基于能力的航空電子系統(tǒng)飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)*

李 靖，張興國，李 拓

(中國飛行試驗(yàn)研究院， 西安 710089)

0 引言

近幾年，為滿足航空武器裝備的國防需求，解決裝備驗(yàn)證試驗(yàn)條件偏向友好、靜態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果實(shí)戰(zhàn)意義不強(qiáng)等問題，針對(duì)航空電子系統(tǒng)飛行試驗(yàn)提出了實(shí)戰(zhàn)化考核要求。按照業(yè)界基本共識(shí)，需貼近實(shí)戰(zhàn)，以裝備的作戰(zhàn)使命為牽引，開展作戰(zhàn)任務(wù)分析，將作戰(zhàn)任務(wù)需求逐級(jí)分解轉(zhuǎn)化為裝備的試驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢驗(yàn)裝備的能力驗(yàn)證考核。

但在飛行試驗(yàn)工程實(shí)踐中，由于實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境、過程、戰(zhàn)術(shù)極其復(fù)雜，作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)千變?nèi)f化，僅僅依托自頂向下的作戰(zhàn)任務(wù)分析開展需求分析，存在思維發(fā)散、難以聚焦、深度不夠的現(xiàn)實(shí)問題；另外，由于航空電子系統(tǒng)功能邏輯復(fù)雜，如何開展有效、全面、深入的裝備工作特性分析也缺乏統(tǒng)一、系統(tǒng)的指導(dǎo)方法，過于依賴試驗(yàn)人員的工程經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)知識(shí)。

文中從“試驗(yàn)”本質(zhì)出發(fā)，提出以自底向上裝備工作特性分析、自頂向下裝備作戰(zhàn)運(yùn)用分析兩條主線為牽引的航空裝備飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，并從系統(tǒng)工程角度闡述具體的方法及步驟，以指導(dǎo)基于能力的航空電子系統(tǒng)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)開展。

1 基于能力的裝備性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的本質(zhì)就是通過給定、控制被試系統(tǒng)輸入(試驗(yàn)條件或稱試驗(yàn)變量X)，通過測(cè)試相應(yīng)參數(shù)觀察被試系統(tǒng)的響應(yīng)(應(yīng)變量Y)，從而對(duì)被試系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行評(píng)估的過程。而飛行試驗(yàn)就是在真實(shí)飛行環(huán)境下，對(duì)航空裝備進(jìn)行評(píng)估的過程，屬于開放環(huán)境下的真實(shí)飛行，尤其對(duì)于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航等分系統(tǒng)，除人為設(shè)置試驗(yàn)變量外，還存在氣象環(huán)境(雨衰、大氣環(huán)境)、地理環(huán)境(海雜波、地雜波、遮擋效應(yīng))、背景電磁環(huán)境(民用設(shè)備無意干擾、自然環(huán)境干擾、己方裝備電磁干擾)等環(huán)境變量。必須強(qiáng)調(diào)，對(duì)于任何系統(tǒng)，系統(tǒng)在環(huán)境中生存，系統(tǒng)與環(huán)境交換信息和能量，環(huán)境影響系統(tǒng)工作，環(huán)境時(shí)時(shí)都在變化。因此，環(huán)境變量的正確辨識(shí)與描述至關(guān)重要。另外，設(shè)備之間的工況交聯(lián)邏輯也是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要變量。

但考慮試驗(yàn)周期、經(jīng)費(fèi)、安全、可行性等原因，試驗(yàn)不可能覆蓋所有的試驗(yàn)條件，因此，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于確定充分且必要(典型)的X以及X量值。

達(dá)到上述目標(biāo)，需解決以下問題：

a)確定哪些變量是實(shí)際可能遭遇的；初步建立疑似試驗(yàn)條件。

b)確定哪些變量對(duì)響應(yīng)Y影響最大；對(duì)疑似試驗(yàn)條件進(jìn)行確認(rèn)。

c)確定有影響且可遭遇的變量X設(shè)置在何處，可使Y接近于期望的額定值；探索X與Y之間的應(yīng)變關(guān)系。

d)確定有影響的X設(shè)置在何處，Y的變異性最小；探索X與Y之間的應(yīng)變關(guān)系。

e)確定有影響的X設(shè)置在何處，可使不可控變量Z影響最小。

f)確定多X之間的交互效應(yīng)；探索多X之間的耦合關(guān)系。

基于能力的裝備性能試驗(yàn)要求從作戰(zhàn)使用出發(fā)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，可從以下方向出發(fā)解決上述問題：

a)研究裝備的工作特性：不管哪一類型的X，要探索其與Y之間的關(guān)系模型，都可以歸為到工作機(jī)理分析的范疇。一般情況下，利用系統(tǒng)的基本工作原理，可以輕易的識(shí)別部分X(例如，距離對(duì)于無線電通信的影響，目標(biāo)RCS對(duì)于雷達(dá)的影響)，但完整、正確、深入的了解被試對(duì)象才是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

b)研究裝備的作戰(zhàn)運(yùn)用：不了解被試對(duì)象的作戰(zhàn)運(yùn)用，就很難了解被試對(duì)象的應(yīng)用場景及系統(tǒng)間耦合關(guān)系，進(jìn)行試驗(yàn)變量分析，就有可能遺漏重要的X或?qū)е略O(shè)計(jì)的X在作戰(zhàn)運(yùn)用層不合理或不典型，偏離工程應(yīng)用。

上述兩項(xiàng)工作可融會(huì)貫通：一方面以被試對(duì)象工作特性作為基礎(chǔ)，進(jìn)行自底向上設(shè)計(jì)；一方面以作戰(zhàn)運(yùn)用分析為手段，進(jìn)行自頂向下分析，通過兩條主線的上、下牽引，最終確定實(shí)際所需的X。以無線電高度表為例，基于雷達(dá)測(cè)距原理，當(dāng)在丘陵、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等不規(guī)則地形上空飛行時(shí)，下方地形反射系數(shù)的起伏、多徑等均可能對(duì)測(cè)高過程產(chǎn)生影響，而上述地形均為作戰(zhàn)飛機(jī)典型的作戰(zhàn)地理環(huán)境，飛行時(shí)就必須予以考慮。

能力驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的示意見圖1。

圖1 基于能力的性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

2 基于系統(tǒng)工程的裝備工作特性分析

航空裝備是一個(gè)大系統(tǒng)，系統(tǒng)具有層次性原則，在系統(tǒng)多層次結(jié)構(gòu)中，高層次支配著低層次，并決定系統(tǒng)的性質(zhì)，低層次支撐著高層次，根據(jù)系統(tǒng)層次性原則，在驗(yàn)證低層次設(shè)備時(shí)，既要站在高層次的角度了解事物所處的環(huán)境和關(guān)系，還要走近事物觀察細(xì)節(jié)信息。

因此，裝備工作特性分析，需建立“完整被試對(duì)象”的概念及系統(tǒng)工程理念：對(duì)任何對(duì)象或問題進(jìn)行分析，視角不同時(shí)，獲取的信息差異也大相徑庭，所謂“完整被試對(duì)象”，主旨就是強(qiáng)調(diào)要從多層視角觀察被試對(duì)象，不再將被試對(duì)象限定于最低層次的具體設(shè)備。例如，針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的驗(yàn)證，當(dāng)以裝備整體視角分析被試對(duì)象時(shí)，被試對(duì)象可以是“配裝在作戰(zhàn)飛機(jī)上的雷達(dá)系統(tǒng)”，作戰(zhàn)平臺(tái)作為被試對(duì)象的承載平臺(tái)也將對(duì)雷達(dá)性能帶來不同的影響因素(例如天線孔徑布局)。研究以“先整體、后局部”順序開展，也可以“先局部后整體”，但研究工作應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

a)正確定義系統(tǒng)的邊界范圍；以不同視角開展研究，首先要正確定義“系統(tǒng)”的邊界，系統(tǒng)邊界以外均可以視為環(huán)境。當(dāng)將“雷達(dá)和載機(jī)平臺(tái)”視為一個(gè)大系統(tǒng)時(shí)，環(huán)境就是系統(tǒng)之外的所有范圍；而當(dāng)觀察對(duì)位為雷達(dá)本體時(shí)，載機(jī)平臺(tái)也是雷達(dá)重要的載體環(huán)境。

b)建立“完整被試對(duì)象”的概念及系統(tǒng)研究理念：研究強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀點(diǎn)，既要站在高層次的角度了解系統(tǒng)所處的環(huán)境和關(guān)系，還要走近系統(tǒng)觀察細(xì)節(jié)信息，從高層次的角度即自上向下看待系統(tǒng)。研究時(shí)，首先注意大系統(tǒng)與環(huán)境相互作用；其次關(guān)注下層子系統(tǒng)如何綜合完成系統(tǒng)目標(biāo)；最后關(guān)心單獨(dú)組件/設(shè)備，系統(tǒng)的層級(jí)描述見圖2所示，在所有相關(guān)功能關(guān)系中應(yīng)從層級(jí)角度關(guān)注大系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件。

圖2 系統(tǒng)的層級(jí)描述

c)一般來講，航電武器裝備驗(yàn)證層級(jí)包括3層：系統(tǒng)所在的航空電子系統(tǒng)與平臺(tái)組成的大系統(tǒng)、系統(tǒng)航空電子系統(tǒng)、子系統(tǒng)，這3個(gè)層級(jí)不可或缺，相互補(bǔ)充，通過3個(gè)層級(jí)分析，才能掌握被試對(duì)象的內(nèi)部機(jī)理和外部特性。對(duì)航電武器系統(tǒng)的觀察視角可以分解為：

1)以“外部視角”觀察，研究對(duì)象為“包含作戰(zhàn)飛機(jī)在內(nèi)的大系統(tǒng)”,分析應(yīng)著重研究：①裝備作戰(zhàn)所處的典型環(huán)境，包括典型電磁環(huán)境、典型地理環(huán)境、典型氣象環(huán)境、典型作戰(zhàn)對(duì)象環(huán)境等，以高原直升機(jī)為例，其所配裝的航空電子系統(tǒng)驗(yàn)證必須要考慮高原地理環(huán)境及氣象環(huán)境特點(diǎn)；②平臺(tái)與系統(tǒng)相互作用所產(chǎn)生的新屬性，對(duì)于以射頻系統(tǒng)為主的航空電子系統(tǒng)，尤其要注意裝機(jī)后天線孔徑布局，因?yàn)樘炀€孔徑布局直接影響機(jī)體遮擋程度、天線隔離度以及方向圖畸變程度(尤其在高機(jī)動(dòng)飛行條件下)；③體系接口：信息化作戰(zhàn)中體系接口越來越重要，體系接口包含通信接口以及保障接口。

2)以“系統(tǒng)視角”觀察，研究對(duì)象為“分系統(tǒng)及其交聯(lián)子系統(tǒng)”, 分析應(yīng)著重研究：①系統(tǒng)之間的接口關(guān)系，接口關(guān)系應(yīng)包含功能邏輯接口關(guān)系以及信息傳遞接口關(guān)系。②全機(jī)電磁頻譜分布，由于航電系統(tǒng)大部分為射頻系統(tǒng)或基于射頻系統(tǒng)工作，試驗(yàn)前需要了解全機(jī)系統(tǒng)電磁頻譜分布圖，有助于掌握射頻設(shè)備之間的頻譜資源的使用、競爭及潛在沖突。③裝機(jī)環(huán)境：裝機(jī)環(huán)境對(duì)航電系統(tǒng)工作影響較大。裝機(jī)環(huán)境一般包括載機(jī)飛行環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境以及機(jī)內(nèi)電磁環(huán)境、載機(jī)飛行包線限制條件等。航電系統(tǒng)必須適應(yīng)平臺(tái)所營造使用環(huán)境，例如殲擊機(jī)除正常穩(wěn)定飛行外，作戰(zhàn)中還會(huì)進(jìn)行橫滾、盤旋、筋斗等各類垂直或水平機(jī)動(dòng)，如果裝備效能下降，則需要評(píng)估降級(jí)程度。

3)研究對(duì)象為“子系統(tǒng)本體”。在這個(gè)層次，以內(nèi)部視角觀察子系統(tǒng)，目的在于觀察系統(tǒng)細(xì)節(jié)信息。分系統(tǒng)是構(gòu)建整體的基礎(chǔ)，該視角側(cè)重各分系統(tǒng)工作特性、機(jī)理及分系統(tǒng)內(nèi)部接口關(guān)系，包括：①系統(tǒng)的工作特性及主要機(jī)理。以通信系統(tǒng)為例，首先要研究對(duì)應(yīng)頻段電波傳播特性，因?yàn)椴煌l段電磁波信道特性差異較大，試驗(yàn)需系統(tǒng)分析被試對(duì)象與環(huán)境如何進(jìn)行能量交換并相互影響。②天線的技術(shù)特性，包括其極化方式、波束寬度、尺寸、天線方向圖等，例如，窄波束雷達(dá)可以提高功率密度，從而提高角度分辨率。③系統(tǒng)各功能模式的技術(shù)原理及其技術(shù)局限性，包括不同功能模式或狀態(tài)的定義，工作流程，設(shè)計(jì)邏輯，人機(jī)交互關(guān)系。④系統(tǒng)靈敏度、增益、帶寬等典型技術(shù)指標(biāo)。⑤系統(tǒng)內(nèi)部接口關(guān)系，以指令/響應(yīng)邏輯以及數(shù)據(jù)傳遞接口分析。

對(duì)裝備工作特性3個(gè)視角分析示意圖詳見圖3、圖4、圖5。

圖3 外部視角觀察被試對(duì)象，研究對(duì)象為“包含作戰(zhàn)飛機(jī)在內(nèi)的大系統(tǒng)”

圖4 系統(tǒng)視角觀察被試對(duì)象，研究對(duì)象為“分系統(tǒng)及其交聯(lián)子系統(tǒng)”

圖5 內(nèi)部視角觀察被試對(duì)象，研究對(duì)象為“子系統(tǒng)本體”

3 結(jié)論

文中從“試驗(yàn)”的內(nèi)涵出發(fā)，論述基于能力的裝備性能試驗(yàn)在工程實(shí)踐中存在的主要問題，提出以自底向上的裝備工作特性分析、自頂向下的裝備作戰(zhàn)運(yùn)用研究兩條主線為牽引的航空裝備飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，從系統(tǒng)工程角度闡述了裝備工作特性分析的3個(gè)視角及其具體方法，建立了“完整被試對(duì)象”的概念，具有很好的工程指導(dǎo)意義。