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综合化航空电子系统发展历程及重要支撑技术  

2008-01-09 09:14:18|  分类: 装备科技G |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:阐述了航空电子系统结构的综合化演变过程及发展趋势,说明了航空电子综合化的作用和意义,提出了提高航空电子综合化水平需重点研究的关键支撑技术。

关键词:航空电子; 综合化; 模块化; 系统结构

Development and Important Supporting Technologyof Integrated

Avionics System

HE Zhi-qiang

(Naval Academy of Armament,Beijing100073,China)

Abstract:The developing process and trend of integrated avionics system construction are summarized. The significance and purpose of avionics integration are discussed. Finally, the key technology of avionics integration is brought forward and probed.

Keywords:Avionics;Integration; Modularization; System construction 

一、引言

随着高新技术的发展,未来的战争将是陆、海、空、天、电五维一体的全方位、大纵深、立体化战争。在这种一体化的现代化战争中,空中力量具有全球到达、速战速决、协同作战、火力强劲、生存率高等显著特点,从而决定了空中力量在夺取制空权、对地攻击、快速反应、夺取“制信息权”等方面具有独特的作用,因此,作战飞机的性能好坏将直接影响到战争的质量。而作为提高军机整体作战效能重要手段的航空电子系统必将面临更加严峻的挑战。未来战争对军用航空电子系统功能的要求愈来愈多,未来的航空电子必须具有更多的功能、更好的适应性、更高的可靠性和更强的生存能力。航空电子要达到这种要求,唯一的途径就是系统综合化技术的应用,本文讨论的重点就是航空电子系统的综合化发展过程以及实现综合化需重点关注的关键技术。

二、航空电子技术与系统结构的发展

近半个世纪以来,为解决战斗机中的一系列问题,以美国为首的西方国家开始了漫长的航空电子系统综合技术的开发过程。综合航空电子技术发展至今,基本上经历了分散、联合、综合到高度综合这4个阶段;航空电子系统结构亦是如此,同样经历了分立式、联合式、综合式和高度综合式4个阶段。图1给出了4种典型结构的演变。

第一代航空电子系统为分立式结构,雷达、通信、导航等设备各自均有专用且相互独立的天线、射频前端、处理器和显示器等,采用点对点连接。

第二代航空电子系统为联合式结构,使用几个数据处理器完成低带宽的数据传输交换功能,如导航武器投放、外挂管理、显示、控制等,各单元之间通过数字总线交联,资源共享只在信息链后端的控制和显示环节。这种结构主要来源于美国空军莱特实验室于20世纪70年代提出的“数字式航空电子信息系统”(DAIS)计划,该计划采用机载多路数据传输总线(1553B)技术,简化了设备间的连接关系,减轻了系统的体积和重量,解决了任务处理显示控制的综合问题,对航空电子系统综合化起到了很大的促进作用,使飞机的功能和性能前进了一大步,并为F-15、F-16、A/F-18等普遍应用。

 

 

 

 

 

第三代为综合化航空电子结构,以基于“宝石柱”计划的F-22为典型代表。这种结构的综合化程度进一步提高,其主要技术特征是用系统共享的综合核心处理器(ICP)来完成几乎全部的信号与数据处理,把系统综合层从显示控制推到数据信息处理。该结构的特点在于综合核心处理器综合了火控计算、导航计算和管理、座舱显示图形发生、外挂管理、系统任务的调度、系统完好情况的监视等各种计算、调度和管理任务,综合核心处理器调用各个模块在不同阶段执行不同功能。

第四代为高度综合化航空电子结构,以基于“宝石平台”的联合攻击战斗机(JSF)为代表,是为适应未来战斗机战技指标而研制的高度综合化航空电子体系结构。在射频和光电两大领域中广泛采用了模块化、外场可更换设计思想,实现了飞机蒙皮传感器综合。射频功能的综合,得以付诸实施。许多雷达、通信、电子战功能从硬件的配置中消失,这些功能的获取完全通过软件实现。

从以上4个阶段的发展可见,航空电子系统越来越复杂,综合程度越来越高。综合已从显示器推进到数据处理,又推进到传感器系统。在这样的系统中,以多种共享的资源模块实现各种功能,再也分不出传统的各个分系统的界线。对这类系统的研究、开发、生产、采购以至于整个寿命期的支援,和以前的分立式系统结构及联合式结构相比大不相同。通过各个时期航空电子系统综合技术阶段成果在机上的应用,为载机带来:①重量及体积减小;②缓解座舱拥挤;③飞行员负荷减轻;④在一定程度上实现数据共享;⑤载机作战效能提高等明显效果。航电综合系统结构不断改进,使航空电子综合系统的水平迅速提高,从而促成了战斗机水平的更新换代。 

三、综合化航空电子系统发展的关键技术

综合化是实现武器系统信息化、智能化的基础,没有高度综合化的电子系统,武器平台的信息化也难以得到更好的发展。航空电子系统是现代战斗机的一个重要组成部分,其性能和技术水平的高低不仅直接决定和影响着现代战斗机的作战性能,而且是衡量现代战斗机作战性能的三大要素之一。以现代信息技术为核心的综合化航空电子系统已成为提高现代武器装备战斗力的倍增器。综合化航空电子系统的实现有赖于多种关键技术的发展。

1航电系统综合设计技术的发展

航电系统综合设计技术是实现航空电子系统综合,充分发挥各种机载电子设备效能,确保战斗机综合作战能力的根本保证。航空电子系统综合的系统设计是指对航空电子系统综合结构的选择;在典型使命任务中的一个完整的飞行架次中系统操作流程的分析;硬、软件系统的功能分工;软件系统结构设计;系统性能指标的分配;子系统、设备的选用;关键技术及试验方法的全面考虑和研究等多个有序环节的完成。必须从系统的观点出发,对其组成、构造、功能、互联方法等进行综合的研究,以达到航空电子综合系统设计的最佳化。具体机种的航空电子系统综合设计工作,是根据战机的飞行使命及任务需求,对系统进行定义、分析、设计、验证、评估并反复迭代,最终使航空电子系统的功能、性能、可靠性、维修性、保障性及全寿命期费用满足任务要求。系统设计者还需跟踪发展中的航空电子系统综合的行业共性、长远性和基础性项目进行规划研究。例如,航空电子系统新概念、新结构的研究和开发,开放式系统结构和综合化、通用化、模块化系统结构等;并进行航空电子系统综合领域的新技术、关键技术研究以及综合保障及成本分析等。系统设计者还必需研究采用先进的电子技术和计算机技术改进系统设计方法和系统的仿真试验方法。通过虚拟仿真提供性能和价格适合的航空电子系统方案;通过仿真试验及早发现研制方案中存在的问题。

2 综合核心处理系统(CIP)技术

核心处理系统技术也有个明显的发展过程,在如F-16这种联合式航电系统中,它必需指定一台承担系统运行调度、控制及总线管理的系统管理部件。它是这类系统中的核心部件。发展到F-22这种高度综合的航电综合系统后,系统中高度综合的核心处理系统是多种先进技术的汇集地,很多计算、处理、控制和管理功能都是在CIP中完成,负责实现传感器输入数据的综合处理、数据融合、任务计算、视频信息生成、导航计算、外挂管理、电子支援与防御管理、通信管理、系统控制和故障监视、检测、重构等多种功能。新一代航空电子系统的许多重要特性都体现在CIP中。 在技术上它充分利用共用模块、并行处理多机系统和分布实时操作系统的结构特性,以共享核心处理资源,改善性能和可靠性,满足机载处理能力和计算能力飞速发展的要求;在信息密集条件下,满足驾驶员对战场态势了解、任务管理等操作、控制简便的要求。 综合核心处理系统技术还在迅速提高与发展之中。

3. 系统软件技术

软件是构成系统的一个重要环节,特别是系统软件,只有通过它的管理、调度和控制,各设备和模块才得以构成一个真正协调的统一整体。随着航空电子系统结构的发展和任务功能的增长,系统软件的比重和开发费用正在逐步上升。软件的开发必须是个工程化的过程,各阶段的开发工作是螺旋式循环进行的,例如,在初步设计阶段可以返回来对软件要求进行局部的修改等,这样不断地循环进行,直至达到要求为止。在这种思想中,开发后支援只是基本开发周期的另一次循环。另一个重要问题是软件的可移植性或软件的重用问题。为了降低软件成本,利用已付出的巨大软件投资,尽量使用已有的成熟软件。研究的焦点是通过怎样的技术方法来达到重用的目的。在软件模块化的环境中,通过应用程序接口(API)使完成各种任务的应用程序与操作系统接口,并进行相互之间的调用和支援,是达到可移植性和重用的有力措施。

4总线技术

多路传输总线系统是航空电子综合系统的信息传递枢纽。通过多路复用原理,大大减少了航空电子系统内部的耦合电缆数量,并提供了信息充分利用和融合的必要条件。目前航空电子综合系统广泛采用的数字式数据传输总线标准有:ARINC429、ARINC629、MIL-STD-1553B和高速数据总线(HSDB)等。 ARINC429是一种广泛应用于民用飞机的单向数据总线结构。MIL-STD-1553B是一种广泛应用于军用飞机的总线结构,所有传输均由中央控制器控制。1773总线是1553B总线采用光纤作为传输介质的总线,它具有不产生电磁干扰(EMI)的特性。HSDB开始研制于80年代初,其特点是传输速率高和实现分布式存取控制。目前,系统互连正向高速网络化发展,F-22使用了星形拓扑结构的高速光纤总线和点对点高速光纤传输及1553B总线等。JAST计划将使用以光开关为基础的统一航空电子互连网络。新型网络的应用不只是传输速度的提高,还使整个系统中各部件之间的传输达到同一个量级,使外场可更换模块在机内所处的物理位置对于处理任务不再是一个重要的影响因素,给高度的系统综合创造了条件。

5综合控制显示技术

未来战场环境瞬息万变,威胁密集,各种航空电子设备提供的信息量大、更新速度快,使得飞行员的负担增加,难以在短时间内做出相应的反应。战斗机的显示和控制,从过去为机上每个局部子系统配置单独的控制装置和显示装置,发展到综合的控制/显示(C/D)与记录。70年代后,系统综合的规模不断扩大,飞行员的因素和人-机工效日益受到重视,引起系统结构和功能的新变化,即从系统的角度出发配置控制器,系统通过一组公共控制器与飞行员交联,实现对全航空电子系统控制,并将一组显示器综合起来由平视显示器、多功能显示器向飞行员提供显示信息。这种集中控制和综合显示,能及时响应和集中处理飞行员的各种命令,能根据飞行员操作程序和系统运行状况准确及时地向飞行员提供各种工作信息或决策信息,从而大大减轻飞行员的工作负荷,提高飞行员的反应速度和决策能力。随着先进的光子技术和电子技术的应用,在地图显示基础上叠加导航、战术和性能等数据;头盔显示器和大尺寸有源矩阵液晶显示器将获得广泛的使用。 广泛采用了具有全彩色液晶显示器及强大的图形处理功能的大型显示器,可实时、准确地提供威胁、目标、友机、气候/地形、障碍物等全面战场态势。综合头盔显示/瞄准系统可为飞行员提供离轴目标截获和武器发射信息。通过融合各种传感器的信息,采用图形方式示出瞄准或飞行轨迹的修正,应用人工智能技术及神经网络技术辅助飞行员进行决策,可实现自动显示、实时航路规划、提供战术规划及故障时对系统重构的建议,使飞行员精力集中于高层决策,及时采取恰当的行动。此外,还可应用语音识别系统减轻飞行员手动操纵的负担,实现更高程度的综合化座舱和自动化辅助,充分应用以上航空电子综合技术,可大大减轻飞行员的负担,提高飞机的整体作战效能。

6数据融合技术

信息化是未来战争中实施联合作战的首要条件。现代和将来的军事斗争强调的是装备体系之间的信息对抗。现代战争对系统的生存性、低观测性、对目标探测和跟踪的连续性、准确性、快速性、可靠性以及对目标的分类和识别能力等方面的要求是单一传感器或由多个传感器简单的组合所不能达到的。在现代作战环境越来越恶劣的情况下,如何从众多传感器数据中提取更多的有用信息、提高系统的检测概率、降低虚警率、解决自动目标识别问题已成为关键的课题,这也是综合系统发展的产物。数据融合技术是一种多层次、多方位的处理过程,对多种来源数据进行检测、相关、估计和组合,以达到精确的状态估计和识别及完整的态势评估和威胁评估。随着海、陆、空、天、电一体化作战体系的出现,数据融合技术将朝多平台、多传感器、智能化方向发展,发展数据融合技术的任务更为繁重。 通过各种传感器实现与战场信息网络的信息交换,提高武器平台的信息感知、信息获取和信息综合处理能力,利用战场信息网络和各种战术数据链实现多平台间的信息互通互联和信息共享,经多平台的信息融合后实现战场态势信息的实时综合处理,提高武器系统的多平台协同作战能力。

7机载传感器综合技术

传感器的数量、品种在航空电子设备中也占据了相当大的比重,对飞机的全周期费用成本具有较大影响。传感器综合将采用模块化、标准化的设计方法,把各个子系统的各种功能重新划分、组合,将传感器前端组件、信号处理组件和数据处理组件等组成具有资源共享、可重构和通用化的新型系统。这些系统在系统软件的控制管理下可实时完成各种作战任务,对系统的战术技术性能,特别是体积、重量、功耗、可靠性、维修性和扩充性等有较大影响。通过雷达、电子战、光电设备、通信、导航、识别等不同种类的传感器综合,提高系统综合探测、跟踪与识别能力,为飞行员提供完整、快速、清晰、准确的战场态势,起到减轻飞行员负担,增强作战飞机系统综合能力的作用。采用通用模块、资源共享以及重组等概念对传感器部分进行重新设计,可使新一代航空电子系统的成本和重量均降低一半以上,同时可靠性可提高到原来的3倍。美国在F-35航空电子系统中引入了综合传感器系统(ISS)的概念。ISS提出了一种开放式的系统构架,这种构架可提供目前飞机上所需的60多种射频功能。与传统的系统相比,ISS强调的是综合后的传感器系统在体积、重量、可靠性、维修性、全周期成本等方面的综合指标比传统系统有显著改善。

射频传感器包括通信导航识别、雷达、电子战等各分系统,覆盖的频段较宽,完成的功能繁多,由于目前没有任何一套能够满足所有功能需求的通用性要求,因此,根据战术要求确定ISS系统中各种模块的功能和性能指标是ISS系统研究中的一个关键内容。ISS的实现将是所有现代电子技术成果的综合体现。ISS的系统结构的设计包括接口规范的确定以及共用的软硬件模块设计。接口规范是系统的基础,它必须支持开放式结构的实现。ISS结构在原有各种功能设备的射频(RF)系统性能之间寻求共性,并充分予以满足,而不降低原有性能;减少对硬件的需求,并追求获得额外的工作能力;达到最大限度的软件和硬件的模块化,以利于系统功能的扩展和性能的提高;极大的减少共用模块的种类,以便提高系统的可保障性和可维修性。

8隐身技术

为保证战斗机在各种恶劣的战场环境下完成作战任务,要求飞机既具有较好的隐身特性,又可获取足够的威胁、地形和瞄准信息,这就对航空电子系统的性能提出了很高的要求。为降低飞机的各种电磁信号的辐射,现代战机在设计时日益重视各种机载设备发射信号的控制,实现电磁信号的“隐身”。如利用无源探测设备和红外搜索与跟踪装备等传感器提供信息,同时改进有源传感器,通过采用自动启动和精确控制传感器,诸如信号强度、停止时间、波束/调零控制等参数,使其具有低被检测概率的特性,实现有源信息源与无源信息源的互补利用。

9低成本设计技术

自20世纪70年代以来,随着战斗机性能的不断升级,系统变得日益复杂。航空电子设备硬件占飞机出厂成本的比例一直在直线上升,同时随着软件完成系统功能所占比例的增大,软件成本也在不断增加。因此如何降低航空电子系统的成本也成为第一代战斗机航空电子系统研制的重大课题。而成本的降低又不允许以降低性能为代价,这使得这一课题更具有挑战性。这要求在设计新的航空电子综合系统时应有全局的观念和先进的设计思想,这一方面要在系统总体技术结构上进一步实现综合化。

10可靠性及可用性设计技术

可靠性问题在第二代航空电子系统时就得到重视,而在航空电子系统越来越复杂、任务成功率要求越来越高的现代和将来,新一代航空电子综合系统可靠性更应得到重视,并要求系统具备鲁棒、容错和降级处理能力。如多目标攻击的功能控制逻辑是很复杂的,如何在系统部分故障情况下降级为单目标攻击状态,这是一个值得考虑的问题,这与系统的总体设计思想和技术结构就有很大关系。

此外,由于电子技术发展很快,使得航空电子系统所用的电子元器件的市场更新周期远远短于航空电子系统的寿命周期,使得其维护使用所需电子器件无法从市场上购得。并且由于军用电子市场相对于民用电子市场份额的萎缩,军用电子技术不再领先商用电子技术是不争的事实,使得制造商的注意力已经它顾,为保证现役装备的使用维护,军方有时不得不收购落伍的电子产品或生产线,以维持货源,这样,航空电子系统可用性问题便提到日程,这要求考虑新一代航空电子综合系统具备开放性和对商用技术的容纳性。

四、结束语

由于航空电子系统在战斗机出厂成本中所占的比例不大,仅靠增加电子设备的数量和改善设备的性能来提高航空电子系统的性能将带来一系列矛盾,综合化是航空电子系统的必然发展方向, 从国外发展的成功经验看,由70年代的DAIS计划、80年代的“宝石柱”计划,到90年代的“宝石平台”计划,航空电子系统的发展沿着一条综合化、信息化、标准化和智能化的方向向前发展,使得航空电子系统的功能、性能以及可靠性、维修性、保障性、测试性和综合效能出现了突破性的飞跃。在系统减重、减小体积、减轻飞行员操作负担、系统功能扩充、降低系统生命期成本等方面都可得到极大的改善,显著提高作战飞机的效能。

参考文献

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