機載懸掛物管理技術(shù)的發(fā)展分析研究

史志富

摘 要：????? 機載懸掛物管理系統(tǒng)是飛機綜合航電系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)， 對戰(zhàn)機作戰(zhàn)能力的發(fā)揮具有舉足輕重的作用。 通過介紹機載懸掛物技術(shù)的發(fā)展過程， 分析機載懸掛物管理系統(tǒng)的功能和組成， 提出機載懸掛物管理系統(tǒng)的關鍵技術(shù)和發(fā)展需求， 為國內(nèi)機載懸掛物管理技術(shù)的研究提供方向和思路。

關鍵詞：???? 機載懸掛物管理系統(tǒng); 綜合航電系統(tǒng); 智能自主決策

中圖分類號：??? V271.4? 文獻標識碼：??? A? 文章編號：???? 1673-5048（2018）01-0081-06

0 引? 言

機載懸掛物管理系統(tǒng)（Store Management System， SMS）是現(xiàn)代飛機控制、 監(jiān)視和發(fā)射（彈射、 投放）武器的航空電子系統(tǒng)， 用于監(jiān)控飛機懸掛物（主要是各種武器、 吊艙、 布撒器、 副油箱等）的工作狀態(tài)， 管理懸掛物與飛機其他分系統(tǒng)的通信以及提供發(fā)射/投放控制信息[1]。 現(xiàn)代戰(zhàn)機為滿足多種作戰(zhàn)任務的需求， 攜帶的各類懸掛物越來越多， 如何對懸掛物進行綜合管理和控制， 提高懸掛物管理的智能化程度， 降低飛機員的操作負擔， 已成為現(xiàn)代戰(zhàn)機發(fā)揮其最優(yōu)戰(zhàn)斗效能的關鍵因素之一。 對機載懸掛物管理的研究在經(jīng)歷了從無到有、 從簡單到復雜的發(fā)展歷程后， 目前已基本步入數(shù)字式管理階段， 正在朝自主智能式方向發(fā)展[2-3]。

1 機載懸掛物管理系統(tǒng)的發(fā)展

1.1 早期簡單直接硬線控制式發(fā)展階段

國外在機載懸掛物管理研究方面起步較早。 由于在早期空戰(zhàn)， 飛機主要是攜帶一些機槍、 航炮、 炸彈等簡單的懸掛物， 并且主要采用外掛形式， 故稱之為外掛管理系統(tǒng)。 早期的外掛管理主要是通過座艙的顯示控制、 武器控制面板以及外掛接口裝置來實現(xiàn)對懸掛武器的投放操作， 各系統(tǒng)之間通過簡單的中繼電路和專用線纜進行連接， 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上稱為“直接硬線控制式”。 早期的這些設備只能實現(xiàn)單一武器的投放， 懸掛物接口單一、 靈活性和互換性較差， 還不能實現(xiàn)全面的管理和控制。

1.2 逐步成熟和完善的快速發(fā)展階段

20世紀60年代， 機載武器的類型、 數(shù)量和能力進一步提升， 機載空戰(zhàn)武器開始具備離軸發(fā)射能力。 為適應該作戰(zhàn)需求， 模擬式懸掛物管理技術(shù)開始使用離散線進行聯(lián)系， 通過延遲邏輯和專用導線進行管理。 60年代后期起， 國外就發(fā)展了用高密度的集成電子技術(shù)設計的管理系統(tǒng)。 1973年， 西方出現(xiàn)了采用微處理技術(shù)的管理系統(tǒng)， 但其組成部件間的聯(lián)系還得用專用離散線。 70年代， 隨著美國“數(shù)字式航空電子系統(tǒng)信息計劃（DAIS計劃）”的實施， 數(shù)字式懸掛物管理系統(tǒng)的概念開始提出， 其通過數(shù)字式多路傳輸總線進行系統(tǒng)連接，? 顯示和控制進一步綜合。 70年代到90年代， 隨著飛機航電系統(tǒng)的發(fā)展， 為滿足新型航電系統(tǒng)的要求， 懸掛物管理作為一個獨立的系統(tǒng)， 其功能和性能也得到了快速發(fā)展， 其系統(tǒng)構(gòu)型可分為集中式、 分布式和開放式三種[1]。 目前， 開放式系統(tǒng)構(gòu)型由于能夠滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的快速性和實時任務更替的需求， 能夠?qū)崿F(xiàn)武器的即插即用， 正得到廣泛的研究和關注。

1.3 未來自主智能式研究階段

現(xiàn)代空戰(zhàn)具有快速多變、 全天候、 全方位、 多目標、 超視距等多種復雜任務， 對戰(zhàn)機能力的要求越來越高， 要求飛機攜帶的武器數(shù)量、 種類越來越多， 飛機懸掛物與飛機其他航電系統(tǒng)之間的信息交互更加復雜。 為減輕飛行員的操作負擔， 采用人工智能技術(shù)開展自主智能式外掛管理的需要日益緊迫。 而且， 隨著編隊作戰(zhàn)、 網(wǎng)絡中心戰(zhàn)概念的日益成熟， 研究“超級外掛管理系統(tǒng)（Super Store Management System，SSMS）”， 將傳統(tǒng)單機的SMS功能擴展到整個攻擊編隊和攻擊部隊任務載荷的控制和管理， 實現(xiàn)編隊作戰(zhàn)效能的最大化也成為未來的一個發(fā)展方向。

2 機載懸掛物管理系統(tǒng)的功能與組成

2.1 機載懸掛物管理系統(tǒng)的地位

SMS是現(xiàn)代戰(zhàn)機綜合航電系統(tǒng)的重要組成部分。 20世紀70年代初， 美國空軍實施“DAIS計劃”時， 1760通用外掛管理是其四大標準之一， 核心是通過1553B多路數(shù)據(jù)傳輸總線對顯示和控制進行綜合， 用軟件的控制算法部分取代飛行員對懸掛物的人為控制。 如以F-16C/D為代表的聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)中， 先進外掛管理系統(tǒng)是其重要的系統(tǒng)之一， 如圖1所示。

20世紀80年代中期， 隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展， 美國空軍萊特實驗室提出了“寶石臺”計劃。 “寶石臺”計劃將飛機整個航電系統(tǒng)分為三個功能分區(qū)和五個接口， 其中外掛管理控制是其任務處理區(qū)的核心模塊之一。 而到90年代以后， 美國空軍會同麥道、 波音和洛克希德等公司在“寶石臺”的基礎上提出了“寶石柱”計劃， 進一步提高了航空電子的綜合化、 模塊化和通用化水平。 F-35戰(zhàn)斗機作為第四代航空電子系統(tǒng)的典型代表， 其航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中外掛管理系統(tǒng)仍是重要的核心系統(tǒng)之一，? 如圖2所示。

通過飛機綜合航電系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以看出， 隨著數(shù)字技術(shù)、 傳感器技術(shù)、 軟件技術(shù)、 人工智能技術(shù)的發(fā)展， 飛機航電系統(tǒng)的綜合化、 模塊化和通用化程度一直在提高， 但是外掛管理系統(tǒng)仍然保持作為一個獨立的系統(tǒng)而存在， 隨著新型傳感器技術(shù)、 光纖通信技術(shù)、 開放式系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展， 其功能越來越全面， 性能也越來越高。

2.2 機載懸掛物管理系統(tǒng)的功能

機載懸掛物管理系統(tǒng)作為飛機綜合航電系統(tǒng)的一個組成部分， 把機載懸掛物與任務處理系統(tǒng)進行連接，? 可以實時監(jiān)控外掛物的狀態(tài)， 響應飛行員對懸掛物的選擇和控制指令， 執(zhí)行武器的投放指令與武器發(fā)射參數(shù)的裝訂。 其具體功能包括：

（1） 外掛武器的加載和顯示;

（2） 外掛武器的工作狀態(tài)監(jiān)控;

（3） 武器發(fā)射方案的控制與顯示;

（4） 外掛物技術(shù)狀態(tài)的檢測控制與顯示;

（5） 機載武器的投放/發(fā)射方案控制及其余彈的顯示;

（6） 外掛物與飛機其他分系統(tǒng)之間的信息傳輸;

（7） 外掛物的應急投放控制和機載武器的應急發(fā)射控制;

（8） 相關武器的發(fā)射參數(shù)裝訂;

（9） 為飛機其他分系統(tǒng)提供所需外掛物信號。

2.3 機載懸掛物管理系統(tǒng)的組成

機載懸掛物管理系統(tǒng)主要由懸掛物管理處理機（Store Management Processor， SMP）、 懸掛物控制板（Store Control Panel， SCP）、 懸掛物接口控制單元（Store Station Interface Unit， SSIU）以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡等組成[4]， 其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

SMP是機載懸掛物管理系統(tǒng)的核心。 其通過懸掛物管理總線與飛機火控任務處理系統(tǒng)、 座艙顯示系統(tǒng)相連接， 能夠?qū)⑼鈷煳锏臓顟B(tài)信息發(fā)送給座艙顯示系統(tǒng)進行顯示， 同時也接收來自火控任務處理機和座艙顯示系統(tǒng)對外掛物的管理和調(diào)整信號， 并轉(zhuǎn)換成懸掛物能夠接收和處理的指令， 發(fā)送給懸掛物進行相應操作。

SCP主要執(zhí)行對外掛武器的操作， 其功能包括利用武器控制板上的電源開關通過SSIU向外掛武器供電; 負責SMP的工作狀態(tài)選擇、 控制、 設置和檢測; 外掛武器的投放方案選擇和應急投放開關選擇以及懸掛物的工作控制開關等。

SSIU作為SMP的一個遠程終端設備， 位于懸掛物掛點附近， 負責完成各掛點懸掛物信息的采集， 通過數(shù)據(jù)總線與SMP相連接， 把SMP或機上其他系統(tǒng)指令經(jīng)過模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、 放大等處理形成對懸掛物的指令信號， 同時提供直流或交流電源對懸掛物進行供電。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡由一組或多組數(shù)字多路總線構(gòu)成， 主要完成各分系統(tǒng)和設備之間的信息交互。

2.4 未來新一代機載懸掛物管理的需求

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展， 未來戰(zhàn)機正朝著高機動、 高聲速、 高隱身和多任務方向發(fā)展; 對應的機載武器也朝著三多（多類型、 多方式攻擊、 多目標攻擊）、 三全（全天候、? 全空域、 全方位）、 三超（超音速發(fā)射、 超聲速巡航、 超視距攻擊）以及信息化、 智能化等方面發(fā)展， 為適應新一代戰(zhàn)機對武器和發(fā)射的管理和控制， 機載懸掛物管理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展也要充分適應新的作戰(zhàn)需求。

2.4.1 機載懸掛物管理的信息化

隨著信息時代的到來， 戰(zhàn)爭形態(tài)正由機械化向信息化演變， 對應的戰(zhàn)場環(huán)境、 作戰(zhàn)平臺、 作戰(zhàn)系統(tǒng)和武器裝備也均朝著信息化方向發(fā)展。 面對海量信息的處理， 懸掛物管理系統(tǒng)作為機載武器與其他系統(tǒng)之間的連接通道和信息傳輸通道， 也需要在信息傳輸和管理方面具備高帶寬、 高速率和高響應， 能夠保證信息化武器裝備的快速加載、 顯示、 檢測和控制， 在其他系統(tǒng)需要外掛信息時能夠做到及時和準確地傳輸。

2.4.2 機載懸掛物管理的智能化

未來飛機將具備作戰(zhàn)任務的多樣化特征， 如F-35能夠滿足各軍種作戰(zhàn)的需要， 美空軍將之與F/A-22形成高低搭配， 即能取代F-16執(zhí)行制空和戰(zhàn)術(shù)武器投放任務， 還可取代A-10執(zhí)行近距火力支援任務; 美海軍將之與F/A-18E/F搭配一起執(zhí)行制空和攻擊的雙重任務; 此外， 還可用作夜間、 低空突防的中型轟炸機。 作戰(zhàn)任務的多樣化要求飛機在不同任務切換時具備一定的智能性， 同時在作戰(zhàn)實施過程中面對復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境也要智能適應作戰(zhàn)態(tài)勢的變化。 作為飛機綜合航電系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)， 機載懸掛物管理系統(tǒng)要能夠智能地適應懸掛物的選擇和掛裝， 要能夠?qū)C載懸掛物具備一定的識別能力， 對懸掛物的管理和控制具備一定的智能決策能力， 從而將飛行員從繁重的決策處理和機械操作中解放出來。

2.4.3 機載懸掛物管理的通用化

面對未來信息化戰(zhàn)爭的需求， 未來機載武器將實現(xiàn)對空對地兼顧， 遠、 中、 近程融為一體。 為此， 管理系統(tǒng)需要在不改變硬件的條件下， 僅通過對任務計算機軟件、 懸掛物管理軟件及解碼器接口的改動即可實現(xiàn)對懸掛物的更換。 但是作為對機載武器進行管理和控制核心的懸掛物管理系統(tǒng)目前還是一種封閉的系統(tǒng)架構(gòu)， 與發(fā)射裝置、 機載武器之間還是一種緊耦合的關系， 不利于系統(tǒng)的功能擴展。 新型武器的加裝和改進需要對管理系統(tǒng)的軟硬件進行較大的改動， 費時費力。 為此， 需要對開放式機載懸掛物管理系統(tǒng)架構(gòu)進行研究并對武器的即插即用技術(shù)進行分析， 通過建立詳細的機械、 電氣接口標準并進行徹底的貫徹才能達到通用化的要求。

2.4.4 機載懸掛物管理的協(xié)同化

飛機編隊協(xié)同作戰(zhàn)與網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的興起對傳統(tǒng)的機載懸掛物管理技術(shù)提出了革命性的挑戰(zhàn)。 隨著系統(tǒng)武器概念的提出， SMS的功能將擴展到整個攻擊編隊和攻擊系統(tǒng)所有武器的控制和管理， 形成SSMS。 SSMS使得編隊作戰(zhàn)中的每一個作戰(zhàn)單元都能清楚了解整個編隊的武器狀態(tài)和攻擊任務， 從整個編隊的角度對攻擊任務和武器使用做出優(yōu)化決策， 由此實現(xiàn)機載懸掛物管理系統(tǒng)的協(xié)同和編隊武器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

3 未來機載懸掛物管理的關鍵技術(shù)

3.1 開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與武器的即插即用技術(shù)

武器的即插即用（Plug and Play Weapon， PnPW）是在不改變飛機軟/硬件的情況下， 能夠?qū)⑷魏涡滦臀淦骷傻饺魏物w機上[5]。 其本質(zhì)是通過采用先進的設計思想和方法， 提高武器系統(tǒng)的可配置性、 可移植性、 互換性和互用性。 作為武器系統(tǒng)集成的一種全新思路， 武器的即插即用技術(shù)需要在飛機的顯示控制技術(shù)、 火控計算、 懸掛物管理技術(shù)、 武器等多方面建立相應的標準化和通用化的接口體系。 其涉及的技術(shù)基礎包括系統(tǒng)體系架構(gòu)，? 相關標準體系， 系統(tǒng)開發(fā)、 集成和驗證方法等。 對于武器的即插即用技術(shù)， 傳統(tǒng)SMS的集中式或分布式體系結(jié)構(gòu)作為一種封閉式架構(gòu)難以實現(xiàn)PnPW的需求。 因為其SMS軟件服從于硬件， 系統(tǒng)軟、 硬件設計在飛機武器系統(tǒng)設計時已經(jīng)確定， OFP軟件與武器之間是一種緊耦合關系， 武器改變需要對SMS的軟、 硬件進行大規(guī)模的改動或重新設計。 所以， 為滿足PnPW的需求， SMS的系統(tǒng)架構(gòu)逐步演化成通用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Generic Open Architecture， GOA）[6]。 GOA是一種松耦合結(jié)構(gòu)， 其中心思想是采用分層設計的概念， 系統(tǒng)的不同層次之間相互獨立， 層次內(nèi)部的修改和擴充既不影響同一系統(tǒng)的其他層次， 也不影響同一層次的其他系統(tǒng)。 基于開放系統(tǒng)互連參數(shù)模型技術(shù)， 將SMS的軟、 硬件分為如圖4所示的系統(tǒng)功能層、 武器訪問層和物理介質(zhì)層。 各層分別完成對應的功能， 具體可參考文獻[1]和文獻[6]。

3.2 高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)

機載懸掛物管理系統(tǒng)內(nèi)部控制信號主要通過外掛物管理多路傳輸總線進行傳遞， 與其他航電設備之間通過航電多路傳輸總線進行通信。 目前， 機載懸掛物管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊多采用美國空軍電子系統(tǒng)的標準總線MIL-STD-1553B總線（中國軍用標準為GJB289A）。 MIL-STD-1553B總線系統(tǒng)由總線控制器（BC）、 遠程終端（RT）和數(shù)據(jù)總線三部分組成[7]， 提供了線性局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 采用固有的雙總線技術(shù)， 通過變壓器耦合支持非智能遠程終端和電氣隔離， 是目前先進軍用飛機主要的數(shù)據(jù)總線。 但是， 隨著未來航電系統(tǒng)的發(fā)展、 外掛物的增加， 編隊作戰(zhàn)和網(wǎng)絡中心戰(zhàn)導致的數(shù)據(jù)流量的增加， 使得MIL-STD-1553B總線由于帶寬和傳輸速率（1 Mb/s）的限制越來越難以滿足作戰(zhàn)需求。 為此， 高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)成為航空電子系統(tǒng)的必然需求， 目前提出的高速數(shù)據(jù)總線包括線性令牌傳輸總線（LTPB）、 光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）、 IEEE1394、 SCI、 光纖通道（FC）以及航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX）等。 其中FC和AFDX由于能夠滿足未來航空電子高速數(shù)據(jù)總線高帶寬和低延遲的要求， 可成為替換ARINC429， ARINC629和1553B的新一代航空數(shù)據(jù)總線。 FC的傳輸速率最高可達4 Gb/s， 并且支持主機與主機的網(wǎng)絡連接[8];? AFDX則是一種利用以太網(wǎng)的高速傳輸率（10/100 M）的基礎上， 通過虛擬鏈路通信的確定性網(wǎng)絡， 具有速度快、 價格低、 能充分利用COTS技術(shù)和開放式系統(tǒng)等特點[9]。

3.3 接口標準化技術(shù)

接口標準化是實現(xiàn)武器系統(tǒng)通用化的基礎。 美國已經(jīng)建立了比較完善的標準體系， 其相關標準隨工程實踐不斷完善， 如機械接口標準MIL-STD-8591《機載懸掛物和懸掛裝置結(jié)合部位的通用設計準則》， 電氣接口標準MIL-STD-1760《飛機/懸掛物電氣連接系統(tǒng)》及其相關配套標準等。 國內(nèi)主要是在參照美軍標編制了GJB1C-2006《機載懸掛物和懸掛裝置結(jié)合部位通用設計準則》和GJB1188A-1999《飛機/懸掛物電氣連接系統(tǒng)接口要求》的基礎上編制的。 由于標準對接口的要求不完善， 加之國內(nèi)現(xiàn)役導彈武器、 發(fā)射裝置等在設計時參照的原型不同， 使得在機械、 電氣接口等方面各不相同， 在實踐過程中還存在諸多問題[10]。 為了滿足未來通用化武器系統(tǒng)的使用需求， 必須開發(fā)具備GJB1188A-1999的機載懸掛物管理系統(tǒng)， 同時還必須兼顧具備滿足俄制武器接口的需求。

3.4 懸掛物智能管理與自主決策技術(shù)

隨著未來空戰(zhàn)模式的改變與飛機作戰(zhàn)任務的多樣性， 飛機攜帶的懸掛物和懸掛物管理系統(tǒng)要完成的功能將越來越多。 但是， 目前的懸掛物管理系統(tǒng)所采用的技術(shù)還需要飛行員諸多的干預操作， 難以滿足未來集群協(xié)同空戰(zhàn)的需求[11]。 近年來， 隨著數(shù)字式航空機載電子設備的出現(xiàn)和人工智能技術(shù)的發(fā)展和成熟， 飛機懸掛物管理及武器投放/發(fā)射管理也朝著智能化方向發(fā)展[12-13]。 為此， 研究通過人工智能技術(shù)、 智能控制與決策技術(shù)、 專家系統(tǒng)、 語義網(wǎng)絡技術(shù)等現(xiàn)代智能控制技術(shù)來改進懸掛物管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、 控制算法模型[14]， 從而提高SMS的自動化、 智能化、 自主化程度， 增強其對懸掛物的管理和控制能力， 降低飛行員的操作負擔已成為智能懸掛物管理的重要研究方向。

4 結(jié)? 論

SMS作為機載航電系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)， 應該隨著機載航電系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展， 其關鍵技術(shù)應該更加注重SMS接口標準的制訂和貫徹以及處理算法的智能化和自動化。 本文在詳細分析和描述機載懸掛物管理系統(tǒng)發(fā)展和功能的基礎上， 重點針對未來新一代作戰(zhàn)飛機在日益復雜的空戰(zhàn)環(huán)境下對SMS的需求， 論述了相關的關鍵技術(shù)。 本文的研究和分析可為國內(nèi)對機載懸掛物管理技術(shù)的研究、 仿真以及應用提供借鑒。

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