下一代机载任务电子系统总体设计思考

蔡爱华，范　强

(中国电子科学研究院，北京 100041)



综述

下一代机载任务电子系统总体设计思考

蔡爱华，范强

(中国电子科学研究院，北京 100041)

本文首先从系统能力设计、使用环境考虑和资源综合运用三个方面，阐述了机载任务电子系统一体化设计思想。然后提出了一体化设计思路下，扁平化矩阵式管理是适应该设计的必由之选。最后指出，一体化设计是下一代机载任务电子系统的发展方向。

机载任务电子系统;一体化设计;矩阵式管理

E242

A

1673-5692(2016)02-111-04

0　引　言

近年来随着电子信息技术的飞速发展，开放式体系结构的日趋成熟，特种任务飞机更是朝着多任务的趋势发展。如何在飞机平台固化的前提下，降低系统体积、重量和功耗，提升系统能力、降低成本，提高可靠性是机载任务电子系统(以下简称“任务电子系统”)设计的主要目标。综合化设计是达成上述目标的主要手段之一。以F-35飞机为代表的新一代航电系统采用综合化设计[1]，将原来相对独立设计的雷达、光电、识别、对抗、通信、导航等功能系统进行综合设计，在射频前端和核心处理机等物理系统硬件上采取了模块化+总线的综合化架构，实现了天线孔径共享/减少天线数量、充分利用资源/扩展系统功能、模块化集成/降低体积重量、系统可重构/提升系统可靠性、减少硬件品种/降低系统成本、综合效能提升/增强作战能力的目标。

我国在航空电子领域也进行了多年的综合化设计研究，在模块化+总线架构设计和集成方面取得较大进展，减重增能的效果显著。但还没有做到充分利用现代电子信息技术的发展优势，统筹各方需求，对任务电子系统采取更先进的定制式一体化设计，实现综合效能上的进一步提升。

1　一体化设计思想

综合化设计的目标是对给定的资源进行整合设计。即在功能分系统确定基本方案的基础上，依据功能分系统的需求确定整个系统的资源配置，将所需的资源配置进行模块化设计并通过总线集成为一个可以灵活重构的系统，以实现系统资源的综合利用。

而一体化设计的目标是按系统需求进行统一设计。即将系统置身在整个作战环境中，充分考虑与其它平台的协同、各平台资源的充分共享，以体系对抗作战形成对系统的能力需求；功能设计上进行能量一体化发射和接收[2]、智能化信号与数据处理[3]、多通道多媒体智能人机交互[4]、全覆盖自诊断监测[5]为核心的全系统整体、定制式的一体化设计，以实现信息装备划时代的能力提升。

一体化设计是一个综合考虑系统能力、作战使用环境以及资源综合运用的设计，是一个充分发挥现代电子设计制造能力，实现软硬件按需定制的设计。

1.1系统能力设计

系统能力发挥是指系统的功能性能需求不仅要考虑系统本身独立工作时的能力，更要考虑系统对体系能力的贡献度。因此，充分研究作战样式以及作战样式下的多平台协同如协同探测、综合识别、协同作战等，是下一代任务电子系统必须具备的设计特征之一。

系统能力一体化设计由需求出发，首先依据作战使命任务，提出作战样式；然后根据作战样式，提出体系能力需求；最后根据体系能力需求，提出单平台装备的功能性能指标。该指标不仅包括自身独立实现的指标，同时包含与体系其他平台协同实现的指标。这些指标需要任务电子系统各功能分系统统一设计去实现。如雷达与通信一体化设计，实现远距离、大容量、定向隐蔽通信；平台内有源与无源传感器协同调度，实现对隐身目标远距离探测；预警机与作战飞机或无人机协同，同时实现大范围预警探测和高精度测量。

1.2作战使用环境考虑

综合考虑外部环境是指系统设计要考虑在复杂地理和电磁环境中探测跟踪识别隐身、高速、低速、高空、低空、海面、水下目标的能力，满足看得远、测得准、辨得清、通得畅、打得准的未来作战需求。要满足这样的需求，系统一体化设计不仅要在本平台上采取多模式、宽频带、自适应阵列、任意波形、能量管理等各种提升系统适应能力的综合设计手段，以提高自身性能，还要在多平台之间进行协同工作设计，以充分提升体系的整体作战能力。

随着电子干扰技术的进步，单平台在复杂电磁干扰环境下的作战能力大幅下降已不可避免，多平台协同对抗强电磁干扰环境已成为下一代任务电子系统设计的重点之一。比如多平台协同，形成双多基地雷达组网探测既能提升抗干扰和隐身目标探测能力，又能改善航迹质量；多基地联合侦察既能提升发现概率，又能实现快速准确定位，可以实现真正意义上的无源探测。

1.3资源综合运用

资源综合利用是一体化设计的重要表现形式。首先，将任务电子系统各功能分系统从信号的产生、辐射、接收和处理环节上所需的硬件资源，进行统一的模块定制式设计；同时设计实时监测所有软硬件资源的功能模块，以实现内部资源的优化利用和高可靠运行。然后，将任务电子系统与平台的基本航电系统一体化设计，实现机上电子装备资源的综合利用。最后，将任务电子系统与平台支持系统(天线共形、安装结构、供电、环控等)一体化设计，实现机上物理资源的充分利用。

要实现上述要求，需采用的运行架构如图1所示，即功能实现上的硬件模块+总线运行架构；功能实现上的软件模块+软件中间件(软总线)运行架构；独立于系统功能实现的系统监控架构(具有独立的软硬件系统，但不参与系统功能实现)。具体为：

图1　一体化任务电子系统运行架构

1.3.1系统内部资源优化的创新设计

一体化设计的系统应具有任意波形产生和自适应发射能量控制、宽带多模式接收、智能信息处理以及多通道多媒体智能人机交互等功能特征。

任意波形产生是指可以产生满足探测、识别、干扰和通信多种需求发射信号波形，实现发射信号的多种用途复合使用，提高系统能量利用率和减少相互间的干扰。

自适应发射能量控制是根据探测、识别、干扰和通信作用对象的相对空间位置，实施能量管理，一方面增加敌方侦察难度，另一方面减少系统内部间的干扰。

宽带多模式接收是指采用射频数字化技术，将系统的射频前端完全或经过尽可能少的放大变频后进行数字采样，实现射频信号的数字化处理，满足宽带、任意波形、大动态接收处理的需求，实现天线共用和减少接收机数量。

智能信息处理技术包括信号处理和数据处理。在信号处理上通过信号特征识别，进行多种预处理，依据预处理效果选择最佳的处理方式，获得对复杂幸好波形的最佳处理效果。在数据处理上依据目标测量特征、运动趋势、与传感器之间的相对位置等进行目标运动趋势预估，再将下一测量数据与预估值进行匹配，不断进行运动趋势预估的调整，最终得到对目标的精准测量航迹。

多通道多媒体智能人机交互是指设计具有人工智能的可识别人体动作、表情、声音的人机交互系统，以实现人机一体的高效协同模式，满足未来巨量数据下的作战需求。

全覆盖自诊断监测功能用于实时在线诊断全系统软硬件和监测外部电磁环境，能够直接显示全系统功能、性能运行状况。硬件上通过研制专用检测电路芯片监测多路电流、电压、信号，并具备通过总线与外部交互的能力；在软件上可通过监测网络上的数据或对特定的中间输出点进行数据采集，在健康管理计算机上通过专用监测分析软件进行分析判断，显示软件运行状况。自诊断监测功能在天线收发环节要特别设计发射驻波测试、接收外信号源测试、外部干扰测试与分析等专用监测功能，以覆盖全部软硬件和外部环境。自诊断监测功能处理软件应在独立的处理器上运行，并通过系统软硬件蓝图给出直观显示，同时给出错误信息文字提示和功能修复建议。

1.3.2与平台的基本航电系统一体化设计

任务电子系统与平台的基本航电系统一体化设计重点是导航和通信/数据链的一体化设计。

导航的一体化设计是对现有导航设备进行综合，然后任务电子系统与平台共享导航信息。目前典型的机载导航系统主要包括大气数据系统、多模接收机、塔康机载设备、无线电罗盘、雷达高度表、卫星导航系统、捷联惯性导航等设备，这些设备由不同厂家研制，在机载导航系统中基本处于独立工作模式或简单组合模式，稳定性差且提供的姿态、航向精度偏低，不能满足任务电子系统越来越高的探测和打击精度要求。将现在独立工作的导航设备和可能增加的新的导航设备按照系统功能线程、工作频段、工作带宽、工作体制、使用数量等对各导航传感器按模块+总线的架构进行统一设计，在软件上采用多导航源信息融合及故障诊断监测技术提升系统导航能力，实现多导航源紧耦合的综合导航。

机载通信/数据链功能需满足飞行和任务电子系统两方面需求，由于体系作战的需要，机载通信/数据链的功能越来越强大，设备品种规格也不断增加，在机上复杂电磁环境下的兼容工作压力也越来越大，因此机载通信/数据链也应在任务电子系统与基本航电系统间进行。一体化设计。

1.3.3与平台的支持系统的一体化设计

任务电子系统与平台的支持系统(天线共形、安装结构、供电、环控等)的一体化设计需求，当前在无人机领域表现的尤为紧迫。其在一体化设计的下一代任务电子系统上也是一个需要重点突破的关键技术。如天线与平台共形技术[6]、智能蒙皮技术[7]、分布式阵列天线技术[8]以及电子设备机架与机体一体化设计技术等。

2　扁平化设计架构和矩阵式管理

一体化设计的核心是将传统的系统、分系统、设备、模块四步设计变成系统到模块两步设计，也就是由系统设计直接定义模块。综合分析目前我国电子装备研究单位的能力来看，由一个单位独立完成下一代任务电子系统的一体化设计是不可能的。因此，建立由系统、分系统、设备、模块、元器件/原材料等人员组成的多专业联合设计师团队，才是实现功能越来越多，能力越来越强，系统越来越复杂的集探测、侦察、识别、处理、协同、指挥、打击等功能于一体的下一代任务电子系统一体化设计的必由之路。

由于我国目前电子装备整机研制单位都是以雷达、识别、对抗、通信、导航等传统专业建立的，这些专业研究所在自己的领域都形成一套行之有效的设计方法，但将这些专业人员结合在一起完成系统到模块的直接设计，在技术责任的把关上存在很大难度。为解决这一难题，采取以下分层落实责任、反复迭代的设计管理模式。

如图2所示，建立以总体、雷达、识别、对抗、光电、通信、指控、导航、综合显控等功能分系统为功能横向主线设立责任承担单位；以总体、天线、射频前端、核心处理机、综合显控等为物理纵向主线设立承制责任单位；两条主线通过功能和物理交叉构成实现有机的系统整体，由功能分系统责任单位提出物理实现的需求，由总体、天线、射频前端、核心处理机、综合显控等承制二级总体单位按照一体化思路进行设计，然后在一体化设计的基础上，再向功能分系统责任单位反馈设计方案并听取改进要求，多次反复迭代完成系统到模块的设计。

图2　功能和物理分系统交叉示意图

3　结　语

在电子信息技术高度发达的今天，雷达、光电、识别、对抗、通信、导航、指控等传统专业在天线、电磁波的发射与接收、信号与数据处理、显示与控制等硬件应用上正逐步趋于同质化，一体化设计的基础越来越成熟。打破现有的按传统专业按功能领域研制再进行系统集成的机载电子信息系统研制模式，建立由系统、分系统、设备、模块、元器件/原材料等人员组成的多专业联合设计师团队，采取统一设计、

模块制造、综合集成扁平化系统研制构架并采取与之相适应的系统、功能分系统、物理分系统矩阵式管理模式，将成为我国任务电子系统研制的新模式。具有一体化设计、数字射频前端、智能化信号与数据处理、全覆盖自诊断监测、多通道多媒体智能人机交互等典型特征的任务电子系统必将是 下一代任务电子系统的发展方向。

[1]蒲小勃，现代航空电子系统与综合[M].北京：航空工业出版社，2013.

[2]林志远，刘刚.雷达-电子战-通信的一体化[J].上海航天，2004(6).

[3]沈妮，肖龙，谢伟，石敖广.认知技术在电子战装备中的发展分析[J].电子信息对抗技术，2011(6).

[4]关志伟.面向用户意图的智能人机交互[D].北京：中国科学院软件研究所，2001.

[5]杨军祥，田泽，李成文，杨涛，王纯委，刘宇.新一代航空电子故障预测与健康管理系统综述[J]. 计算机测量与控制，2014．22(4).

[6]朱松. 共形天线的发展及其电子战应用[J]. 中国电子科学研究院学报，2007(6).

[7]王智，周建军. 智能蒙皮技术的发展现状及其军事运用[J]. 国防技术基础，2006(5).

[8]殷英. 分布式阵列综合研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

蔡爱华(1962—)，男，江苏盐城人，中国电子科技集团公司首席专家，研究员级高工，主要研究方向为机载电子信息系统；

E-mail：fqnust@sina.com

范强(1976—)，男，山东烟台人，工学博士，高级工程师，主要研究方向为机载电子信息系统总体技术。

General Design Consideration for Next Generation Airborne Mission Electronics System

CAI Ai-hua， FAN Qiang

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

First of all, the system capacity design，operating environment consideration and comprehensive use of resource are proposed to expound the viewpoint of integrated design for airborne mission electronics system. Then, the flat organization and matrix management are the required solutions according to the integrated design idea. At last, it is presented that the integrated design is the development direction of next generation airborne mission electronics system.

airborne mission electronics system；integrated design；matrix management

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.001

2016-01-09

2016-03-01