航空電子系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)之“害”

張遠(yuǎn)利，蔣 東,胡來平

(西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

0 引 言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)航空平臺(tái)的要求越來越高，從而導(dǎo)致航空平臺(tái)功能日趨復(fù)雜。航空平臺(tái)的傳感器由傳統(tǒng)的以雷達(dá)為主發(fā)展到雷達(dá)、電子偵察和光電傳感等多功能組合、主動(dòng)與被動(dòng)探測(cè)兼有狀態(tài)。傳感器之外，任務(wù)保障系統(tǒng)發(fā)展更為迅猛。在導(dǎo)航功能域，由慣性導(dǎo)航發(fā)展到天基衛(wèi)導(dǎo)、陸(艦)基無線電導(dǎo)航和精密著陸(艦)等多源組合導(dǎo)航；在通信功能域，由視距話音通信發(fā)展到視距、超視距話音、數(shù)據(jù)鏈甚至網(wǎng)絡(luò)綜合通信；在識(shí)別功能域，由敵我識(shí)別、空管識(shí)別發(fā)展到軍民用復(fù)合識(shí)別，與國(guó)際民用航空、航海組織標(biāo)準(zhǔn)體系兼容的ADS-B、AIS等多種識(shí)別方式結(jié)合，甚至發(fā)展到傳感器指紋識(shí)別的層面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，本世紀(jì)的四代機(jī)和上世紀(jì)80年代的二代戰(zhàn)機(jī)相比功能增加了3倍以上，航電系統(tǒng)占全機(jī)成本的比例由20%上升到40%左右[1]，未來甚至更高。如采用傳統(tǒng)的聯(lián)合式集成方式，航電系統(tǒng)體積、重量將變得極其龐大，系統(tǒng)復(fù)雜性急劇提升，航空平臺(tái)將“不堪重負(fù)”，何談高機(jī)動(dòng)、高隱身、高速巡航、高可靠性等先進(jìn)指標(biāo)。因此，航空電子系統(tǒng)綜合化集成應(yīng)運(yùn)而生。航空電子系統(tǒng)綜合化的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：航空綜合電子信息系統(tǒng)(IEIS)總體技術(shù)、綜合天線孔徑技術(shù)、綜合射頻前端技術(shù)、綜合核心處理器技術(shù)、高速數(shù)據(jù)傳輸和交換技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)等[2]。

毋庸置疑，航電系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)為航空平臺(tái)帶來的好處是巨大的。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)于聯(lián)合式系統(tǒng)，綜合化系統(tǒng)除了在功能綜合和信息綜合層面帶來巨大的收益外，系統(tǒng)體積和重量降低了三分之一，可靠性提高了三分之一，任務(wù)可靠性也有較大的提升。在技術(shù)完全成熟后，成本也呈逐年下降趨勢(shì)，不高于聯(lián)合式系統(tǒng)。過去十幾年，戰(zhàn)斗機(jī)航空電子系統(tǒng)綜合化的工作已經(jīng)取得非常大的進(jìn)展，并且已經(jīng)拓展到其他大型航空平臺(tái)上。

但事物都有其兩面性，必須辯證的看待。綜合化為航電系統(tǒng)帶來巨大好處的同時(shí)，也帶來了一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，本文擬從以下幾個(gè)方面進(jìn)行初步的探討。

1 綜合化設(shè)計(jì)可能影響系統(tǒng)指標(biāo)

綜合化設(shè)計(jì)方法中很重要的一條就是根據(jù)平臺(tái)任務(wù)剖面，梳理功能線程使用的時(shí)間特性，然后將采用通用硬件資源的功能線程合并考慮，力求以最小的硬件資源集實(shí)現(xiàn)所需的功能。硬件資源合并可采用分時(shí)共用或全時(shí)共用的方式，兩種方式都可能影響系統(tǒng)指標(biāo)，下面從兩個(gè)例子予以說明。

1.1 天線孔徑綜合影響天線指標(biāo)

航空平臺(tái)典型的特點(diǎn)就是“寸土寸金”，給機(jī)載天線布局帶來極大的困難，故一般綜合化均采用天線孔徑綜合設(shè)計(jì)。天線孔徑綜合一般有兩個(gè)方法，其一是天線共用，即不同的功能線程共用一個(gè)天線，其二是孔徑共用，即不同的天線部署在一個(gè)孔徑之中[3]。通常天線孔徑綜合需綜合考慮如下四個(gè)因素：工作頻段、極化方式、視場(chǎng)及時(shí)域資源占用特征。不同的孔徑綜合方法原則見表1。

表1 天線孔徑綜合原則

設(shè)想一型平臺(tái)，同時(shí)裝備了VU頻段通信設(shè)備和VU頻段的通信偵察設(shè)備。由于同一架飛機(jī)上的通信設(shè)備和通信偵察設(shè)備都需要覆蓋水平方向360°范圍，較難在同一頻點(diǎn)同時(shí)兼容工作，故一般情況下二者瞬時(shí)工作頻段需相互錯(cuò)開。因此，可考慮通信設(shè)備和通信偵察設(shè)備天線共用。本文以VU頻段通信偵察干涉儀天線和VU頻段通信天線共用為例進(jìn)行分析。由于干涉儀天線同時(shí)要滿足測(cè)向精度和全空域測(cè)向的目的，需要同時(shí)具備線陣和圓陣，而通信設(shè)備一般在低頻段不考慮天線組陣，故對(duì)天線布局沒有特殊要求。故天線布局可考慮優(yōu)先滿足干涉儀天線的特殊需求，一種典型的通信和通信偵察通用天線布局見圖1，每個(gè)天線均可以接收VU全頻段的信號(hào)。為了降低能量損失，不采用功分器方案，而是在在需要共用的天線后端接一耦合匹配網(wǎng)絡(luò)，從天線下來的接收信號(hào)通過耦合網(wǎng)絡(luò)后， V段信號(hào)和U段信號(hào)分別到達(dá)不同的端口，見圖2所示。

圖1 通信設(shè)備和通信偵察設(shè)備共用天線布局

圖2 通信與通信偵察共用天線信號(hào)分配示意

在圖1中，1、2、3號(hào)天線接收信號(hào)通過耦合網(wǎng)絡(luò)后，V段信號(hào)供通信偵察設(shè)備使用，U段信號(hào)供通信設(shè)備使用。5、6、7號(hào)天線接收信號(hào)通過耦合網(wǎng)絡(luò)后，U段信號(hào)供通信偵察設(shè)備使用，V段信號(hào)供通信設(shè)備使用。4/8/9/10/11號(hào)天線不通過耦合網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)全部進(jìn)入通信偵察設(shè)備。如此一來，通信設(shè)備可以有3條鏈路工作在V頻段，3條鏈路工作在U頻段，通信偵察設(shè)備也可滿足V、U頻段分別測(cè)向和定位的目的。

這種天線孔徑綜合方案，將原本所需的17副天線減少為11副，給天線布局設(shè)計(jì)帶來了方便，但可能會(huì)降低單天線指標(biāo)。通常情況下天線的增益與其物理尺寸和使用頻段等密切相關(guān)，如本案例中通信和通信偵察共用的VU頻段單極子天線，理論上需按照天線使用頻率的半波長(zhǎng)設(shè)計(jì)。假如該天線只供通信設(shè)備使用，可設(shè)計(jì)成單V頻段或單U頻段的天線，而VU全頻段使用，必然要在天線中加入相應(yīng)的匹配電路，滿足全頻段特性阻抗基本一致的要求；同時(shí)，天線物理尺寸也采取了折中的尺寸，其輻射特性一般不如單頻段天線。表2是根據(jù)某兩型天線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中VU頻段天線增益總體來說比單U頻段天線增益略低，如通信設(shè)備需工作在接收靈敏度附近，很可能引起通信距離降低。所以，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮性能的降低是否在系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)，如可接受，則方案可行，如不可接受，則需另行選擇方案。

表2 天線增益對(duì)比表

1.2 射頻資源綜合影響系統(tǒng)識(shí)別應(yīng)答率

設(shè)想一系統(tǒng)，同時(shí)具備民用航管應(yīng)答、軍用敵我識(shí)別應(yīng)答和ADS-B三種相同頻段的功能線程。對(duì)于航空平臺(tái)來說，航管應(yīng)答、軍用敵我識(shí)別應(yīng)答都屬于被動(dòng)應(yīng)答，即收到民用航管或我方軍用平臺(tái)的詢問后啟動(dòng)應(yīng)答。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，無論是航管應(yīng)答還是軍用敵我識(shí)別應(yīng)答，單個(gè)功能線程發(fā)射占空比基本上不超過2%，特別是ADS-B功能，1 s啟動(dòng)一次發(fā)射，占空比更低。如果三個(gè)功能線程分別配置一套發(fā)射設(shè)備，硬件資源使用率不高，故綜合化設(shè)計(jì)時(shí)考慮三個(gè)功能線程共用發(fā)射通道，哪個(gè)功能線程需要應(yīng)答則調(diào)用發(fā)射通道的發(fā)射組件和天線資源，完成發(fā)射功能。

但這樣可能帶來一個(gè)問題：應(yīng)答是被動(dòng)的，何時(shí)應(yīng)答取決于詢問方何時(shí)詢問。當(dāng)存在多個(gè)平臺(tái)詢問本平臺(tái)時(shí)，本平臺(tái)則需要一一作答，而且詢問和應(yīng)答的時(shí)序是要嚴(yán)格參照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如超過一定的時(shí)間門限，則詢問方認(rèn)為應(yīng)答失敗。假如兩條詢問指令幾乎同時(shí)到達(dá)，應(yīng)答方在時(shí)序門限內(nèi)只能保證對(duì)一個(gè)詢問的應(yīng)答，那么就會(huì)導(dǎo)致另一方應(yīng)答失敗。

本文分析民用航管應(yīng)答S模式和軍用敵我識(shí)別應(yīng)答模式之間的應(yīng)答沖突，以S模式的選址詢問-應(yīng)答方式為分析基礎(chǔ)，軍用波形雖然有所區(qū)別，出于保密原因，也以S模式選址詢問-應(yīng)答波形作為參照。

S模式航管應(yīng)答的詢問波形見圖3，應(yīng)答波形見圖4[4]。

圖3 S模式詢問信號(hào)時(shí)序

圖4 S模式應(yīng)答信號(hào)時(shí)序

詢問數(shù)據(jù)塊可能取兩種長(zhǎng)度，33.75 μs或19.25 μs，本文近似取34 μs。應(yīng)答脈沖可能有兩種長(zhǎng)度，取決于詢問方的要求，分別為64 μs和120 μs，本文以120 μs計(jì)算。

由于假定軍用和民用應(yīng)答的波形一致，故實(shí)際應(yīng)答是否沖突與收到的是哪一種詢問無關(guān)，只與收到的總詢問次數(shù)有關(guān)。軍用詢問屬于牽引式詢問，受一次雷達(dá)或人工牽引，民用詢問為周期式詢問，詢問周期也基本與雷達(dá)周期一致。本文即以一個(gè)雷達(dá)探測(cè)周期10 s為分析區(qū)間。假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)共計(jì)收到N個(gè)詢問脈沖，由于詢問方的詢問時(shí)機(jī)和無線傳輸時(shí)延兩個(gè)隨機(jī)因素存在，應(yīng)答機(jī)收到的各個(gè)詢問脈沖到達(dá)時(shí)間也是隨機(jī)的。由于N個(gè)詢問脈沖到達(dá)的時(shí)間是隨機(jī)的，且應(yīng)答脈沖與詢問脈沖應(yīng)當(dāng)成對(duì)出現(xiàn)，故可認(rèn)為每一個(gè)詢問脈沖與應(yīng)答脈沖之間也是隨機(jī)且相互獨(dú)立的。

如圖5所示，當(dāng)詢問脈沖和應(yīng)答脈沖之間呈現(xiàn)P1和P2的關(guān)系時(shí)，即當(dāng)我方正在應(yīng)答時(shí)，又收到一個(gè)詢問脈沖P2，我方無法在有效的時(shí)間窗口內(nèi)應(yīng)答P2脈沖，導(dǎo)致P2脈沖應(yīng)答失敗。當(dāng)詢問脈沖和應(yīng)答脈沖之間呈現(xiàn)P3和P4的關(guān)系時(shí)，應(yīng)答脈沖和其他平臺(tái)的詢問脈沖時(shí)間不重疊，即認(rèn)為沒有沖突。

圖5 詢問脈沖和應(yīng)答脈沖可能的時(shí)序圖

假如此時(shí)應(yīng)答機(jī)正在以P1脈沖進(jìn)行應(yīng)答，此時(shí)單個(gè)詢問平臺(tái)P2脈沖出現(xiàn)在三個(gè)區(qū)域時(shí)，都可能和P1應(yīng)答脈沖沖突，導(dǎo)致P2脈沖不能得到應(yīng)答，見圖6所示。此時(shí)的出現(xiàn)沖突的時(shí)間區(qū)間應(yīng)等于2倍P2脈沖的時(shí)間加上P1脈沖的持續(xù)時(shí)間，根據(jù)上文所述，其時(shí)間等于188 μs。

圖6 可能出現(xiàn)的三個(gè)沖突子區(qū)間

根據(jù)上文的假設(shè)，P2脈沖出現(xiàn)在該188 μs的概率Pc在分析周期內(nèi)成幾何概率分布，即：

Pc=188 μs/10 s=1.88×10-5

(1)

當(dāng)該區(qū)域可能出現(xiàn)N個(gè)脈沖時(shí)，由于各個(gè)脈沖的獨(dú)立性，故該區(qū)域不出現(xiàn)任何脈沖的概率PB應(yīng)采用下式計(jì)算：

PB=(1-Pc)N

(2)

故出現(xiàn)沖突的概率，即應(yīng)答概率下降的數(shù)值應(yīng)該為:

P=1-PB=1-(1-Pc)N

(3)

將數(shù)值代入，可以得到不同的N時(shí)，應(yīng)答概率下降數(shù)值見表3。

表3 不同數(shù)量詢問脈沖與應(yīng)答概率下降關(guān)系表

由于航管詢問和軍用詢問均是一次詢問發(fā)送多個(gè)詢問脈沖，當(dāng)詢問平臺(tái)較多時(shí)，10 s內(nèi)達(dá)到上千次的詢問脈沖是可能的。但考慮到應(yīng)答與詢問滿足一定的收發(fā)比例即可認(rèn)為應(yīng)答成功，不必每一個(gè)詢問脈沖都得到應(yīng)答，故實(shí)際的應(yīng)答率降低應(yīng)該比表3的情況要好，這也使二者硬件資源共用變?yōu)榭赡堋?/p>

在對(duì)設(shè)備體積重量要求更嚴(yán)格的場(chǎng)合，部分系統(tǒng)甚至將相同頻段的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈也和航管應(yīng)答、敵我識(shí)別應(yīng)答共用硬件資源，該頻段戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈一般采用TDMA體制，劃分的發(fā)送時(shí)隙是固定的，一般需要優(yōu)先保證戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈資源占用。如戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈發(fā)射占空比為10%，那么，以上分析還需在表3的基礎(chǔ)上加上10%左右，這個(gè)影響不可謂不小，只是看系統(tǒng)是否能接受而已。

2 電磁兼容問題變得更加復(fù)雜

首先考察電磁干擾形成的三要素：干擾源、干擾路徑和敏感端，見圖7所示。

圖7 電磁兼容三要素

傳導(dǎo)和輻射源主要包括各類發(fā)射機(jī)、本振、傳導(dǎo)線、開關(guān)、放大器和各類計(jì)算器件等。電磁敏感端主要包括接收機(jī)、數(shù)字接收器件等。從電磁兼容的角度來講，無論采用聯(lián)合式或綜合化的方式，傳導(dǎo)和輻射源及敏感端的特性變化并不大，只是隨著技術(shù)進(jìn)步，采用數(shù)字化的器件數(shù)量和種類越來越多，其輻射特性和敏感特性有所好轉(zhuǎn)，系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)后對(duì)電磁兼容影響更大的是在傳輸和耦合路徑上。主要包括如下幾個(gè)方面：

(a)綜合化機(jī)架模塊密度變大，器件相互耦合增強(qiáng)

相對(duì)于傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)集成的聯(lián)合式系統(tǒng)，綜合化系統(tǒng)在天線孔徑以后采用大型綜合化物理機(jī)架，將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(LRM)集中布置到機(jī)架之中，從而進(jìn)一步縮小了系統(tǒng)的體積和重量。也正是因?yàn)槿绱?，模塊中各個(gè)干擾源與敏感電路之間有完整的電路連接，而且電路連接的距離近，耦合比加大。例如，公共電源，地環(huán)路以及信號(hào)線之間的近場(chǎng)感應(yīng)，可能導(dǎo)致數(shù)字接收器件的誤碼增加，帶來傳輸或控制的錯(cuò)誤。

(b)模塊間互聯(lián)增多，總線傳輸速率增大，傳導(dǎo)、輻射等風(fēng)險(xiǎn)增加

聯(lián)合式系統(tǒng)集成方式中，各個(gè)LRU基本完成獨(dú)立或相對(duì)獨(dú)立的功能，如電臺(tái)負(fù)責(zé)信道建立、變頻、調(diào)制/解調(diào)、編碼、加解密和對(duì)外數(shù)據(jù)接口等一系列串聯(lián)的功能。而采用綜合化設(shè)計(jì)之后，可能把多個(gè)信道中相同的功能合并到一個(gè)模塊處理，如信道模塊負(fù)責(zé)多個(gè)信道的建立和變頻，信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)多個(gè)信道調(diào)制/解調(diào)、編碼，綜合保密模塊負(fù)責(zé)多信道及多源信息密碼處理。即綜合化之后將原來串行模塊連接變?yōu)榫W(wǎng)狀連接，模塊之間互聯(lián)關(guān)系變得復(fù)雜，見圖8。同時(shí)，為了在網(wǎng)狀互聯(lián)系統(tǒng)中達(dá)到低時(shí)延等要求，必須增加各類傳輸線速率，從而也增加了傳導(dǎo)和輻射的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 兩種集成形式模塊互聯(lián)示意圖

(c)天線孔徑綜合帶來電磁兼容難度增加

天線孔徑共用必然帶來了天線之間物理距離的拉近，從而也大大降低了天線之間的隔離度。以VU頻段和L頻段天線共孔徑為例，如不采用天線孔徑共用，二者隔離度可達(dá)到50 dB，如將VU頻段和L頻段天線集成到一副天線中，隔離度只有20 dB左右，為系統(tǒng)射頻兼容工作帶來了新的挑戰(zhàn)。

電磁兼容看不見，也摸不著，但如遵循如下的設(shè)計(jì)原則，并加以科學(xué)的測(cè)試和迭代，應(yīng)該可以避免問題。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：電路元件和信號(hào)通路的布局必須最大限度地減小無用信號(hào)的相互耦合；關(guān)鍵電路應(yīng)放在屏蔽盒內(nèi)，所有進(jìn)出屏蔽盒的連接線都應(yīng)經(jīng)過濾波。盡量減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機(jī)殼進(jìn)出的泄漏輻射；有穿透和開口的結(jié)構(gòu)件盡量在開口前進(jìn)行濾波；搭接點(diǎn)的性能必須在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持不變，還應(yīng)防止由互連所建立起來的通路因腐蝕或機(jī)械松動(dòng)而逐漸變壞；合理設(shè)計(jì)接地，接地電阻盡量小，必要時(shí)采用多點(diǎn)接地。

布線設(shè)計(jì)：更多采用光傳輸，減小電磁輻射。在必須采用電傳輸?shù)膱?chǎng)合，保持從電纜屏蔽層到連接器后殼、到配合連接器板、再到機(jī)架都要連續(xù)密封，確保屏蔽的完整性。盡量不要讓主電源線和信號(hào)線通過同一連接器、盡量縮短電纜長(zhǎng)度和降低離地高度，盡量不要讓輸入輸出信號(hào)線通過同一連接器，特別對(duì)于模擬信號(hào)而言。

電路設(shè)計(jì)：在可能的條件下，單獨(dú)為各功能單元供電，使用公共電源的所有電路必須互相兼容，并且盡可能彼此靠近，應(yīng)在交直流主電源輸入口上使用有效的電源濾波器；當(dāng)有瞬變要求時(shí)，還必須在濾波器的上游使用合適的瞬變抑制器。發(fā)射機(jī)盡量降低無用信號(hào)發(fā)射，包括亂真發(fā)射(諧波、寄生、互調(diào)產(chǎn)物、頻率變換產(chǎn)物)和帶外發(fā)射。接收機(jī)提高前端的線性和選擇性等方面的要求。

由于各個(gè)系統(tǒng)面臨的頻段、天線隔離度、發(fā)射機(jī)噪聲水平和接收機(jī)靈敏度水平等不盡相同，難以以一蓋全，需針對(duì)個(gè)性平臺(tái)做個(gè)性的分析。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者針對(duì)機(jī)載系統(tǒng)的電磁兼容問題開展了專項(xiàng)技術(shù)研究，并提出了預(yù)測(cè)與分析手段，詳見參考文獻(xiàn)[5-7]。

3 模塊通用化帶來一定程度的冗余設(shè)計(jì)

在射頻綜合部分，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)異的維修性、功能可重構(gòu)性和任務(wù)可靠性，一般需考慮模塊的通用性。具體方法是將頻段、中頻帶寬和動(dòng)態(tài)范圍相近的模塊進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，不同的功能線程共用同一種模塊。系統(tǒng)采用軟件無線電架構(gòu)，不同的功能線程只需在相同的硬件資源上加載不同的軟件即可實(shí)現(xiàn)，見圖9所示。

圖9 軟件無線電架構(gòu)

在射頻綜合化設(shè)計(jì)中，由于各個(gè)功能線程的技術(shù)指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，諸如噪聲系數(shù)、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)、各種動(dòng)態(tài)范圍壓縮手段的區(qū)別等，造成了射頻前端的設(shè)計(jì)往往要各種指標(biāo)兼顧，由此帶來了多倍頻程的分段設(shè)計(jì)、不同頻段及帶寬的濾波器堆積以及多種通道增益設(shè)計(jì)及其控制手段的并存等冗余設(shè)計(jì)問題。而綜合化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多種功能線程并存又必然帶來通道數(shù)量的規(guī)模需求，因此相對(duì)獨(dú)立設(shè)備而言，這種冗余顯得更加突出。

另外，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，一般從功能角度劃分模塊，往往將信號(hào)處理及接口控制獨(dú)立為單一模塊，甚至需要幾個(gè)模塊，而這部分對(duì)單功能線程而言往往是和其他模塊合并設(shè)計(jì)。總而言之，綜合化系統(tǒng)的訴求更多的體現(xiàn)在寬頻段、多模式、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)等系統(tǒng)指標(biāo)上，導(dǎo)致了一定程度的冗余設(shè)計(jì)。而獨(dú)立設(shè)備更加追求技術(shù)指標(biāo)的極致性，因此導(dǎo)致了不同類型的系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)思路的巨大區(qū)別。

對(duì)系統(tǒng)而言，冗余設(shè)計(jì)雖然帶來體積功耗的增加，卻給系統(tǒng)重構(gòu)帶來了更多的靈活性，并保證了系統(tǒng)功能的穩(wěn)健性。當(dāng)然通過射頻直采及零中頻技術(shù)可以在一定程度上減少電路上的冗余。

4 資源管理變得更加復(fù)雜

聯(lián)合式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各個(gè)功能線程基本是相互獨(dú)立工作，硬件資源基本上獨(dú)立隸屬于某個(gè)系統(tǒng)，即使有可能確實(shí)由于系統(tǒng)間不能兼容工作而采取了“消隱”等措施，但基本不會(huì)出現(xiàn)功能線程之間爭(zhēng)相占用硬件資源的情況。系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)之后，可能會(huì)出現(xiàn)由于功能線程之間共用天線和射頻通道硬件資源時(shí)導(dǎo)致的的硬件資源需求沖突情況，此時(shí)必然帶來系統(tǒng)任務(wù)管理和資源調(diào)度的問題，而且是跨功能域的資源調(diào)度，系統(tǒng)管理變得更加復(fù)雜，帶來較大的挑戰(zhàn)[8]。以下提供了一種系統(tǒng)資源管理框架，應(yīng)該能比較好的解決該問題。

系統(tǒng)級(jí)資源管理基本的思路是首先建立系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)庫，提供資源注冊(cè)認(rèn)證、入庫、出庫等服務(wù)；其次是在系統(tǒng)啟動(dòng)階段根據(jù)資源健康狀況進(jìn)行資源注冊(cè)，提供資源組件快速檢索和匹配手段，支持資源高效調(diào)度，并持續(xù)對(duì)資源健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)；最關(guān)鍵的是在任務(wù)過程中基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)、資源健康狀態(tài)進(jìn)行跨層、跨區(qū)域的資源調(diào)度策略。典型任務(wù)系統(tǒng)資源調(diào)度框架可參見圖10。

圖10 任務(wù)系統(tǒng)資源調(diào)度框架

5 典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)取舍原則

系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)一般包括硬件資源綜合、信息綜合和顯控綜合等幾個(gè)層面。上文所述的天線共用、天線孔徑共用、硬件共用和硬件通用化設(shè)計(jì)均屬于硬件資源綜合層面，而信息綜合和顯控綜合是信息處理范疇。一般說來信息綜合和顯控綜合的綜合化程度越高系統(tǒng)收益越大，本文未展開討論，以下僅就硬件資源綜合在不同系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)原則展開討論。由于硬件資源綜合可能帶來技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，故在不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)平臺(tái)本身的特點(diǎn)予以取舍。以下針對(duì)大型空中平臺(tái)和小型殲擊機(jī)平臺(tái)兩類典型的航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

大型空中平臺(tái)包括各類預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、指揮機(jī)等，這類平臺(tái)典型特點(diǎn)是隱身性能和機(jī)動(dòng)性要求不高、機(jī)體表面積大，故可布局更多天線，而且負(fù)載能力強(qiáng)。但這類平臺(tái)在各種傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)中一般作為中心節(jié)點(diǎn)使用，對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)和功能完備性要求均很高。殲擊機(jī)類小型平臺(tái)隱身性能和機(jī)動(dòng)性要求高，機(jī)體表面積小導(dǎo)致天線布局空間有限，而且負(fù)載能力也小，但這類平臺(tái)一般在各種傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)中一般作為邊緣節(jié)點(diǎn)，故對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)和功能完備性要求均不如大型平臺(tái)高。

首先，天線孔徑共用對(duì)系統(tǒng)電磁兼容影響較大，大型空中平臺(tái)系統(tǒng)功能復(fù)雜，甚至同頻段存在多種功能線程，系統(tǒng)兼容工作壓力大，故孔徑共用視情盡量少用。小平臺(tái)功能較為簡(jiǎn)單，兼容工作壓力小，且天線布局空間有限，需盡量共用孔徑。

其次，天線共用可能對(duì)發(fā)射和接收指標(biāo)略有影響，大型空中平臺(tái)天線布局空間較小平臺(tái)寬裕，可盡量不用，小平臺(tái)可在指標(biāo)滿足使用的情況下視情少用。

然后，大型空中平臺(tái)對(duì)功能完備性要求高，一般說來不允許有上文所述的識(shí)別應(yīng)答率指標(biāo)降低等情況，而且由于其負(fù)載能力強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)體積重量要求不太高，故硬件共用并不強(qiáng)求，盡量各個(gè)功能線程有專用資源，除非是各個(gè)功能線程在時(shí)域上確實(shí)不沖突的情況才共用。小平臺(tái)對(duì)體積重量要求高，可在可接受的指標(biāo)降低范圍內(nèi)盡量共用硬件資源。

最后，無論是哪一類平臺(tái)，為了提高系統(tǒng)的維修性、功能可重構(gòu)性和任務(wù)可靠性，以及符合軟件定義系統(tǒng)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于硬件資源的通用性設(shè)計(jì)方面的要求都是一致的[9]，故需盡量考慮硬件通用性。

綜上所述，系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)的初步原則如表4所示。需要說明的是該表僅是原則性的設(shè)計(jì)方法，具體系統(tǒng)需具體分析。

表4 典型系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)原則

6 結(jié) 語

本文分析了系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)的必要性和可能帶來的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)典型系統(tǒng)給出了綜合化設(shè)計(jì)的取舍原則，對(duì)工程型號(hào)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。