飛行控制計算機

隨着高新科學技術在航空領域的廣泛應用，無人機的研製取得了突破性的進展，其性能也大大的加強。無論是在科學應用研究方面還是在現代高新技術條件下的混合立體式戰爭體系中，無人機的使用都非常廣泛，併發揮着越來越重要的作用。

高空長航時無人機主要執行復雜的空中預警、通訊中繼、電子干擾、攔截戰區導彈等任務。因此，對無人機要求續航時間長、飛行高度高、功能先進、全過程自主飛行、採用數字計算機控制系統。由於這些特點，執行任務期間，飛行控制系統出現故障的概率大大增加。如飛行控制計算機故障、舵機故障、舵面損傷、機載傳感器故障等。另一方面，對於現存的空中力量而高，現役的主戰飛機的最大飛行高度均在20000米以上，而且具有良好的機動性能。

飛行控制系統是飛機的重要組成部分，飛行控制系統的水平對飛機的性能和安全起着決定性的作用。近些年來，隨着航空技術、控制理論、計算機技術、容錯技術以及仿真技術的飛速發展，飛行控制技術也日趨完善。同時，飛行控制系統作為飛機整體設計的核心地位也得到了航空界的普遍認可，現在飛行控制系統的先進程度己成為飛機性能和作戰效能的關鍵因素。在某種程度上，功能完善的先進飛行控制系統已成為現代飛機的標誌。而且飛行控制的概念和設計思想也發生了很大變化，作為一種飛行載體，高空長航時無人機的功能、性能以及設計一目標必須放到現在和未來的技術平台和綜合背景下去思考。 ^[1] 

世界各國對飛行控制計算機的可靠性提出了很高的指標要求，僅採用提高飛行控制計算機的元、部件可靠性的方法，對提高可靠性效果並不顯著，而付出的代價卻很大。採用餘度技術，在元、部件可靠性不變的條件下，可以組成高任務可靠性的時示控制計算機，滿足可靠性指標。因此，國外研製的先進的飛行控制計算機大多采用了餘度技術。

根據美國軍用標準MIL-F-9490D對於餘度的定義：餘度需要出現兩個或兩個以上的獨立故障，才能引起既定的不希望的工作狀態的設計方法。其實質就是增加餘度資源，屏蔽故障的影響，提高系統可靠性。

最早採用餘度飛行控制計算機的飛機是美國的F-16A/B，當時因數字計算機技術發展水平的限制，採用模擬式四餘度飛行控制計算機;隨着數字計算機技術的發展，美國在後來的F-16C/D設計中採用性能更好的數字式相似四餘度飛行控制計算機。由於相似餘度結構飛行控制計算機存在共態故障問題，先進的民用客機A320, A330, A340和BOEING777等採用了非相似餘度飛行控制計算機。

由於無人機有戰場適應能力強、戰場生存能力強、製造和維護成本低，高效費比和零傷亡人員等特點，無人機得以廣泛的應用。隨着高性能無人戰鬥機和高空長航時偵察機等新型無人機的發展，對無人機的飛行控制計算機提出了更高的可靠性要求，因此無人機的飛行控制計算機也引進了餘度技術。 ^[2] 

（1）非相似餘度技術：分為硬件非相似餘度和軟件非相似餘度，硬件非相似餘度主要是指在不同的餘度通道上選擇不同的處理器;軟件非相似餘度主要是指餘度通道上開發的應用軟件選擇不同的軟件開發平台、不同的編程語言或不同的編譯器，或選擇兒幾組不同的開發人員進行軟件開發。採用完全不同的硬件和軟件來組成餘度通道系統，產生和監控飛行控制信號，獲取更高的可靠性，在民用飛機上已廣泛應用。

（2）系統重構：餘度計算機故障時，使計算機轉入新工作結構而採用的餘度管理措施。根據故障性質的不同可分為重新佈局和重新構造，按照實現的方法分為硬件重構和軟件重構等兒種重構技術。重構技術，還不成熟，但是代表了餘度管理技術的重大發展方向，影響重構技術發展的主要因素是容錯計算機和人工智能機的發展。

（3）解析餘度技術：採用與測量變量有關的物理過程的解析模型來檢測與識別故障。解析餘度是用數學(軟件)的方法複製餘度，由於技術的複雜性和艱鉅性，還未發展成熟。

新一代的戰鬥機或民機都採用非相似餘度，由於無人機無人員傷亡，可靠性要求比有人機低，因此在課題的餘度方案設計時採用相似餘度。飛行控制計算機實時性要求較高，因此採用並行運行方式，各飛行控制計算機運行相同的任務，便於相互監控、比較和表決。

餘度數目與可靠性不成線性關係，當達到一定數目以後，增加餘度數目，可靠性的增加變得緩慢，而且增加了系統的成本、重量、體積、複雜度、能耗及設計時問，增加了系統的出錯率。下面以二餘度計算機説明原理。

簡單二餘度飛行控制計算機的邏輯結構如圖1

工作原理：正常情況下，兩機對輸出結果進行比較，結果一致則輸出；結果不一致時，雙機分別自檢，定位故障，屏蔽故障飛行控制計算機的輸出，當自檢無法定位故障時，保持或鈍化上次輸出。

這種結構資源少，重量輕，但是要求每台飛行控制計算機有較高故障檢測覆蓋率，餘度算法實現困難。

比較監控二餘度飛行控制計算機的邏輯結構如圖2：

工作原理：將同一條支路的兩台時示控制計算機結果進行比較，如果一致，則與另外一條支路的比較結果進行比較輸出，當一條支路中的兩台飛行控制計算機輸出不一致時，切掉整條支路，或者自檢切除故障的匕行控制計算機，然後採用另外三台計算機進行比較表決的管理策略。管理策略不同，資源利用率不同，餘度管理複雜性也不同。

這種結構採用通道內用比較監控結構，故障覆蓋率可以達到100% 。 ^[3]