教練機(jī)航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

喻懷仁

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，南昌 330024）

0 引言

1 系統(tǒng)概述

綜合航空電子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)航電系統(tǒng)）與飛機(jī)平臺(tái)、機(jī)載武器是教練機(jī)提高作戰(zhàn)效能、性能的三大要素。航電范疇為完成飛行和作戰(zhàn)任務(wù)所需的各種機(jī)載電子設(shè)備和研究范圍。航電系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)通訊、導(dǎo)航、識(shí)別、探測(cè)、火控、飛控、電子戰(zhàn)和空中交通管理等功能，即為完成上述功能所有的機(jī)載電子設(shè)備和系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為航電系統(tǒng)[1]。航電系統(tǒng)包括下述設(shè)備：綜合顯示和控制、無(wú)線(xiàn)電通訊、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航、慣導(dǎo)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、光/電探測(cè)器、外掛管理、目標(biāo)識(shí)別、偵察監(jiān)視、數(shù)據(jù)鏈通訊、電子戰(zhàn)、火力控制等設(shè)備。

航電系統(tǒng)采用系統(tǒng)工程的方法，以信息理論及先進(jìn)電子技術(shù)為基礎(chǔ)，把航電系統(tǒng)的各功能設(shè)備，通過(guò)系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)總線(xiàn)或網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，在信息、數(shù)據(jù)、信號(hào)和傳感器方面綜合成有機(jī)的整體，達(dá)到系統(tǒng)資源的高度共享和最佳的整體效能，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的作戰(zhàn)效能與性能、可使用性、保障性和壽命周期費(fèi)用的平衡。

隨著數(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，航電設(shè)備的性能日趨完善，它對(duì)軍用飛機(jī)戰(zhàn)斗力和壽命周期成本均產(chǎn)生了很大的影響，因此研究和掌握綜合航電系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)具有重要和深遠(yuǎn)意義。

1.1 航電系統(tǒng)的發(fā)展

國(guó)外研究航電綜合技術(shù)、經(jīng)歷四個(gè)階段，圖1為航電系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。

第一代稱(chēng)為分立式航電系統(tǒng)[2]（40～50年代），每一功能模塊都有獨(dú)立的專(zhuān)用傳感器、處理器和顯示器，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式連接。即雷達(dá)、通信、導(dǎo)航，各自具有專(zhuān)用的傳感器、處理器和顯示器，并通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線(xiàn)連接。

第二代稱(chēng)為聯(lián)合式航電系統(tǒng)[2]（60～70年代），資源共享只在信息鏈的后端控制與顯示部分；使用幾個(gè)數(shù)據(jù)處理器完成低帶寬的數(shù)據(jù)傳輸交換功能，如導(dǎo)航，武器投放、外掛管理、顯示、控制等，各單元之間通過(guò)1553B總線(xiàn)交聯(lián)。

一是水安全的基礎(chǔ)性及關(guān)聯(lián)性。水是人類(lèi)、動(dòng)植物、土地和生態(tài)等絕大部分自然資源中普遍存在的資源，其不僅是生命的構(gòu)成要素，而且是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的維持要素，其與多種自然資源具有高度的相關(guān)性，與環(huán)境、生態(tài)緊密相關(guān)，其自身之間也存在廣泛的關(guān)聯(lián)性。

第三代航電系統(tǒng)稱(chēng)為綜合式航電系統(tǒng)[2]（80～90年代），綜合化程度進(jìn)一步提高，系統(tǒng)共享的綜合核心處理器(ICP)以外場(chǎng)可更換模塊(LRM)的形式安裝于兩個(gè)以上的綜合機(jī)架中，高速總線(xiàn)連接幾個(gè)機(jī)架和系統(tǒng)共享的大容量存貯器，傳感器和座艙控制顯示器通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖連接到綜合機(jī)架的相應(yīng)LRM，其它如飛機(jī)通用設(shè)備管理、飛控、外掛管理等通過(guò)1553B總線(xiàn)互連并連接到綜合機(jī)架。

第四代航電系統(tǒng)稱(chēng)為先進(jìn)的綜合航電系統(tǒng)（2000～），在第三代的基礎(chǔ)上采用了整個(gè)航電系統(tǒng)的統(tǒng)一航電網(wǎng)絡(luò)并推進(jìn)了傳感器系統(tǒng)綜合。在實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)孔徑的綜合時(shí)，統(tǒng)一考慮所覆蓋頻段的分配，A／D變換盡量向前端推移，使用標(biāo)準(zhǔn)的共用模塊進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，內(nèi)部使用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)、重構(gòu)能力，降低了成本、體積和重量，同時(shí)又提高了性能。

1.2 教練機(jī)航電系統(tǒng)

國(guó)際上目前在役的主戰(zhàn)飛機(jī)大都是三代戰(zhàn)斗機(jī)或三代半戰(zhàn)斗機(jī)，典型的代表包括美國(guó)的F-16/18，歐洲的幻影、狂風(fēng)、陣風(fēng)和臺(tái)風(fēng)，俄羅斯的MIG33/35和SU-27/35/37,他們采用的都是第三代航電系統(tǒng)框架，普遍具有以下特點(diǎn)：

1)以MIL-STD-1553B多路傳輸總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)綜合集中分布式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；

2)綜合顯示／控制，良好的人機(jī)界面；

3)按子系統(tǒng)／LRU綜合，分布計(jì)算，信息共享，集中控制；

4)系統(tǒng)具有較高的任務(wù)可靠性、良好的維修性和較強(qiáng)的生存力；

美國(guó)的F-22于2001年11月開(kāi)始交付，其航電系統(tǒng)已基本達(dá)到第四代航電水平，但由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，美國(guó)的主要精力仍著手于F-35的研制[3]。目前由洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的F-35 STOVL(短距起飛垂直降落)已經(jīng)于2000年10月完成首飛。這些都標(biāo)志著美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)航電系統(tǒng)水平已經(jīng)領(lǐng)先世界其他國(guó)家，完成了三代航電向四代航電過(guò)渡的工程[4]。圖2和圖3分別為F-22和F-35航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。

1.3 第四代航電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)

航電系統(tǒng)所占的比例不斷增加，20世紀(jì)80年代航電系統(tǒng)成本占飛機(jī)出廠成本的30%，而在全部航電系統(tǒng)成本中，傳感器部分 （包括射頻和光電）占63%，如果從孔徑和支持電子角度劃分，孔徑和支持電子部分分別占航電總費(fèi)用的30%和38%。經(jīng)濟(jì)可承受性是當(dāng)今各國(guó)空軍面臨的普遍問(wèn)題，為此提出了開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，美國(guó)空軍的PAVE PACE計(jì)劃研究表明，采用綜合射頻傳感器系統(tǒng)能夠?qū)⑸漕l電子部分的成本和重量減少多達(dá)50%。

20世紀(jì)70年代以前的軍用飛機(jī)中采用模擬式電子系統(tǒng)，航電系統(tǒng)的重量占飛機(jī)總重量的比例不斷增加。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字式航電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，70年代以后軍用飛機(jī)航電設(shè)備的重量占飛機(jī)總重量的百分比呈不斷下降趨勢(shì)。

未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)功能越來(lái)越復(fù)雜，因此軟件的規(guī)模也在成倍增加。例如，F(xiàn)-22的軟件大約有190萬(wàn)行代碼。由于F-22是空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)，主要執(zhí)行對(duì)空作戰(zhàn)，而F-35除了對(duì)空作戰(zhàn)外還要執(zhí)行對(duì)地攻擊任務(wù)。另外F-35還要滿(mǎn)足三軍的不同需要，因此其軟件設(shè)計(jì)便復(fù)雜了很多，F(xiàn)-35的軟件規(guī)模大約是F-22的2倍多[5]。同時(shí)，由于商用微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為適應(yīng)任務(wù)需要，機(jī)載計(jì)算機(jī)的處理能力也在不斷提高。表1為F-22與F-35航電系統(tǒng)對(duì)比。

未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)必須是一種“買(mǎi)得起、用得起”的飛機(jī)，因此必須采用新的軟件設(shè)計(jì)思想與方法以降低軟件的設(shè)計(jì)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)。

1.4 第四代航電系統(tǒng)特點(diǎn)

第四代航電系統(tǒng)的綜合化程度進(jìn)一步提高。為降低成本，在功能不斷強(qiáng)大的發(fā)展趨勢(shì)下，高度綜合化的設(shè)計(jì)是第四代航電系統(tǒng)的必要手段，將射頻和光電設(shè)備的通用模塊盡量綜合，僅保留傳感器前端，即孔徑綜合。將大量的數(shù)據(jù)處理模塊集中于綜合核心處理機(jī)中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。

開(kāi)放式系統(tǒng)，是解決可負(fù)擔(dān)得起問(wèn)題的一個(gè)重要技術(shù)方法。采用開(kāi)放式系統(tǒng)可提高系統(tǒng)可移植性（允許重用），可伸縮性(允許系統(tǒng)擴(kuò)充和升級(jí))和互操作性（保證系統(tǒng)部件協(xié)調(diào)工作），有利于引入COTS,開(kāi)放系統(tǒng)方式是解決新技術(shù)的注入、縮短采購(gòu)周期、解決原器件停產(chǎn)、取得長(zhǎng)期支持能力的技術(shù)途徑。

模塊化系統(tǒng)，可有效降低產(chǎn)品全壽命周期的成本；可實(shí)現(xiàn)通用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟/硬件并用于不同的飛機(jī)平臺(tái)；允許增量式修改，減少修改帶來(lái)的影響和成本；有利于系統(tǒng)和模塊的升級(jí)換代；現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊LRM可以減低維護(hù)和后勤支持成本。

圖2 F-22航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖3 F-35航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

表1 F-22與F-35航電系統(tǒng)對(duì)比

2 下一代航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

一種由無(wú)人機(jī)智能控制領(lǐng)域引入的新型的航電系統(tǒng)概念研究，正在不斷發(fā)展，智能化的航電系統(tǒng)逐漸進(jìn)入研究人員視野。

在復(fù)雜不確定的環(huán)境中，當(dāng)今的無(wú)人機(jī)一旦缺乏人的控制與干預(yù)，往往不能順利完成任務(wù)。針對(duì)以上狀況，很自然提出這樣一個(gè)問(wèn)題，即如何最大程度地給無(wú)人機(jī)賦予智能，實(shí)現(xiàn)其自主飛行控制、決策、管理及健康診斷和自修復(fù)，從而在某些領(lǐng)域取代有人駕駛飛機(jī)的作用。于是，自主控制（Autonomous Control）的概念被提上了日程。自主控制意味著能在線(xiàn)感知形勢(shì)，并按確定的使命、原則在飛行中進(jìn)行決策并自主執(zhí)行任務(wù)。

自主控制系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)階次高、子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)多且相互矛盾的復(fù)雜大系統(tǒng)，是多個(gè)學(xué)科的交叉，如果不加規(guī)劃的盲目進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不完善甚至失敗[6]。采用智能系統(tǒng)的架構(gòu)，把綜合航電與決策控制系統(tǒng)的每一個(gè)子系統(tǒng)看作一個(gè)獨(dú)立的智能Agent。子系統(tǒng)可以由一個(gè)或多個(gè)智能Agent組成，Agent有自己的推理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并具有知識(shí)運(yùn)用能力和學(xué)習(xí)能力。綜合航電與決策控制系統(tǒng)是由多個(gè)協(xié)作Agent組成的復(fù)雜智能系統(tǒng)。由于各子系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及其功能配置可能存在耦合關(guān)系，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將采用專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的基于任務(wù)的系統(tǒng)配置管理，以適應(yīng)任務(wù)變化、環(huán)境狀態(tài)變化、及其它飛行條件變化情況的飛機(jī)管理。

2.1 智能Agent的結(jié)構(gòu)

盡管各Agent子系統(tǒng)的功能、運(yùn)行要求各不相同，但其抽象結(jié)構(gòu)一般包括：接口模塊、推理機(jī)、執(zhí)行器、學(xué)習(xí)機(jī)、知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)在整個(gè)系統(tǒng)中是統(tǒng)一的。圖4為Agent結(jié)構(gòu)示意。

接口模塊有兩個(gè)功能，一個(gè)是負(fù)責(zé)分析主控子系統(tǒng)的調(diào)度指令，觸發(fā)推理機(jī)工作；另一個(gè)是發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求或服務(wù)響應(yīng)情況的消息。接口模塊不負(fù)責(zé)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。推理機(jī)負(fù)責(zé)Agent內(nèi)部的任務(wù)規(guī)劃和決策，為執(zhí)行器提供執(zhí)行方式、執(zhí)行方法的決策指令。執(zhí)行器負(fù)責(zé)任務(wù)的實(shí)施。學(xué)習(xí)機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)任務(wù)執(zhí)行的條件、數(shù)據(jù)、方法、過(guò)程、結(jié)果、以及知識(shí)運(yùn)用情況等評(píng)估，以完善知識(shí)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)存貯了系統(tǒng)及各Agent的任務(wù)信息、任務(wù)執(zhí)行條件信息、任務(wù)執(zhí)行結(jié)果信息、以及子系統(tǒng)間的交換信息。知識(shí)庫(kù)存貯了系統(tǒng)所需的各種知識(shí)，包括規(guī)則、模型、方法、以及系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行中的過(guò)程知識(shí)，等等。

圖 4 Agent結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)調(diào)度原理

管理與調(diào)度子系統(tǒng)負(fù)責(zé)各功能子系統(tǒng)的調(diào)度，其調(diào)度流程是：功能子系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)庫(kù)中任務(wù)和要求自主執(zhí)行，期間，如果需要其它子系統(tǒng)的配合，發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求消息；管理與調(diào)度子系統(tǒng)接收到請(qǐng)求信息后，對(duì)請(qǐng)求事件進(jìn)行分析，并分析與相關(guān)子系統(tǒng)的關(guān)系，并按照功能組織要求對(duì)相關(guān)子系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)響應(yīng)指令，在此之前，完成與之配套的系統(tǒng)配置；各相關(guān)子系統(tǒng)完成服務(wù)響應(yīng)后，發(fā)出服務(wù)響應(yīng)完成消息；服務(wù)請(qǐng)求發(fā)出的子系統(tǒng)接收到服務(wù)完成消息后，從數(shù)據(jù)庫(kù)或功能緩存中獲取結(jié)果信息，繼續(xù)執(zhí)行自己的任務(wù)。圖5為系統(tǒng)調(diào)度流程。

圖5 系統(tǒng)調(diào)度流程

在上述流程中，服務(wù)請(qǐng)求是一個(gè)規(guī)范的、可能是復(fù)雜的過(guò)程，其組織執(zhí)行有嚴(yán)格流程（執(zhí)行模型），需要預(yù)先定義，并存貯在知識(shí)庫(kù)中。

2.3 系統(tǒng)信息融合策略

自主控制綜合導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是系統(tǒng)中的子系統(tǒng)有主、輔之分，當(dāng)某個(gè)或某幾個(gè)子系統(tǒng)工作不正常時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)要能保證提供載體所需的基本工作能力或系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)實(shí)現(xiàn)新的組合形式，以提高系統(tǒng)的可靠性；二是綜合導(dǎo)航系統(tǒng)不是幾個(gè)子系統(tǒng)簡(jiǎn)單的數(shù)量組合，而是對(duì)系統(tǒng)間的信息進(jìn)行某種最優(yōu)準(zhǔn)則下的信息融合以獲得更高的導(dǎo)航性能；三是系統(tǒng)要易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)靈活，能滿(mǎn)足不同用途的要求。圖6為組合導(dǎo)航信息融合策略。

圖6 組合導(dǎo)航信息融合策略

根據(jù)信息互補(bǔ)性原理，利用各個(gè)子系統(tǒng)的工作特性和輸出的信息分別組成聯(lián)合卡爾曼濾波器。這里卡爾曼濾波技術(shù)本身不是問(wèn)題的解，還應(yīng)考慮多種約束條件和優(yōu)先權(quán)，如量測(cè)信息、估計(jì)精度、計(jì)算速度、算法的魯棒性等。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，航電系統(tǒng)的研究已經(jīng)日趨成熟，對(duì)于教練機(jī)航電系統(tǒng)智能化的研究仍在探索中，如何在自主控制的智能化航電系統(tǒng)研究中取得突破性的進(jìn)展和工程上的應(yīng)用，正是我們航電系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的努力方向。

[1]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第17分冊(cè)：航空電子系統(tǒng)及儀表 [M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2]霍曼,鄧中衛(wèi).國(guó)外軍用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)[J].航空電子技術(shù)，2004.10.

[3]羅巧云.美國(guó)F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)綜合化航空電子系統(tǒng)概述[J].電訊技術(shù)，2002.4.

[4]羅巧云，高勇強(qiáng).美軍第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-35“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)”最卓越的航空電子系統(tǒng)[J].電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論，2005.8.

[5]F-35 JET FightersTo Take Integrated AvionicsToaWholeLevel[J].Military&Aerospace Electronics，2003.12.

[6]羅志強(qiáng).航空電子綜合化系統(tǒng) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.