也契合了当今航电技术快速发展的趋势。这次的技术升级大量吸收了相关的民用标准，扩大了供应商的选择范围，同时也保证了技术的先进程度。

参考链接：

https://modernbattlespace.com/2022/08/17/overcoming-challenges-to-make-the-digital-backbone-a-reality/

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