精细化设计理念在军用电子信息装备中的思考与应用<br/>——细节决定成败

精细化设计理念在军用电子信息装备中的思考与应用
——细节决定成败

2017-09-12蔡爱华刘树立

中国电子科学研究院学报 2017年4期

关键词：航迹天线雷达

蔡爱华,刘树立

(中国电子科学研究院，北京 100041)

综述

精细化设计理念在军用电子信息装备中的思考与应用
——细节决定成败

蔡爱华,刘树立

(中国电子科学研究院，北京 100041)

本文从民用信息产品追求精致、智能和人性化这些细节而得到快速发展的趋势，联想到当前军用电子信息装备注重战技指标实现，忽视过程中的细节而影响装备实战效果，结合作者多年在军用电子信息系统装备的经验和体会，谈谈在装备研制的需求分析、系统设计、试验验证、售后服务等几个阶段对关注细节的认识，供同行参考。

细节；需求分析；系统设计；试验验证

0 引言

细节决定成败在生活中随处可见，一个商品的基本功能在价值上的体现往往只占价格的很低水平，比如低档手机只卖一两百元，高档手机却卖万元以上，但打电话的基本功能是一样的。还有另一种现象，商品的价格与其精致程度的比例是：精致程度95%的只卖一元，99%的可卖十元，99.9%的可卖一百元，99.99%的可卖一万元。为什么很多人认同极致产品的价值，就是因为极致的产品在任何时候都表现出最优秀的性能，能支持用户实现所期望的目标。

现在是信息时代，信息时代的信息产品最典型的特征是精致、智能和人性化，精致、智能和人性化的核心是高度关注细节，同样以手机产品为例，各个品牌的功能基本差距很小，大家选择哪个品牌主要关注其产品精致程度以及更符合自己的使用习惯，功夫都体现在细微之处。

但作为特定需求的军用电子信息装备，军方一直以战技指标作为研制和考核的依据，工业部门一直以实现战技指标作为完成任务的标志。受成本和研制周期的制约，在追求产品的精致、智能和人性化方面一直不受重视，但随着信息化装备在信息化作战中重要性的不断提升，精致、智能和人性化三大因素对作战效能发挥的影响力形成了明显的制约，甚至影响到战争的成败。本文结合作者多年在军用电子信息系统装备的经验和体会，在产品研制的需求分析、系统设计、试验验证、售后服务等几个阶段谈谈对关注细节的认识，作为一种设计思维方式供大家参考。

1 需求分析阶段——关注隐含的需求

在需求分析阶段，关注细节的重点是指标中隐含的需求。以预警机为例，机载雷达系统最典型的指标是作用距离，通常由用户提出在给定的杂波模型、探测概率、RCS、速度范围、数据率条件下的最大探测距离指标[1]。作为军方提出最大作用距离这一指标，其实隐含了在最大作用距离范围内对目标具有更好的探测能力的需求。比如航迹连续稳定、目标机动时航迹保持连续、航迹起始时间要短、航向测量的稳定性要好等等；电子侦察系统典型的功能要求是对雷达辐射源信号进行搜索、截获和分析，依据信号特征，对辐射源及其所属的平台(或武器系统)进行分类和识别。这一功能要求同样隐含建立雷达辐射源特征数据库，依据雷达辐射源特征和平台运动情况(自身测量雷达辐射源方位线的变化或机载雷达协同对空中运动目标/水面目标进行定位)、其它侦察来源(光电侦察/人工侦察)确定的平台类别/型号进行匹配建立对应关系，才能实现这一功能，也就是电子侦察系统隐含了需要通过反复多次侦察积累建立识别库的功能需求；通信系统典型的指标是作用距离，作用距离隐含了与通信对象在给定距离内的稳定可靠通信能力，包含一定条件下的机动飞行和干扰环境，因此也隐含了必需具备多种通信手段互相备份的要求；导航系统最典型的指标是位置、航向和姿态信息，这些信息指标隐含了保证任务完成率所需的稳定性要求，也就是某种导航手段失效时系统必需具备备份能力的需求。特别需要强调的是机载电子信息系统各项指标背后都隐含了这些指标需要在机上所有系统同时工作条件下能够实现的需求。如此等等，必需认真研究、深入分析用户隐含的需求，才能设计出优秀的装备来。

2 系统设计——细心研究领会系统功能和性能指标的真实用义

在电子信息产业高度发达的今天，要为用户设计出精致、智能和人性化军用电子信息装备，首先要成为一个优秀的工程师。而优秀的工程师与武学大师的成长过程比较相似，学武是从一招一式开始的，起初是不能理解所学一招一式的真实用义，只有通过学习——练习——领会——再学习——深刻领会——融会贯通，才能理解最初的一招一式的真实用义。工程技术人员从学习基本的设计方法开始，起初也不能理解基本的设计方法的真实意义，只是知道用某种方法可以解决一定的问题，通过设计、制造、试验，才能达到基本理解设计内涵的阶段，成为一个初级工程师，只有通过再学习——从事复杂系统设计——反复进行设计、制造、试验——深刻领会系统功能和性能指标的真实用义——站在更高的角度对系统设计进行审视和完善设计，才能成为优秀的工程师。

领会系统功能和性能指标的真实用义就是在设计中应该高度关注容易被忽视而又特别重要细节，同样以预警机为例，机载预警雷达系统在给定重量、功耗、安装尺寸的限制条件下，雷达的作用距离基本可以确定，但由于机载预警雷达的活动范围大、作用距离远、监视的目标种类多，对目标的探测、跟踪、处理很复杂，比如如何处理高速运动目标的航迹起始，如何处理在强杂波环境中的航迹连续性问题，如何处理海面低速目标的航迹稳定跟踪问题等等，这些“快、准、稳”的问题处理起来非常复杂，处理的效果又很难定量衡量，解决的程度又直接影响到作战效能，因此这些细节的重要性不言而喻。

对于高速运动目标的航迹起始，这是预警雷达设计中是容易被忽视的一个特定需求，通常为了降低航迹虚警率，预警雷达采用3点建立航迹方式，这对于常规速度的目标的探测威力基本没有影响。如果雷达在方位上采用机械扫描工作方式，从第一个点迹发现到建立航迹，至少需要20 s以上，对于3倍音速的导弹，目标已经飞行20 km以上了，如果雷达对该种导弹目标的最大探测距离是200 km，实际探测能力则要下降10%，反之如果要满足200 km的最大探测距离，则雷达功率需要增加近50%。因此在最初设计时必须充分考虑对高速目标的预警需求，设计多普勒测速不模糊范围必需包含可能的最大目标速度，同时设计高速目标点迹多普勒告警和天线回扫探测功能实现对高速目标的快速航迹起始和跟踪，在尽可能短的时间内实现对高速目标的探测与跟踪，大幅提升雷达对高速目标的探测能力。

对于地面雷达，在没有干扰和目标机动的情况下，在雷达威力范围内实现对空中目标连续稳定跟踪探测比较容易。但对于机载预警雷达来讲，情况要复杂很多，载机预警雷达在雷达威力范围内要实现对空中目标连续稳定跟踪探测，有很多问题必需解决，这些问题涉及雷达频段、波束扫描方式、主波束宽度、副瓣电平、重复频率、地/海面反射系数、发射功率等等。对于机载预警雷达要解决所有距离、方位、高度、速度范围的空中目标连续稳定跟踪探测难度非常度大，几乎不可能，但对一些予以高度关注的特定目标，雷达必须具备连续稳定跟踪探测能力，以支持指挥引导和协同打击。

实现这一能力可从以下几个方面考虑：①选择机相扫结合的天线扫描方式，实现360°方位覆盖内主波束宽度最优化；②采用数字阵列天线技术降低落在目标速度区域内副瓣杂波强度(对天线在某个方向上的副瓣电平进行限制)[2]；③在目标航迹出现丢点时，采用不同重频信号进行补充探测，解决距离速度二维盲区影响；④选择合适的预警机飞行航线，降低机身对雷达副瓣的影响；⑤在目标机动时，采用高数据率和高、低重频交替工作方式提高探测概率；⑥控制预警机转弯横滚角，降低载机横滚对雷达方位、俯仰测量精度的影响。

对于海面目标低速目标稳定跟踪问题一直是机载预警雷达需要深入研究的问题，这里面包含两个大的方面，一是在目标密集时点迹与航迹的错误关联；二是低速目标稳定跟踪的优化处理。比如可以从以下几个方面考虑：①利用雷达距离分辨率高的优势，在极坐标下进行点迹航迹关联处理，降低关联错误；②在方位上采取小步进连续测量的工作方式，提高雷达方位分辨率；③同时进行不同数值点迹(比如3、6、12点)的多点凝聚处理，解决航迹、航向稳定检测和目标机动时航迹变化滞后问题。

对于电子侦察系统，同样的功能在不同的用途上设计也是不一样的，比如对雷达辐射源信号进行搜索、截获和分析，依据信号特征，对辐射源及其所属的平台(或武器系统)进行分类和识别这一功能，在预警机上用于辅助探测和识别与在侦察机上用于侦察监视是有很大区别的。在预警机上重点是与雷达协同完成目标探测和识别、完成对雷达威力以外(比如隐身目标，雷达作用距离很近)的目标的引导探测、完成威胁信息的侦察告警，因此在预警机上建立雷达辐射源特征数据库重点是针对移动平台特别是隐身移动平台；在侦察机上主要用于电磁态势信息的侦察收集，形成电磁态势变化的动态情报，其次是与其它渠道收集的信息进行匹配处理，形成雷达辐射源信号与平台的匹配数据库，支撑对辐射源信号平台的快速探测和识别(比如预警机平台)，因此在侦察机上建立雷达辐射源特征数据库需要包含各种平台。同样对侦察处理信号密度这一指标，在预警机和侦察机上其含义也不相同了。

对于通信系统最基本的需求是与通信对象在给定距离内的稳定可靠通信能力，影响稳定可靠通信的主要因素是机动飞行和干扰环境，就目前典型的通信装备设计来看，单一通信手段在机动飞行和干扰环境是肯定不能满足稳定可靠通信需求的，其主要原因是天线设计通常不能同时满足全向通信和抗干扰的需求。因此设计相控阵通信天线或利用机上相控阵雷达天线进行通信，实现大容量可靠通信和提升抗干扰能力，将成为未来机载通信的主要方向。

当前典型的机载导航系统由大气数据系统、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、捷联惯性导航等组成，各导航设备独自工作并将信息通过惯性导航系统进行组合提供给机上使用。各导航设备提供的导航信息具有一定备份作用，其中在精度上起主要作用的是卫星导航和捷联惯性导航，位置和速度信息精度主要依靠卫星导航，姿态精度主要依靠惯性导航。当卫星导航故障时，位置和速度信息精度将大幅下降，一般不能满足载机和机上任务系统正常工作的需求，如果通过将雷达探测已知固定目标对载机进行相对定位和有些数据链系统的相对导航功能等引入惯性导航系统进行定位修正，将大幅提升卫星导航故障时载机和机上任务系统的性能指标，基本可以满足应急工作需要。

在关注功能性能实现细节的同时，关注设计思路的细节同样十分重要。比如在空空对抗演练中，某先进的机载火控雷达与早期的火控雷达相比，其作用距离大一倍但对机动目标的跟踪效果反倒不如早期的火控雷达，分析原因是性能先进的机载火控雷达增大了天线孔径，降低了波束宽度，提高了作用距离。但由于波束宽度变窄，影响了对近距离机动目标的跟踪效果，如果设计时充分考虑这一细节，根据目标距离来控制波束宽度，就可以很好解决近距离机动目标的跟踪效果问题。

又比如在多个应用软件同时运行的计算机上，经常出现一个应用程序在信息输入量瞬时增大时，CPU占用达到100%，导致其它应用程序运行出现卡滞现象，通常设计师采取提升计算机性能或降低整体处理信息量的办法，这样通常会提高硬件成本或降低系统性能。如果通过设计预处理程序，对信息瞬时输入量进行适当控制，就可以在原有的CPU性能上解决处理卡滞现象。

又比如通信系统中经常出现在地面检查时设备、天线、馈线均检测正常，但飞机起飞后通信却不正常的现象(严重时曾经出现过4路同样的通信设备同时出现类似问题的情况)，再到地面检查却查不出明显原因。分析其主要原因是馈线接插件在震动环境下连接稳定性存在缺陷(与国外相比)和通信设备不具备对天馈线的实时在线检测功能。

对于未来研制的电子信息装备，在设计系统功能性能的同时，设计全覆盖自诊断监测功能[3]是关注系统设计细节的一个重要方面，通过设计全覆盖自诊断监测功能既提升系统的使用效果和降低维修难度，又便于提前发现系统自身缺陷和完善系统设计。如果在系统设计时对这些细节予以充分考虑解决，则类似问题就不会出现。

3 试验验证——关注试验条件对作战使用的影响

装备的试验验证不仅要关注典型条件下的功能性能指标，作为设计师更要关注边界以及边界之外条件下装备的功能性能指标情况。比如对机载有源相控阵雷达天线的测试，现在通常在微波暗室中进行，其主副瓣形状和电平数据是计算出来的，这种测试方法在阵面法线的一定角度范围之内具有较高准确性，但与实际使用存在一定差异：①测试信号处在单元天线的大信号区，与实际雷达天线单元接收目标回波处于弱信号区在通道的幅相特性上是存在差异的；②测试状态的天线处于近场理想工作状态，实际天线处于受载机机身影响状态；③测试天线工作在单天线状态，实际相控阵天线为了实现全方位覆盖，需要多天线组合，天线间的相互影响没有包含在内。因此应考虑采取远场测试天线实际方向图获得更准确的雷达天线性能数据，用以改进雷达的整体探测性能。

又比如对机载雷达作用距离的测试，经常采用目标机在作用距离指标之外一定距离到作用距离指标之内一定距离相向或相背飞行测试的方式，这种方式是测量雷达最大作用距离的经典模式，但由于PD体制的机载雷达最大作用距离是与目标速度和杂波背景密切相关的，因此需要通过试验获取不同的杂波背景下目标以不同角度进入和退出的最大作用距离数据，才能全面准确评价机载雷达的最大作用距离能力。

4 售后服务——关注装备使用中的异常情况

装备的售后服务不仅仅是进行维护/维修，最重要的是通过收集装备使用过程中出现的各种问题和故障情况，对装备进行改进和完善。对于偶发的故障，通常进行必要的维修加以解决，但对于重复发生的故障，则一定要认真追究其原因，进行设计改进彻底解决问题，这一处理的基本方法大家都明白。作为优秀的设计师，更要在一些现象中尽早发现装备的薄弱环节，进行改进完善，提升装备质量，确保装备在关键时刻能够好用顶用管用。比如某型机出现意外损伤时，对多个机载电子装备进行检查，发现某种装备损坏率明显高于其它装备，从表象上看这种损坏符合常规损坏条件，但仔细分析其质量上应该存在一定的抗强震动能力不足的问题，应认真查找其抗强震动薄弱环节，采取改进措施提升该装备的耐用性。又比如经常出现的导航基准误差变大引起探测误差变大的情况，这在单平台探测时经常被忽视，但在多平台探测系统中就会出现情报融合出错。因此在探测系统中需要具备误差自检测功能，才能在导航基准误差变大时及时发现问题并及时采取修正措施，保证系统在体系中的正确使用。

5 结语

本文叙述的各种关注细节的设计理念，可能表述不一定准确甚至存在错误，但核心思想是希望在信息时代从事军用电子信息装备的设计人员，能够树立一切为打赢信息化战争为目标的思想，充分借鉴民用电子设备在市场竞争中自我完善的设计理念，在自己设计研制的装备上精益求精，真正实现装备的好用顶用管用。

[1] 贲德,韦传安,林幼权.机载雷达技术[M].电子工业出版社.

[2] 王永良,丁前军,李荣锋. 自适应阵列处理[M].清华大学出版社.

[3] 蔡爱华,范强. 下一代机载任务电子系统总体设计思考[J].中国电子科学研究院学报，2016(2).

[4] 张祖稷,金林,束咸荣. 雷达天线技术[M].电子工业出版社.

[5] 刘飞腾,曹晨.机载预警雷达试飞方法的研究[J].中国电子科学研究院学报，2014(1).

The Thought and Application of Precise Design Concept in Military Electronics Information Equipment——Details determine success or failure

CAI Ai-hua，LIU Shu-li

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

From the tendency that civilian information product gained rapid development because of pursuit in the details, e.g. delicacy, intellectual and humanization, the paper associate that the designer of military electronics information equipment pay attention to achieving its tactical and technical index, but ignore the details of developing process, thus impacting the actual effect of equipment. According to many years of experience and realize, from several stages of equipment development such as requirement analysis, system design, experimental verification and after-sales service, the author elaborate the cognition of attention to details, for the colleague reference.

detail; requirement analysis; system design; experimental verification.

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.001

2017-06-05

2017-07-26