新一代军用飞机航空电子系统发展趋势与发展现状

王庆伟

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

在21世纪信息化条件下的高技术战争中，要获得战役和战术上的主动权，很大程度上取决于能否取得制空权，制空权的关键是战斗机的功能和性能。

航空电子系统是现代战斗机的重要组成部分，其性能和技术水平不仅直接决定和影响着现代战斗机的作战性能，也成为先进战机的重要标志。没有高性能和高技术水平的航空电子系统就不可能有高作战效能的现代战斗机。航空电子系统领域不断扩大，从传统的显示、导航、火控扩展到飞控、机电、燃油、液压等系统。

第四代战机的开发和研制恰逢20世纪末电子信息技术飞速发展，其高度综合化的航空电子结构以美国提出的基于“宝石台”联合攻击战斗机（F-35）为代表，主要特点是：传统的雷达、通信、导航、敌我识别及电子战等航空功能，从硬件设备角度已经很难划分，整个航空电子系统采用统一的航空电子网络，将数字化、模块化、标准化的工作从信息处理、信号处理逐步推向射频前端及天线孔径，把系统的综合推进到了传感器层面，多传感器信息融合技术的应用，极大的提高了航空电子系统的性能。

1 航空电子系统的分层结构

航空电子系统分为6个层次（见图1），即：

第一层：海陆空天的体系对抗

第二层：战斗单元之间的通信与协同

第三层：战斗单元内部功能区的综合

第四层：功能区内部各模块之间的深层次综合

第五层：电路级/软件模块级设计

图1 航空电子系统的分层结构

第六层：芯片级/代码级设计

航空电子系统不仅要面向自身发展的要求 （第三、四、五、六层），向适应多种飞机平台、高度综合化、模块化、开放式航空电子系统方向发展，而且要面向未来系统环境的要求，满足机间多平台协同作战要求和海、陆、空、天多平台组网要求（第一、二层），向网络化、信息化方向发展。

2 航空电子系统的概念与发展历程

2.1 航空电子系统的概念

航空电子系统指安装在飞机上或悬挂在飞机上的所有电子和机电系统及子系统（含硬件和软件）。包括完成任务所需的传感器、信号与数据处理与管理、显示器等一系列子系统的综合，子系统诸如：通信导航识别、惯性导航、显示与控制、任务管理、雷达、电子战、大气数据系统等。

航空电子系统涉及到通信、导航、识别、飞行管理、大气数据、雷达与光电探测、电子战、火力控制、任务管理、显示控制和系统软件等功能设备或功能模块，其成本通常占飞机成本的40%-70%。

航空电子系统可分为通用航空电子系统和任务航空电子系统两部分。前者是飞机为完成正常飞行任务所必须装备的电子系统。包括无线电通信系统、导航系统、飞行控制系统。后者是飞机为完成某种特定任务而装备的电子系统,包括火力控制系统、侦察监视系统、电子战系统、数传系统。

2.2 航空电子系统的发展历程

航空电子系统在其发展过程中经历了四个发展阶段（见图 2）：

*独立式航空电子系统

*联合式航空电子系统

*综合式航空电子系统

*先进综合式航空电子系统

图2 航空电子系统的发展历程

独立式航空电子系统（见图3）的主要特点是：

*各功能设备从天线、射频、综合处理、信息处理到显示控制各部分自成体系，完全独立存在，由多个LRU，构成一个完成特定功能的设备；

*在座舱中每种功能都有相应的显示控制单元，独立实现对特定功能的显示和控制；

联合式航空电子系统（见图4）的主要特点是：

*采用时分多路总线，实现综合显示与控制；

图3 独立式航空电子系统基本框图

图4 联合式航空电子系统基本框图

*各功能设备从天线、射频、信号处理到信息处理还基本上是独立存在，由一个或多个LRU（外场可更换单元）及共用的综合显示控制器一起完成特定的功能；

*采用航电分系统方式，使得部分信息处理在分系统层次共享处理器；

*可进行统一的信息调度和系统管理，有一定的扩展能力和重构能力；

*在一定程度上解决了战斗机设备和座舱体积重量的矛盾、减轻飞行员负荷。

综合式航空电子系统（见图5）的主要特点是：

*以通用综合处理器实现航电系统的信号/信息处理功能；

*在通用处理器中，以LRM（外场可更换模块）代替LRU；

*采用光纤总线为主的多条总线；

*实现共用模块、容错和重构；

*系统互连向高速网络化发展，使用星型拓扑结构的高速光纤、点对点光纤链路级1553B等多种传输手段。

图5 综合式航空电子系统基本框图

先进综合式航空电子系统（见图6）的主要特点是：

*将通用数字系统综合的思路应用到射频综合，射频模块化、标准化；

*共享天线孔径；

*采用统一网络数据传输；

*传感器信息融合；

*强调可负担得起、开放式系统结构、可变规模能力、商用货架产品技术；

*BIT和故障隔离的标准模块。

3 航空电子系统发展的关键技术与发展趋势

3.1 航空电子系统发展的关键技术

航空电子系统发展主要涉及以下关键技术：

*航电系统综合设计技术的发展

*综合核心处理系统技术

*系统软件技术

*总线技术

*综合控制显示技术

*数据融合技术

*机载传感器综合技术

*隐身技术

*低成本设计技术

*可靠性及可用性设计技术

3.2 航空电子系统的发展趋势

1）开放式、模块化、综合化是航空电子系统的发展方向，是提高航空电子系统经济可承受性和可用性的重要手段；

图6 先进综合式航空电子系统基本框图

2）航空电子系统受以下三大需求驱动力的影响：

*任务性能

*操作性能

*全寿命成本

3）受到技术发展的推动，主要包括两个方面的推动：

*微电子、计算机、软件和光通信

*机载设备的发展

4）功能向数字化方向发展，终端尽可能智能化、数字化，实现应用功能的模拟方法被数字方法替代。

5）组成向模块化发展

*允许通用系统设计和软硬件元件可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；

*采用现场可更换模块LRM，可以减少维护和后备支持成本；

*范围越来越广（从核心到外围）、粒度越来越细（从板子到MCM）、种类越来越少。

6）系统结构向综合化方向发展

*共享资源

*共享信息

*更有效的功能综合

*在性能改进的同时减少体积、重量、功耗和成本

7）功能实现软件化

8）网络传输手段统一化

9）根据信息战的总体布局和网络中心的需求，航电系统将实现网格化。在航电系统结构中，将分布在飞机各处的各种终端、处理机等智能化实体当做网格上的节点。节点负责信息的采集、存储、处理、应用等不同任务。由系统管理软件负责配合所需节点上的软硬件资源，调度运行操作的模式，启动应用功能的应用软件实现算法，监督系统的健康状态，处理各种故障，实现系统重构。

4 新一代航空电子系统的发展现状

4.1 F-22战斗机航空电子系统

F－22战斗机航空电子体系结构（见图7）具有如下特点：

1）通过数据总线进行信息传送。

2）采用模块化结构实现结构的简化和资源共享。

3）通过传感器数据融合获取更丰富、准确、质量更高的目标信息。

4）座舱采用“一平六下”显示体制，所有作战信息通过平显和多功能显示器显示，为飞行员提供关键的飞行及作战信息。

5）通过机内自检（BIT）和系统重构，使系统具有容错能力，提高了系统的可靠性和可维修性。

F－22战斗机航空电子系统的主要设备包括：

1）通信/导航/识别系统：采用综合化通信导航识别系统，用标准化的方法把外场可更换模块划分为数量少、资源共享、可重构的通用模块类型，这些模块类型分为射频组、信号处理组和数据处理组，在软件的控制下可实时完成通信、导航、识别等各种功能。

2） AN／APG－77雷达：AN／APG－77固态有源电子相控阵雷达是F－22综合多传感器航空电子系统的一部分，该雷达的设计以多功能、多工作方式、多目标搜索和跟踪能力来体现“先敌发现，先敌命中”的作战原则。

3）电子战系统：F－22的电子战系统包括由BAE系统公司研制的 AN／ALR－94无源接收机和 AN／ALE－52对抗投放器，以及洛克希德·马丁公司的AN／AAR－56导弹发射探测器。

4）飞行数据链（IFDL）：飞行数据链系统采用窄的笔形波束抗截获，把几架F－22的传感器连接起来，进一步减少雷达发射信号。

5）惯性导航系统：前机头内装有LN－100F环形激光陀螺。该装置采用单独的数据总线，以确保提供独立的参考数据。

6）通用综合处理器（CIP）：该通用综合处理器通过光纤数据总线与航空电子系统相连接，堪称F－22航空电子系统的“大脑”。

图7 F-22战斗机航空电子系统体系结构

7）座舱显示系统：由1个平视显示器和6个下视显示器组成。平视显示器为视场20°×30°的广角全息平视显示器，下视显示器包括1个203 mm×203 mm的主多功能显示器、3个159mm×159mm辅助多功能显示器和两个76 mm×102mm的小型前上方多功能显示器。

4.2 F-35战斗机航空电子系统

F-35航空电子系统是根据微电子技术的发展成就，基于“宝石台”结构的技术论证发展起来的，是为适应2005年以后战斗机技术指标而研制的高度综合化航空电子体系结构。在系统结构上的特点是模块化、综合化、采用统一互连网络和开放式系统结构。

F-35战斗机的航空电子系统硬件组成包括雷达、电子战系统、通信导航与识别（CNI）系统、光电传感器、核心处理机、座舱人机界面等部分，由统一互连网络联系在一起；在F-22航电系统基础上将系统综合的思路进一步应用到射频综合上，使射频部分也具有模块化和可重构特点，从硬件的角度已经很难区分通信、雷达、电子战设备的不同，他们是通过通用模块、采取加注不同的软件实现不同功能的。采用统一航空电子互连网络（UAN），代替F-22数量众多的总线（高度光纤总线、点到点光纤链路、1553B总线等），使系统构型更加简洁，提高了信息传输速度、可靠性和系统的容错重构能力。

F-35战斗机通过采用开放式系统结构以及大量采用民用货架产品使系统成本大大降低。实现了传感器综合，实现了射频模块的标准化和模块化，实现了天线共用。由于采用开放式系统结构，在更换一些部件或增加新的部件时，不需要改动系统其他部分的软件和硬件。这种航空电子系统结构将功能分配在公共模块上，功能的增加和去除则利用置入和去除软件模块实现，功能间资源共享，具有容错特性，提高了整个系统的可靠性。

F-35战斗机航空电子系统（见图8）的主要设备包括：

1）综合核心处理器（ICP）

ICP是一套能够每秒运行400亿次计算的并行计算机系统，负责传感器、通信、电子战、制导、控制等任务的数字式处理方式。使用水银计算机公司的RACE++系列多计算机系统。

2）AN/APG-81有源相控阵雷达

在F-22所用的AN/APG－77雷达基础上发展而来，满足美国军方可支付性、高杀伤性、高生存力、高保障性的要求。采用开放式结构，制造和维修简单，便于未来升级；T/R模块采用双封装制，系统预期寿命与飞机初始寿命相同。

3）统一互连网络（UAN）

采用统一互连网络，支持航电系统提高综合水平和性能。

4）CNI

CNI系统包括VHF/UHF电台、Have Quick I/II、卫星通信系统、敌我识别应答机（IFF/SIF）、仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）、舰上自动着陆系统（ACLS）、塔康（TACAN）、机间飞行数据链（IFDL）、Link16/JTIDS、Link4A、战术数据信息链（TADIL-K）、3-D声频和自动相关监视-广播（ADS-B）系统。

5）数字式综合电子战系统

提供全向雷达告警能力，支持对各种外部辐射源的分析，并对其进行识别、跟踪、工作模式确定以及测量其主波束到达角，提供威胁感知和攻击目标定位，对辐射源的主波束进行截获和跟踪，对超视距辐射源进行识别、定位和测距，对辐射源的信号进行测量，具有多谱对抗和电子战系统管理能力。

6）光电瞄准系统（EOTS）

基于“狙击手”XL吊舱研制，能够对地面目标提供远距离的目标探测、识别和精确指示，以及空对空威胁提供远距离的探测，具有高分辨率成像、自动跟踪、红外搜索与跟踪、激光目标指示及测距以及激光点跟踪能力，提供有源和无源测距。

图8 F-35战斗机航空电子系统体系结构

7）分布式孔径系统（DAS）

由分布在机身各处的6部固定位置、具有百万像素的凝视红外焦平面阵列探测器的红外摄像机组成，为飞行员提供围绕飞机机身的全景视野。提供FLIR导航、导弹告警和红外搜索与跟踪（IRST）功能。

8）座舱显示系统：

用HMD代替平时显示器 （HUD），采用由两台203mm×254mm彩色液晶显示器拼接而成的多功能液晶全景显示座舱（PCD），带有一台76mm×76mm有源矩阵液晶备份显示器。

4.3 新一代航空电子系统设计的主要特征

1）功能区的概念：将系统划分为传感器管理区、任务管理区、飞机管理区即三个功能区。

2）高度模块化：在物理结构上由许多通用模块和一些专门设计的外场可更换模块(LRM)组成。通用模块由VHSIC芯片组成，包括完成接口控制和故障诊断等功能的数字处理电路。利用通用模块可开发系统或子系统，即利用通用模块可组合构成任一功能的航空电子子系统。

3）采用高速数据总线：高速数据总线(HSDB)是实现系统高速大容量数据传输、容错、重构和资源共享的关键。

4）采用高度综合的座舱显示系统：高度综合的座舱显示系统可为飞行员提供关键的飞行及作战信息，显著降低飞行员的工作负担。

5）系统容错和重构：系统容错和实时动态重构技术是新一代综合航空电子系统必不可少的关键技术。航电系统通过资源共享、功能区划分和采用模块化结构，实现了高度的实时动态重构，较好地解决了航空电子系统在性能、可用性、成本之间的矛盾。

6）用Ada语言编写任务软件：在航电系统软件开发过程中广泛采用Ada语言，开发可重用的通用软件，是提高软件生产效率、降低开发成本、提高软件可靠性的重要措施。

5 结语

长期以来，我国军用飞机的设计重点集中在改善飞机的飞行品质等方面，对航空电子系统的发展重视不足，航电系统的发展主要采用型号牵引模式，基础研究少，技术产业化比率低，先期研制经费投入不足，一直采取跟踪发展模式，缺乏冒险精神，缺乏自主创新，这些问题都大大制约了我国军用航空电子技术的发展。随着微电子技术的发展，西方军事大国不断更新设计理念，提高航空电子系统的重视程度，加强先期研究投入。我国在未来的航空电子系统研究中，不仅要研究先进的设计经验，更要研究其发展和管理经验，加强基础研究重视程度，在发展道路上从跟踪转变为引领，从未来战场环境需求出发，建设适合我国未来作战环境的军用航空电子系统，这对我国国防安全、航空工业乃至国民经济将产生重要影响。