教练机航电系统发展趋势分析

2011-10-11喻怀仁

教练机 2011年1期

喻怀仁

（洪都航空工业集团，南昌 330024）

0 引言

1 系统概述

综合航空电子系统（以下简称航电系统）与飞机平台、机载武器是教练机提高作战效能、性能的三大要素。航电范畴为完成飞行和作战任务所需的各种机载电子设备和研究范围。航电系统应能实现通讯、导航、识别、探测、火控、飞控、电子战和空中交通管理等功能，即为完成上述功能所有的机载电子设备和系统统称为航电系统[1]。航电系统包括下述设备：综合显示和控制、无线电通讯、无线电导航、惯导、大气数据计算机、雷达、光/电探测器、外挂管理、目标识别、侦察监视、数据链通讯、电子战、火力控制等设备。

航电系统采用系统工程的方法，以信息理论及先进电子技术为基础，把航电系统的各功能设备，通过系统软件和数据总线或网络等技术，在信息、数据、信号和传感器方面综合成有机的整体，达到系统资源的高度共享和最佳的整体效能，以实现飞机的作战效能与性能、可使用性、保障性和寿命周期费用的平衡。

随着数字技术、微电子技术的迅速发展，航电设备的性能日趋完善，它对军用飞机战斗力和寿命周期成本均产生了很大的影响，因此研究和掌握综合航电系统对现代和未来战争具有重要和深远意义。

1.1 航电系统的发展

国外研究航电综合技术、经历四个阶段，图1为航电系统的发展过程。

第一代称为分立式航电系统[2]（40～50年代），每一功能模块都有独立的专用传感器、处理器和显示器，以点对点的方式连接。即雷达、通信、导航，各自具有专用的传感器、处理器和显示器，并通过点对点的连线连接。

第二代称为联合式航电系统[2]（60～70年代），资源共享只在信息链的后端控制与显示部分；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1553B总线交联。

一是水安全的基础性及关联性。水是人类、动植物、土地和生态等绝大部分自然资源中普遍存在的资源，其不仅是生命的构成要素，而且是整个生态系统的维持要素，其与多种自然资源具有高度的相关性，与环境、生态紧密相关，其自身之间也存在广泛的关联性。

第三代航电系统称为综合式航电系统[2]（80～90年代），综合化程度进一步提高，系统共享的综合核心处理器(ICP)以外场可更换模块(LRM)的形式安装于两个以上的综合机架中，高速总线连接几个机架和系统共享的大容量存贮器，传感器和座舱控制显示器通过点对点光纤连接到综合机架的相应LRM，其它如飞机通用设备管理、飞控、外挂管理等通过1553B总线互连并连接到综合机架。

第四代航电系统称为先进的综合航电系统（2000～），在第三代的基础上采用了整个航电系统的统一航电网络并推进了传感器系统综合。在实现天线孔径的综合时，统一考虑所覆盖频段的分配，A／D变换尽量向前端推移，使用标准的共用模块进行信号处理和数据处理，内部使用开关网络进行信息传输，实现了容错、重构能力，降低了成本、体积和重量，同时又提高了性能。

1.2 教练机航电系统

国际上目前在役的主战飞机大都是三代战斗机或三代半战斗机，典型的代表包括美国的F-16/18，欧洲的幻影、狂风、阵风和台风，俄罗斯的MIG33/35和SU-27/35/37,他们采用的都是第三代航电系统框架，普遍具有以下特点：

1)以MIL-STD-1553B多路传输总线网络，构成一个综合集中分布式的计算机网络系统；

2)综合显示／控制，良好的人机界面；

3)按子系统／LRU综合，分布计算，信息共享，集中控制；

4)系统具有较高的任务可靠性、良好的维修性和较强的生存力；

美国的F-22于2001年11月开始交付，其航电系统已基本达到第四代航电水平，但由于经费问题，美国的主要精力仍着手于F-35的研制[3]。目前由洛克希德·马丁公司生产的F-35 STOVL(短距起飞垂直降落)已经于2000年10月完成首飞。这些都标志着美国战斗机航电系统水平已经领先世界其他国家，完成了三代航电向四代航电过渡的工程[4]。图2和图3分别为F-22和F-35航电系统结构示意。

1.3 第四代航电系统发展的趋势

航电系统所占的比例不断增加，20世纪80年代航电系统成本占飞机出厂成本的30%，而在全部航电系统成本中，传感器部分（包括射频和光电）占63%，如果从孔径和支持电子角度划分，孔径和支持电子部分分别占航电总费用的30%和38%。经济可承受性是当今各国空军面临的普遍问题，为此提出了开放式系统结构方案，美国空军的PAVE PACE计划研究表明，采用综合射频传感器系统能够将射频电子部分的成本和重量减少多达50%。

20世纪70年代以前的军用飞机中采用模拟式电子系统，航电系统的重量占飞机总重量的比例不断增加。随着电子技术的发展和数字式航电系统的广泛应用，70年代以后军用飞机航电设备的重量占飞机总重量的百分比呈不断下降趋势。

未来战斗机功能越来越复杂，因此软件的规模也在成倍增加。例如，F-22的软件大约有190万行代码。由于F-22是空中优势战斗机，主要执行对空作战，而F-35除了对空作战外还要执行对地攻击任务。另外F-35还要满足三军的不同需要，因此其软件设计便复杂了很多，F-35的软件规模大约是F-22的2倍多[5]。同时，由于商用微电子技术的飞速发展，为适应任务需要，机载计算机的处理能力也在不断提高。表1为F-22与F-35航电系统对比。

未来战斗机必须是一种“买得起、用得起”的飞机，因此必须采用新的软件设计思想与方法以降低软件的设计费用和维护费。

1.4 第四代航电系统特点

第四代航电系统的综合化程度进一步提高。为降低成本，在功能不断强大的发展趋势下，高度综合化的设计是第四代航电系统的必要手段，将射频和光电设备的通用模块尽量综合，仅保留传感器前端，即孔径综合。将大量的数据处理模块集中于综合核心处理机中，实现统一调度管理，实现数据融合。

开放式系统，是解决可负担得起问题的一个重要技术方法。采用开放式系统可提高系统可移植性（允许重用），可伸缩性(允许系统扩充和升级)和互操作性（保证系统部件协调工作），有利于引入COTS,开放系统方式是解决新技术的注入、缩短采购周期、解决原器件停产、取得长期支持能力的技术途径。

模块化系统，可有效降低产品全寿命周期的成本；可实现通用系统设计和软/硬件并用于不同的飞机平台；允许增量式修改，减少修改带来的影响和成本；有利于系统和模块的升级换代；现场可更换模块LRM可以减低维护和后勤支持成本。

图2 F-22航电系统结构示意

图3 F-35航电系统结构示意

表1 F-22与F-35航电系统对比

2 下一代航电系统发展趋势

一种由无人机智能控制领域引入的新型的航电系统概念研究，正在不断发展，智能化的航电系统逐渐进入研究人员视野。

在复杂不确定的环境中，当今的无人机一旦缺乏人的控制与干预，往往不能顺利完成任务。针对以上状况，很自然提出这样一个问题，即如何最大程度地给无人机赋予智能，实现其自主飞行控制、决策、管理及健康诊断和自修复，从而在某些领域取代有人驾驶飞机的作用。于是，自主控制（Autonomous Control）的概念被提上了日程。自主控制意味着能在线感知形势，并按确定的使命、原则在飞行中进行决策并自主执行任务。

自主控制系统是一个系统阶次高、子系统相互关联，系统评价目标多且相互矛盾的复杂大系统，是多个学科的交叉，如果不加规划的盲目进行设计，最后可能导致系统的不完善甚至失败[6]。采用智能系统的架构，把综合航电与决策控制系统的每一个子系统看作一个独立的智能Agent。子系统可以由一个或多个智能Agent组成，Agent有自己的推理、执行机构，并具有知识运用能力和学习能力。综合航电与决策控制系统是由多个协作Agent组成的复杂智能系统。由于各子系统运行环境及其功能配置可能存在耦合关系，因此，系统设计时将采用专家系统设计思想，实现统一的基于任务的系统配置管理，以适应任务变化、环境状态变化、及其它飞行条件变化情况的飞机管理。

2.1 智能Agent的结构

尽管各Agent子系统的功能、运行要求各不相同，但其抽象结构一般包括：接口模块、推理机、执行器、学习机、知识库和数据库。其中，知识库和数据库在整个系统中是统一的。图4为Agent结构示意。

接口模块有两个功能，一个是负责分析主控子系统的调度指令，触发推理机工作；另一个是发出服务请求或服务响应情况的消息。接口模块不负责系统间的数据交换。推理机负责Agent内部的任务规划和决策，为执行器提供执行方式、执行方法的决策指令。执行器负责任务的实施。学习机负责对任务执行的条件、数据、方法、过程、结果、以及知识运用情况等评估，以完善知识库。数据库存贮了系统及各Agent的任务信息、任务执行条件信息、任务执行结果信息、以及子系统间的交换信息。知识库存贮了系统所需的各种知识，包括规则、模型、方法、以及系统调度运行中的过程知识，等等。

图 4 Agent结构

2.2 系统调度原理

管理与调度子系统负责各功能子系统的调度，其调度流程是：功能子系统按照数据库中任务和要求自主执行，期间，如果需要其它子系统的配合，发出服务请求消息；管理与调度子系统接收到请求信息后，对请求事件进行分析，并分析与相关子系统的关系，并按照功能组织要求对相关子系统发出服务响应指令，在此之前，完成与之配套的系统配置；各相关子系统完成服务响应后，发出服务响应完成消息；服务请求发出的子系统接收到服务完成消息后，从数据库或功能缓存中获取结果信息，继续执行自己的任务。图5为系统调度流程。

图5 系统调度流程

在上述流程中，服务请求是一个规范的、可能是复杂的过程，其组织执行有严格流程（执行模型），需要预先定义，并存贮在知识库中。

2.3 系统信息融合策略

自主控制综合导航系统具有以下几个特点：一是系统中的子系统有主、辅之分，当某个或某几个子系统工作不正常时，导航系统要能保证提供载体所需的基本工作能力或系统进行重构实现新的组合形式，以提高系统的可靠性；二是综合导航系统不是几个子系统简单的数量组合，而是对系统间的信息进行某种最优准则下的信息融合以获得更高的导航性能；三是系统要易于实现，结构灵活，能满足不同用途的要求。图6为组合导航信息融合策略。