[科普中国]-飞行控制计算机

随着高新科学技术在航空领域的广泛应用，无人机的研制取得了突破性的进展，其性能也大大的加强。无论是在科学应用研究方面还是在现代高新技术条件下的混合立体式战争体系中，无人机的使用都非常广泛，并发挥着越来越重要的作用。

高空长航时无人机主要执行复杂的空中预警、通讯中继、电子干扰、拦截战区导弹等任务。因此，对无人机要求续航时间长、飞行高度高、功能先进、全过程自主飞行、采用数字计算机控制系统。由于这些特点，执行任务期间，飞行控制系统出现故障的概率大大增加。如飞行控制计算机故障、舵机故障、舵面损伤、机载传感器故障等。另一方面，对于现存的空中力量而高，目前现役的主战飞机的最大飞行高度均在20000米以上，而且具有良好的机动性能。

飞行控制系统是飞机的重要组成部分，飞行控制系统的水平对飞机的性能和安全起着决定性的作用。近些年来，随着航空技术、控制理论、计算机技术、容错技术以及仿真技术的飞速发展，飞行控制技术也日趋完善。同时，飞行控制系统作为飞机整体设计的核心地位也得到了航空界的普遍认可，现在飞行控制系统的先进程度己成为飞机性能和作战效能的关键因素。在某种程度上，功能完善的先进飞行控制系统已成为现代飞机的标志。而且飞行控制的概念和设计思想也发生了很大变化，作为一种飞行载体，高空长航时无人机的功能、性能以及设计一目标必须放到现在和未来的技术平台和综合背景下去思考。1

目前，世界各国对飞行控制计算机的可靠性提出了很高的指标要求，仅采用提高飞行控制计算机的元、部件可靠性的方法，对提高可靠性效果并不显著，而付出的代价却很大。采用余度技术，在元、部件可靠性不变的条件下，可以组成高任务可靠性的时示控制计算机，满足可靠性指标。因此，国外研制的先进的飞行控制计算机大多采用了余度技术。
　　根据美国军用标准MIL-F-9490D对于余度的定义：余度需要出现两个或两个以上的独立故障，才能引起既定的不希望的工作状态的设计方法。其实质就是增加余度资源，屏蔽故障的影响，提高系统可靠性。

最早采用余度飞行控制计算机的飞机是美国的F-16A/B，当时因数字计算机技术发展水平的限制，采用模拟式四余度飞行控制计算机;随着数字计算机技术的发展，美国在后来的F-16C/D设计中采用性能更好的数字式相似四余度飞行控制计算机。由于相似余度结构飞行控制计算机存在共态故障问题，先进的民用客机A320, A330, A340和BOEING777等采用了非相似余度飞行控制计算机。

由于无人机有战场适应能力强、战场生存能力强、制造和维护成本低，高效费比和零伤亡人员等特点，无人机得以广泛的应用。随着高性能无人战斗机和高空长航时侦察机等新型无人机的发展，对无人机的飞行控制计算机提出了更高的可靠性要求，因此无人机的飞行控制计算机也引进了余度技术。2

（1）非相似余度技术：分为硬件非相似余度和软件非相似余度，硬件非相似余度主要是指在不同的余度通道上选择不同的处理器;软件非相似余度主要是指余度通道上开发的应用软件选择不同的软件开发平台、不同的编程语言或不同的编译器，或选择儿几组不同的开发人员进行软件开发。采用完全不同的硬件和软件来组成余度通道系统，产生和监控飞行控制信号，获取更高的可靠性，在民用飞机上已广泛应用。
　　（2）系统重构：余度计算机故障时，使计算机转入新工作结构而采用的余度管理措施。根据故障性质的不同可分为重新布局和重新构造，按照实现的方法分为硬件重构和软件重构等儿种重构技术。重构技术，目前还不成熟，但是代表了余度管理技术的重大发展方向，影响重构技术发展的主要因素是容错计算机和人工智能机的发展。
　　（3）解析余度技术：采用与测量变量有关的物理过程的解析模型来检测与识别故障。解析余度是用数学(软件)的方法复制余度，由于技术的复杂性和艰巨性，目前还未发展成熟。

新一代的战斗机或民机都采用非相似余度，由于无人机无人员伤亡，可靠性要求比有人机低，因此在课题的余度方案设计时采用相似余度。飞行控制计算机实时性要求较高，因此采用并行运行方式，各飞行控制计算机运行相同的任务，便于相互监控、比较和表决。
　　余度数目与可靠性不成线性关系，当达到一定数目以后，增加余度数目，可靠性的增加变得缓慢，而且增加了系统的成本、重量、体积、复杂度、能耗及设计时问，增加了系统的出错率。下面以二余度计算机说明原理。

简单二余度飞行控制计算机的逻辑结构如图

工作原理：正常情况下，两机对输出结果进行比较，结果一致则输出；结果不一致时，双机分别自检，定位故障，屏蔽故障飞行控制计算机的输出，当自检无法定位故障时，保持或钝化上次输出。
　　这种结构资源少，重量轻，但是要求每台飞行控制计算机有较高故障检测覆盖率，余度算法实现困难。

比较监控二余度飞行控制计算机的逻辑结构如图：

工作原理：将同一条支路的两台时示控制计算机结果进行比较，如果一致，则与另外一条支路的比较结果进行比较输出，当一条支路中的两台飞行控制计算机输出不一致时，切掉整条支路，或者自检切除故障的匕行控制计算机，然后采用另外三台计算机进行比较表决的管理策略。管理策略不同，资源利用率不同，余度管理复杂性也不同。
　　这种结构采用通道内用比较监控结构，故障覆盖率可以达到100% 。3