CN102055794A

CN102055794A - 飞行器通信系统及飞行器

Info

Publication number: CN102055794A
Application number: CN2010105328654A
Authority: CN
Inventors: 奥利维耶·曼; 胡安·洛佩斯; 伯努瓦·贝特
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: BRPI1010429A2; CA2719889A1; EP2320603A1; US20110103268A1; CN102055794B; FR2952261B1; EP2320603B1; FR2952261A1; US8730791B2

Abstract

本发明涉及一种飞行器通信系统(100)及飞行器，所述飞行器通信系统(100)包括AFDX类型的一次网络(300)，其旨在连接多个一次设备(310，311，320，321，330，340，360)。此通信系统包括：-二次网络(500)，其与所述一次网络(300)不相似，同时在帧级别具有相同的协议，所述二次网络(500)旨在连接多个二次设备(510，520，530，540，560)；以及-所述一次网络(300)和二次网络(500)之间的互连网关(700；700a；700b；700c)，其旨在逐位复制来自所述一次和二次网络(300，500)中的一个的公共数据帧，使此数据通过所述一次和二次网络(300，500)中的另一个来分配，使得此公共数据为两个网络(300，500)所共享。

Description

飞行器通信系统及飞行器

技术领域

本发明通常涉及飞行器通信系统。

背景技术

在过去，飞行器设备使用在设备之间直接物理连接的点对点型的通信。例如，计算机可经由单独的链路与多个其它计算机和/或控制器连接。

对于相对少量的设备来说，此类型的通信可能是可接受的。然而，随着航空系统越来越复杂，所述点对点通信将需要非常大量的直接链路。

为了解决此问题，目前使用这样的通信系统，其包括旨在支持飞行器上的不同数字装置之间的通信的网络。

图5示出了一种通信系统1100的已知结构，其允许设备中的多个1310，1320，1330，1340，1360经由AFDX类型(航空电子全双工交换式以太网)的网络1300发送和/或接收数据。设备的这些项目可能包括控制器1310、计算机1320、监控终端1360，并可选地包括数据集中器1330，其形成AFDX网络1300和与传感器1331和/或执行器1332连接的模拟链路之间的接口。

回想到，为了航空电子需要而开发的AFDX网络以交换式以太网为基础。在交换式以太网中，每个终端(来源或终点)分别与帧开关1351，1352连接，并且，开关经由物理链路连接在一起。AFDX网络依靠虚拟链路的概念，将其定义为通过网络1300的单向路径的平面(level)2，从源程序终端开始，并作为一个终点或多个终点。认为虚拟链路的终点终端预定此链路。

AFDX网络是航空无线电公司664标准，第7部分下的标准的主题。在可从以下URL获得的文献“AFDX协议指南”中可明显地找到AFDX网络的描述：

http://sierrasales.com/pdfs/AFDXTutorial.pdf，

并且，可在本申请人提交的FR-A-2832011中找到虚拟链路的介绍。这里简单地回忆，AFDX网络是全双工的，并且是确定的。

全双工意味着，每个终端在相同的物理链路上的虚拟链路上可同时发送并接收帧。AFDX网络的确定性在于，虚拟链路在有限等待时间、物理通量隔离、带宽和比特率方面具有保障特性。为此目的，每个虚拟链路具有通过网络的预定的连续路径。以封装在以太网帧中的IP包的形式发送数据。与传统的以太网交换不同，(使用终点的以太网地址)，在AFDX网络上交换的帧使用包括在帧头中的虚拟链路标识符。当开关1351在其一个输入端口上接收帧时，其读取虚拟链路标识符，并且，从其前向表(forwarding table)中确定将在其上发送帧的输出端口。在转移过程中，开关1351，1352检验所发送的帧的完整性，不需要重新发送，然而，如果帧是无效的：那么废除被检测为包含错误的帧。对在虚拟链路上通过的帧连续编号。在接收时，终点终端检查帧顺序的完整性。

然而，通过可靠性和冗余性的特别严格的限制，规定航空学的需求。特别地，本质上确保被认为是对于驾驶飞行器来说很重要的某些类型的数据的所有情况下的可用性。因此，图5所示的连接结构表示，为了极端的安全性需求，将许多直接链路1501保持为与紧急设备1510，1520，1530，1540平行，并与AFDX网络独立。

此结构需要许多电线连接，另外，具有这样的缺点：是异类的和无序的，因此难以实现。

另一种已知的通信系统通过总线或第二网络提供紧急设备的互相连接。

然而，在此系统中，对于两个网络的设备之间的公共数据，也存在点对点类型的链路。例如，为了保持数据或软件更新，在紧急设备和与AFDX网络连接的监控终端1360之间保持许多单独的链路。

这再次需要许多非常长的电线连接，而这对飞行器的承重破坏(weight breakdown)是有害的。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种具有这样的结构的通信系统，该结构允许以简单安全的方式将许多主要设备与紧急设备连接，并能够响应一般故障，没有上述缺点。

本发明由飞行器通信系统定义，其包括：

-AFDX类型的一次网络(primary network，初级网络)，其旨在连接多个一次设备，所述一次设备与一次网络的交换装置物理地连接，所述交换装置允许所有这些一次设备之间经由虚拟链路的通信，

-二次网络(secondary network，次级网络)，其与所述一次网络不同，同时在帧级别具有相同的协议，所述二次网络旨在连接多个二次设备，所述二次设备与二次网络的集线器物理地连接，所述集线器允许所有这些二次设备之间的通信，以及

-所述一次和二次网络之间的互连网关，其旨在逐位(bit-by-bit)复制来自所述一次和二次网络中的一个的公共数据的帧，使此数据通过所述一次和二次网络中的另一个来分配，使得此公共数据为两个网络所共享。

有利地，互连网关包括：

-第一接口，其旨在与一次网络连接，并包括第一输入和输出缓冲器，

-第二接口，其旨在与二次网络连接，并包括第二输入和输出缓冲器，

-存储器装置，存储与公共数据相对应的虚拟链路标识符的预定列表的配置表，以及

-选择装置，选择并复制与和在配置表中选择的虚拟链路标识符相关的公共数据相对应的帧。

根据互连网关的一个具体的实施方式，存储器装置和选择装置包括在第一接口和/或第二接口中，并且，第一和第二接口经由连接总线连接在一起。

根据本发明的另一具体的实施方式，互连网关是属于所述一次设备的计算机中的部分，所述计算机包括对应于所述存储器装置的存储装置和对应于所述选择装置的处理器。

根据一个变型，互连网关是属于所述二次设备的二次计算机中的部分，所述计算机包括对应于所述存储器装置的存储装置和对应于所述选择装置的处理器。

有利地，互连网关经由光纤链路与一次网络和/或与二次网络连接。

一次网络是AFDX网络，并且二次网络是EREBUS网络。

有利地，EREBUS网络依靠虚拟链路，并且，在从集线器接收帧头(header)中包含虚拟链路标识符的数据帧时，二次设备的每个仅考虑那些属于其预定的虚拟链路的帧。

根据一个变型，EREBUS网络依靠帧头中包括给出每帧中数据类型的信息的标签的数据帧，并且，在从集线器接收包含标签的数据帧时，二次设备的每个仅考虑那些包含对这种设备感兴趣的数据的帧。

两个网络的公共数据可包括：维护数据、时间戳数据、软件更新和操作数据(operational data)。

最后，本发明涉及一种包括如上所述的通信系统的飞行器。

附图说明

参考附图，在阅读本发明的优选实施方式的基础上，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的飞行器中的通信系统；

图2示意性地示出了可在图1所示的系统中有利地使用的互连网关的结构；

图3A和图3B示意性地示出了图2所示的互连网关的不同变型；

图4示出了图2所示的互连网关的另一实施方式；

图5示意性地示出了现有技术中已知的飞行器通信系统的结构。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的飞行器通信系统100的结构。通信系统通常与管理飞行器的具体功能的基本控制系统相关。

根据本发明，通信系统100包括AFDX型的一次网络300和二次网络500。一次网络300旨在连接多个一次设备310，311，320，321，330，340，360，二次网络500旨在连接多个二次设备510，520，530，540。

有利地，将二次网络500选择为与一次网络300不相同，以预防由于一次网络300而引起的一般(或公共模式)故障，同时，在帧级别具有与后者相同的协议，以简化两个网络300和500之间的数据交换。

一次设备310，311，320，321，330，340，360是预定一次网络300的来源和/或终点终端，并与一次网络300的交换装置351，352，353物理地连接，一次网络300允许设备的所有这些项目之间经由虚拟链路的通信。

通常，一次网络300可包括多个布置在飞行器的通信节点的帧开关(switch)351和352，并可选地包括多个微开关353(这里仅示出了其中的一个)。微开关353允许来自预定至一次网络300的一群终端311，321的或前往所述终端的帧的局部处理。更精确地，微开关353具有与开关351连接的第一端口和多个与预定网络300的不同设备311，321连接的第二端口。在下行链路上，即，对于由前往用户的第一端口接收的帧，微开关353用作集线器，即，落在第一端口上的帧在所有第二端口上重复。另一方面，在上行链路上，即，对于由不同用户终端311，321发送的帧，微开关353依次查询第二端口，并清空其在第一端口上的相应缓冲，在循环型的机构之后。

在所示实例中，一次网络300的交换装置包括两个帧开关351和352，以及与开关351连接的微开关353。为了简化的目的，仅示出了与帧开关351连接和与微开关353连接的设备。例如，这种设备包括控制器310、311，计算机320、321，与显示装置341和驾驶装置342连接的人机接口340，配置或监控终端360，并可选地包括数据集中器330，数据集中器形成AFDX网络300和与传感器331和/或执行器332连接的模拟链路之间的接口。

例如，传感器331可对相应的数据集中器330提供模拟形式的测量，并且，数据集中器将其格式化成AFDX消息的形式，以经由开关351发送至专用计算机320。类似地，计算机320可经由数据集中器330，也经由AFDX网络，对执行器332的控制单元(未示出)发送指令。显而易见地，传感器331和/或执行器也可与其专用计算机和/或控制器直接用模拟方式连接。

控制器310也可经由帧开关351对计算机320发送数据。类似地，计算机320也可经由帧开关351与数据集中器330、人机接口340或监控终端360交换消息。

二次设备510，520，530，540是预定至二次网络500的来源和/或终点终端，并与二次网络500的至少一个集线器550物理地连接在一起。此集线器或这些集线器允许所有二次设备510，520，530，540之间的通信。

图1中的实例显示出，二次设备包括二次控制器510、二次计算机520、与二次显示装置541和驾驶装置542连接的二次人机接口540，并可选地包括二次数据集中器530，其形成二次网络500和与二次传感器531和/或执行器532连接的模拟链路之间的接口。所有二次设备510，520，530，540与二次网络500的集线器550连接。

集线器550具有多个与预定至二次网络500的不同二次设备(或终端)510，520，530，540连接的相同端口。在所示实例中，第一端口与二次控制器510连接，第二和第三端口与第一和第二二次计算机520连接，第四端口与二次数据集中器530连接，最后，第五端口与二次人机接口540连接。

因此，例如，从二次计算机520落在集线器550上并前往用户的帧在所有端口上重复。接收用户终端510，520，530，540确定其是否是其终点，否定的情况下忽略，并肯定的情况下考虑这种情况。

另外，对于由不同的用户终端510，520，530，540发送的帧，集线器550依次查询端口，并清空循环型机构之后的所有端口上的每个端口的输入缓冲，从而确保带宽的公平共享。

用互连网关700确保一次网络300和二次网络500之间的连接，互连网关700旨在逐位(bit-by-bit)复制来自一次网络300和二次网络500中的任一个的公共数据帧，使其通过这两个网络中的另一个来分配，以便导致此公共数据为两个网络300和500所共享。

有利地，一次网络300和互连网关700可通过光纤链路701连接在一起，其允许用电将这两个网络分开。类似地，互连网关700也可通过光纤链路702与二次网络500连接。

例如，两个网络300和500公共的数据可包括维护数据、时间戳数据、配置数据、软件更新，和允许增加操作性能的操作数据，例如，来自传感器的数据并可选地其它类型的数据的共享。此公共数据可来自预定至一次网络300的终端(例如，配置或监控终端360)。

因此，根据本发明的互连网关700允许以简单、快捷并且安全的方式在两个网络之间分配公共数据。

更具体地，二次网络500由此预防一次网络300中的一般故障，同时，通过互连网关700形成对公共数据流透明的单个网络。将理解，本发明不需要与二次设备510，520，530，540直接连接，或与昂贵的、复杂的网关直接连接。

然而，应当注意，一些一次设备可选地与二次网络500连接，以克服其开关351的简单故障。

而且，为了可用性的原因，明显地，可用几个互连网关700确保一次网络300和二次网络500之间的连接。

因此，通过对公共服务使用单个网络，同时通过两个隔离的、不同的网络加固安全等级，根据本发明的通信系统100允许简化布线。另外，这允许使用对所有设备来说公共的协议对通信系统的通信进行扩大的连续监控。

图2示出了可在本发明的飞行器通信系统100中使用的互连网关700的结构的一个实例。

互连网关700包括第一接口710、第二接口720、存储装置730和选择装置740，第一接口710包括第一输入缓冲器711和第一输出缓冲器712，第二接口720包括第二输入缓冲器721和第二输出缓冲器722。

第一接口710旨在经由链路701(例如，光纤)与一次网络300的帧开关351连接，第二接口720旨在经由链路702(例如，光纤)与二次网络500的集线器550连接(见图1)。

存储装置730允许存储与公共数据相应的虚拟链路标识符的预定列表的配置表731。

每个帧在其帧头中有效地包括虚拟链路标识符，其允许识别此帧采用的方向路径。因此，配置表731使得互连网关700能够复制在此表731中识别其虚拟链路标识符的帧。

更精确地，选择装置740选择并复制与两个网络300和500的公共数据相对应的帧，其与和两个网络包含的且从配置表731选择的虚拟链路标识符相关。

由于一次网络300和二次网络500在帧级别具有相同的协议，所以互连网关700仅需要逐位复制公共数据，不用任何协议转换。因此，可以快速地、简单地实现互连网关700。

图3A和图3B示出了图2所示的互连网关的具体实施方式。

应当注意，来自二次网络500的数据主要是公共数据，因此，通过一次网络300可直接分配此数据。因此，在一次网络300的一侧上布置选择装置740是有利的。

图3A显示出，除了第一输入缓冲器711a和第一输出缓冲器712a以外，互连网关700a的第一接口710a还包括存储器730a(相当于存储装置)和过滤器740a(相当于选择装置)。

另一方面，第二接口720a仅包括第二输入缓冲器721a和第二输出缓冲器722a。第一和第二接口710a和720a还经由连接总线750a连接在一起。

因此，对于来自一次网络300的数据流(即，对于由互连网关700a从一次网络300接收的帧)，在第一接口710a的第一输入缓冲器711a中存储进入的帧。过滤器740a除去与未识别的虚拟链路(即，未在存储于存储器730a中的配置表731a中列出的)相应的帧，因此，仅允许与公共数据相应的帧朝着第二接口720a的第二输出缓冲器722a通过。然后，通过二次网络500分配这些帧。

另一方面，对于来自二次网络500的数据流(即，对于由互连网关700a从二次网络500接收的帧)，将第二接口720a的第二输入缓冲器721a中的进入的帧直接发送至第一接口710a的第一输出缓冲器712a，以将其通过一次网络300分配。

可选地，在来自二次网络500的数据流包括除了公共数据以外的数据的情况中，过滤器740a也可负责除去那些与未在配置表731a中列出的虚拟链路相应的帧。因此，在一个方向上或在另一个方向上，过滤器740a仅允许那些与公共数据相应的帧通过。

图3B示出了根据另一实施方式的互连网关700b，包括第一接口710b(包括第一输入缓冲器711b和第一输出缓冲器712b)、第二接口720b(包括第二输入缓冲器721b和第二输出缓冲器722b)、存储器730b(相当于存储装置)和过滤器740b(相当于选择装置)。类似地，第一和第二接口710b和720b经由连接总线750b连接在一起。

图3B中的互连网关700b与图3A中的互连网关的不同之处仅在于，将存储器730b和过滤器740b布置在第二接口720b中，而不是布置在第一接口710b中。因此，在第二接口720b选择来自一次网络300或来自二次网络500的帧。

明显地，还可设计将存储器730b和/或过滤器740b布置在接口710b和720b的外部，或甚至将过滤器布置在每个接口中。

因此，图3A和图3B示出了独立的互连网关700a，700b的实例，其允许简单地连接两个网络300和500，仅允许公共数据在任一方向上通过。

根据其它实施方式，例如，在与一次网络300连接的计算机320中，或甚至在与二次网络500连接的二次计算机520中，可包括互连网关700。

图4示出了包括接口710c和720c、存储装置730c和处理器740c的计算机320。根据此实例，互连网关700c是计算机330中的一个部分(如虚线所示)。

因此，计算机330的接口710c和720c与互连网关700的第一和第二接口710和720相对应，同时，其中，存储装置730c和处理器740c确保互连网关700的存储装置730和选择装置740的相应功能。

然后，将配置表731c存储在计算机320的存储装置730c中，并且，处理器740c负责仅允许公共数据在与虚拟链路标识符和配置表731c相关的一个方向上或在另一个方向上通过。

有利地，计算机可通过光纤链路与一次网络300和/或与二次网络500连接，光纤链路允许两个网络的电分离(electric uncoupling)。

从两个网络300和500中的一个接收公共数据的计算机320，以简单、低成本的方式将该数据快速地发送至另一网络，没有任何特别的格式化或寻址处理。另外，并非必须在两个网络300和500之间提供额外的节点。而且，并非必须经由一条相同的总线连接第一和第二接口。

有利地，一次网络300是AFDX网络，二次网络500是EREBUS网络，如上面定义的。

如已经提到的，AFDX网络以交换式以太网为基础，并依靠虚拟链路的概念。AFDX虚拟链路的特征是单个转移方向、单个来源、一个或多个终点、预定带宽、发送器和接收器设备之间的最大等待时间(不管剩余网络的行为如何)、通过网络的固定路径，以及单个标识符。

AFDX网络是全双工的，并且是确定的。其保证数据的隔离和比最大等待时间短的时间内的连续发送。

EREBUS网络也基于以太网，更具体地，基于以太网的物理层。

EREBUS网络也是全双工的，换句话说，每个终端可同时发送并接收帧。

更具体地，EREBUS网络基于系统重复，其中，将来自来源终端并由集线器550接收的数据发送至所有用户终端510，520，530，540，包括发送至也接收其发送的数据的来源终端。当集线器550在其一个输入端口上接收帧时，此帧在所有端口上重复，包括与来源终端连接的端口。然后，接收帧的用户终端510，520，530，540确定其是否是此帧的终点。另外，集线器550以此查询端口，以清空由不同的用户终端510，520，530，540发送的帧，从而公平地共享带宽。

根据本发明的一个优选实施方式，EREBUS网络依靠虚拟链路。

在此情况中，将集线器550和二次设备510，520，530，540配置为，允许EREBUS网络内的经由虚拟EREBUS链路的通信。在从在帧头中包含虚拟链路标识符的集线器550接收数据帧时，二次设备的每个仅考虑那些属于其预定的虚拟链路。

换句话说，集线器550将数据帧发送至设备的所有项目。然后，用户本身，在接收所有数据帧时，读取包括在帧的帧头中的虚拟链路标识符，以仅选择那些与对于用户来说感兴趣的虚拟链路相关的。

明显地，在此情况中，互连网关700可简单地通过逐位复制来自两个网络中的任一个的公共数据帧，在两个网络之间分配公共数据。

根据本发明的另一实施方式，EREBUS网络依靠在帧头中包括标签的数据帧，这些标签给出包含在每帧中的数据的类型的信息。

与前面一样，集线器550将数据帧发送至所有设备项目，并且，用户本身，在接收所有数据帧时，读取包括在帧的帧头中的标签，以仅考虑那些包含对于用户来说感兴趣的数据的帧。

在此情况中，互连网关700进一步包括将标签(与来自二次网络500的公共数据帧相关)放入适当的AFDX虚拟链路中的装置。

因此，用EREBUS网络作为二次网络的优点在于：其非常坚定可靠、适于在航空电子设备中使用，并具有与AFDX网络兼容的格式同时充分不同，以响应AFDX网络中的一般故障。

Claims

1.一种飞行器通信系统(100)，包括AFDX类型的一次网络(300)，所述一次网络旨在连接多个一次设备(310，311，320，321，330，340，360)，所述一次设备与所述一次网络的交换装置(351，352，353)物理地连接，所述交换装置允许所有这些一次设备之间经由虚拟链路的通信，其特征在于，所述系统包括：

-二次网络(500)，其与所述一次网络(300)不同，同时在帧级别具有相同的协议，所述二次网络(500)旨在连接多个二次设备(510，520，530，540)，所述二次设备与所述二次网络(500)的集线器(550)物理地连接，所述集线器允许所有这些二次设备之间的通信，以及

-互连网关(700；700a；700b；700c)，位于所述一次网络(300)和二次网络(500)之间，所述互连网关旨在逐位复制来自所述一次和二次网络(300，500)中的一个的公共数据帧，使此数据通过所述一次和二次网络(300，500)中的另一个来分配，使得此公共数据为两个网络(300，500)所共享。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述互连网关(700；700a；700b；700c)包括：

-第一接口(710；710a；710b；710c)，其旨在与所述一次网络(300)连接，并包括第一输入和输出缓冲器(711，712)，

-第二接口(720；720a；720b；720c)，其旨在与所述二次网络(500)连接，并包括第二输入和输出缓冲器(721，722)，

-存储器装置(730；730a；730b；730c)，用于存储与公共数据相对应的虚拟链路标识符的预定列表的配置表(731)，以及

-选择装置(740；740a；740b；740c)，选择并复制与和在所述配置表(731)中选择的虚拟链路标识符相关的公共数据相对应的帧。

3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述存储器装置(730a；730b)和选择装置(740a；740b)包括在所述第一接口(710a)和/或第二接口(720b)中，并且，所述第一和第二接口(710a；720a；710b；720b)经由连接总线(750a；750b)连接在一起。

4.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述互连网关(700c)是属于所述一次设备的计算机(320)中的部分，所述计算机包括对应于所述存储器装置的存储装置(730c)和对应于所述选择装置的处理器(740c)。

5.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述互连网关(700c)是属于所述二次设备的二次计算机(520)中的部分，所述计算机包括对应于所述存储器装置的存储装置(730c)和对应于所述选择装置的处理器(740c)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的通信系统，其特征在于，所述互连网关(700；700a；700b；700c)经由光纤链路(701，702)与所述一次网络(300)和/或所述二次网络(500)连接。

7.根据上述权利要求中任一项所述的通信系统，其特征在于，所述一次网络(300)是AFDX网络，并且所述二次网络(500)是EREBUS网络。

8.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述EREBUS网络依靠虚拟链路，并且，在从集线器(550)接收在帧头中包含有虚拟链路标识符的数据帧时，所述二次设备的每个(510，520，530，540)仅考虑那些属于其预定的虚拟链路的数据帧。

9.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述EREBUS网络依靠在帧头中包括给出每帧中数据类型的信息的标签的数据帧，并且，在从集线器(550)接收包含标签的数据帧时，所述二次设备的每个(510，520，530，540)仅考虑那些包含对这种设备感兴趣的数据的数据帧。

10.根据上述权利要求中任一项所述的通信系统，其特征在于，两个网络的公共数据包括：维护数据、时间戳数据、软件更新和操作数据。

11.一种飞行器，其特征在于，其包括根据上述权利要求中任一项所述的通信系统(100)。