综合模块化航空电子系统信息延迟时间分析和分配方法

【技术领域】

本发明涉及综合模块化航空电子系统的信息在传递过程中的从前端采集到末端应用的时间延迟分析和分配方法，支持系统设计过程中数据更新周期、节点间延迟时间、分区调度周期、分系统运行时间等设计指标的确立，并支持分析系统架构的合理性。

【背景技术】

在传统的联合式航空电子系统架构下，分系统之间通过单个设备只驻留一个应用实现单一系统的功能，分系统之间、设备之间的信息数据通过直接连接的总线进行通信，从源节点到目标节点最坏情况下的总线通信延迟就是实际的最大延迟时间，因此在系统设计中最大允许时延必须大于实际的最大延迟时间；而更新周期则是与功能性能需求及最大延迟时间密切相关，依据具体的需求确定相应信息数据的更新周期和最大允许延迟。

在综合模块化航空电子系统中，在一个通用处理模块化会同时驻留多个应用实现各自的系统功能，采用分区技术进行周期性调度，而且广泛的采用数据网络实现信息数据通信，系统之间的通信延迟是网络延迟时间、平台数据传递延迟、应用分区调度周期的和，而网络延迟时间与信息数据所选取的网络路径及网络设备密切相关；而更新周期除了与功能性能需求相关外，还与应用分区调度周期和最大允许延迟相互影响。

在综合模块化的航空电子系统的系统设计阶段需要基于系统架构、平台性能和配置策略对信息流时间延迟进行详细分析，分析结果将反过来影响系统架构和配置策略，并为平台性能和子系统性能需求分析提供依据。时间延迟分析对于航电系统中采用高时敏性信息的功能系统具有重要意义，将影响系统功能的实现和稳定性。在工程实践中曾经因为在设计之初未对信息流的时间延迟进行有效分析，在样机研制成功并开展综合联试过程中发现操作指令传递严重滞后，不能有效实现设计目标，从而对系统架构进行大幅度调整、增加新的设备，最终影响项目进度和费用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种综合模块化航空电子系统信息延迟时间分析和分配方法，用于确定系统架构是否合理，高时敏性功能是否可实现。同时也对信息采集周期、平台和子系统性能等参数要求的确立提供依据。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种综合模块化航空电子系统信息延迟时间分析和分配方法，包含以下步骤：

(a)获取每个节点的运行时间或分区调度周期

(b)依据系统架构确定信息流、确定信息途经的节点，分析获取信息最大允许延迟时间D_Max；

(c)通过末端节点的功能性能需求分析，获取末端节点对输入信息更新周期的要求P_R；

(d)从末端节点对输入信息更新周期的要求P_R出发，计算获得前端节点的信息采集周期P″_R；

(e)根据信息最大允许延迟时间D_Max，给每个节点分配分系统延迟时间

(f)给每个节点分配输出信息更新周期和网络最大允许延迟时间

依据上述特征，所述前端节点的信息采集周期P″_R＝P_R/n-D_Max。

依据上述特征，所述分系统最大延迟时间

依据上述特征，所述一种综合模块化航空电子系统信息延迟时间分析和分配方法还包含约束条件：

a)后一个节点的输出信息更新周期不得小于前一个节点的输出信息更新周期

b)输出信息更新周期不得小于节点的调度周期并且必须是调度周期的整数倍；

c)每两个分区节点之间的网络最大路径延迟时间由信息传输路径和平台特性确定；

d)对于单个信息流，其各节点输出信息更新周期和网络最大允许延迟时间并非是唯一正确性，根据以下二个公式对每个节点的参数进行调整分配，但由于每个节点都会处理传输大量数据，最终参数是综合调配结果：

$>D_{Net}^n=P_{Out}^{n-1}+D_{Ts}^n$>

$>\begin{array}{c}{D}_{Max}=P_{In}^1+D_{Ts}^1+T_{Run}^1+...+P_{Out}^{i-1}+D_{Ts}^i+T_{Run}^i+\left(P_{Sch}^i\right)+...+P_{Out}^{n-1}+D_{Ts}^n+T_{Run}^n+\\ \left(P_{Sch}^n\right)\end{array}.$>

【附图说明】

图1为本发明的流程示意图；

图2为前端和末端更新周期与时延关系示意图；

图3为前端和末端更新周期与连续有效数据示意图。

【具体实施方式】

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明先对数据更新周期和信息流最大允许延时进行分析，综合两者的分析结果形成信息流更新周期和时延设计与分配算法，最后给出在时延的设计和分配过程及约束条件。

数据更新周期：从末端节点(应用者)对数据更新周期(分析过程和方法不属于本发明范畴)的要求出发，结合系统架构和系统设计需求，推导出前端节点(产生对象)的数据更新周期与末端数据更新周期和延迟时间的相关公式。

信息流最大允许延时进行分析：结合综合模块化航空电子系统的技术特点，对数据信息从前端节点(产生对象)到末端节点(应用者)的最大允许时延进行分析，综合考虑系统架构、平台设备、网络设备、网络配置(传输路径)、分区调度、分区应用运行时间等相关因素，分别推导出最大允许延时与分系统延迟的相关公式；分系统延迟与网络延迟时间、分区调度周期和分区应用运行时间的相关公式；网络延迟时间与数据更新周期和网络传输延迟时间的相关公式。

信息流更新周期和时延设计与分配算法：综合更新周期和各节点最大时延的分析，推导出信息流总的最大时延与各节点(分系统)数据更新周期、网络传输延迟时间、应用运行时间及分区调度周期之间的相关公式。

约束条件：对系统设计过程中各个节点输出信息更新周期和每两个节点之间网络最大允许延迟时间的设计和分配过程进行说明，并给出约束条件。

1.更新周期

传感器探测信息从前端节点获取到末端节点(应用)要经过一系列的传输和处理，必定会产生延迟，而具体的延迟时间与系统架构和物理实现密切相关，而最大允许延时需要在系统设计时分析和设计。

针对具体的末端节点(应用)和传感器信息进行特定分析，可以获得末端节点(应用)所需的数据更新周期P_R。

假设，从前端节点到末端节点的最大延迟时间为D_Max，则前端节点最大允许数据更新周期

P_R′＝P_R-D_Max>

如图2所示。

在系统设计中，基于数据的可用性和置信度的要求，消除可能存在的数据意外跳变的影响，会对几个连续的有效数据来判断是否采用。

假设，系统设计中，要求连续n次收到信号才最终确认，则最大允许数据更新周期

P′_R＝P_R/n>

如图3所示。

综合以上的分析，从末端节点(应用对象)的数据更新周期的要求出发，结合系统架构和系统设计需求，最终确定前端节点(产生对象)的数据更新周期

P″_R＝P_R/n-D_Max(3)

2.最大允许延时设计

在综合模块化航空电子系统中，采用分区技术进行周期性调度，而且广泛的采用数据网络实现信息数据通信，系统(分系统)之间的通信延迟是系统架构、平台设备、网络设备、网络配置(传输路径)密切相关。

在综合模块化航空电子系统中，采用了网络通信技术，各功能系统(分系统)之间的大部分信息数据不再是通过直接连接的总线进行传递，而是通过网络进行传输；此外，信息数据会经过多个分系统进行处理或转发后再传递给最终使用者。因此，在综合模块化航空电子系统设计过程中，需对数据信息从前端节点(产生)到末端节点(应用)的最大允许时延进行分析，在此称为信息总延迟时间D_Max；然后，依据其传输路径把总延迟分解并分配给每一个环节(分系统)，确定每个环节的最大允许时延(从前一环节输出到本环节输出的时间间隔)，在此称为系统最大延迟时间D_Sys；而从信息输出源到信息输入目标的网络最大延迟时间D_Net，与传输路径、网络设备(交换机)和数据协议转换设备相关。

如果从数据信息的产生源端到最后末端应用经过n个分系统的处理和转发，则：

$>D_{Max}=D_{Sys}^1+D_{Sys}^2+...+D_{Sys}^n---\left(4\right)$>

对于第n个分系统的分系统最大延迟时间则与网络最大延迟时间和分系统处理时间相关：

$>D_{Sys}^n=D_{Net}^n+T_{Run}^n---\left(5\right)$>

当前的综合模块化航空电子系统越来越多的采用分区技术，一个处理模块上驻留有多个功能应用(分系统)，则分系统最大延迟时间还与分系统的分区调度周期相关：

$>D_{Sys}^n=D_{Net}^n+P_{Sch}^n+T_{Run}^n---\left(6\right)$>

对于第n个分系统的网络最大延迟时间则与数据信息的输入更新周期网络最大路径延迟时间相关：

$>D_{Net}^n=P_{Out}^{n-1}+D_{Ts}^n---\left(7\right)$>

3.信息流更新周期和时延设计与分配

综合更新周期和各节点最大时延的分析，可以获得信息流总的最大时延：

$>\begin{array}{c}{D}_{Max}=P_{In}^1+D_{Ts}^1+T_{Run}^1+...+P_{Out}^{i-1}+D_{Ts}^i+T_{Run}^i+\left(P_{Sch}^i\right)+...+P_{Out}^{n-1}+D_{Ts}^n+T_{Run}^n\\ +\left(P_{Sch}^n\right)\end{array}---\left(8\right)$>

其中，为前端传感器信号采集周期；为前端传感器信号处理系统的处理时间；为第i-1个节点的输出信号更新周期，即第i个节点(分系统)的输入信号更新周期；为信号从第i-1个节点到第i个节点的网络路径延迟；为第i个节点信号处理产生的延迟，如果第i个节点为IMA模块中分区应用，则还需考虑分区调度周期

特殊的，如果两个分区在同一模块内，两者之间通信不经过网络传输，则两个分系统之间的延迟不再是网络延迟。

4.设计和分配过程及约束条件

在系统设计过程中需要明确每个节点输出信息更新周期和每两个节点之间的网络最大允许延迟时间其设计和分配过程如下：

a)获取每个节点的运行时间或分区调度周期这些信息在系统设计过程中确定，作为分析的输入信息；

b)依据系统架构确定信息流确定信息途经的节点，分析获取信息最大允许延迟时间D_Max；

c)通过末端节点的功能性能需求分析，获取末端节点对输入信息更新周期的要求P_R；

d)根据公式(3)，计算获得前端传感器的信息采集周期P″_R，即

e)根据公式(4)，给每个节点分配分系统延迟时间

f)根据公式(5)、(6)、(7)，给每个节点分配输出信息更新周期和网络最大允许延迟时间

在系统设计过程中还需要结合当前技术水平和软硬件资源的可实现性，在具体设计过程中有以下约束条件：

a)后一个节点的输出信息更新周期不得小于前一个节点的输出信息更新周期

b)输出信息更新周期不得小于分区节点的调度周期并且必须是调度周期的整数倍；

c)每两个节点之间的网络最大路径延迟时间与信息传输路径和平台特性(带宽、路由性能、平台延迟、协议)密切相关；

d)对于单个信息流，其各节点输出信息更新周期和网络最大允许延迟时间并非是唯一正确性，可以根据公式(8)和(7)对每个节点的参数进行调整分配，但由于每个节点都会处理传输大量数据，因此最终参数是综合调配结果。