戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)總體設(shè)計

賈朝文，馮兵，鄢勃，楊洋，張學(xué)帥，劉翔，李燕平

西南電子設(shè)備研究所，成都 610036

戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠探測、截獲、定位、識別、跟蹤和對抗多種輻射源信號(如雷達信號、導(dǎo)彈指令信號、導(dǎo)彈主動導(dǎo)引頭信號等)，可有效對抗敵雷達和導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，提供態(tài)勢感知、無源攻擊引導(dǎo)、電子對抗和主動隱身等能力，可極大提升戰(zhàn)斗機的生存力和殺傷力，支持實現(xiàn)攻防兼?zhèn)涞淖鲬?zhàn)能力?？梢灶A(yù)見，在未來先進戰(zhàn)斗機[1]中，貫穿OODA(Observe-Orient-Decide-Act)[2]信息作戰(zhàn)環(huán)的電子戰(zhàn)仍將起到越來越重要的作用。

戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)從第一代的分立式、第二代的聯(lián)合式、第三代的綜合式發(fā)展到第四代的先進綜合化系統(tǒng)[3-4]，如圖1所示，雷達(RADAR)、電子戰(zhàn)(EW)、通信導(dǎo)航識別(CNI)等以綜合共用資源的方式實現(xiàn)其功能處理。傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的綜合化和開放性已經(jīng)遠不能滿足第四代先進綜合航電任務(wù)系統(tǒng)[5-9]的能力要求。因此，國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域高度重視先進戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)的方案設(shè)計、功能開發(fā)與能力驗證工作。

圖1 戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)發(fā)展階段Fig.1 Development of fighter avionics system

傳統(tǒng)戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，由4個象限的接收/發(fā)射天線、天線前端/發(fā)射機、模擬接收機、干擾處理機、電子支援(ESM)接收機、中央處理機、無源干擾和管理控制計算機等組成，內(nèi)部采用自定義的控制/數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)互聯(lián)，由管理控制計算機通過航電標(biāo)準總線與航電系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。在接收處理能力方面，受晶體視頻接收處理[10]和瞬時測頻[11]等模擬處理技術(shù)原理的限制，對雷達信號的參數(shù)測量精度不高、接收靈敏度不高、多信號適應(yīng)能力不足、處理靈活性不夠。在綜合化程度方面，各項功能獨占天線、射頻處理、信號處理等資源，綜合化程度不足。在可擴展和開放性方面，由于相關(guān)軟硬件駐留在各自獨立的現(xiàn)場可更換單元(LRU)中，各LRU內(nèi)部模塊沒有定義為遵從統(tǒng)一電氣和結(jié)構(gòu)標(biāo)準的現(xiàn)場可更換模塊(LRM)，未采用統(tǒng)一的標(biāo)準控制/數(shù)據(jù)總線互聯(lián)解決方案，導(dǎo)致系統(tǒng)開放性不足，難以實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的快速提升。

圖2 傳統(tǒng)戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of traditional fighter EW system

滿足戰(zhàn)斗機高度信息化和綜合化航電任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)具備數(shù)十項功能，且在性能要求上較傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)有非常大的提升，需要多維度權(quán)衡選擇靈活先進的處理架構(gòu)以實現(xiàn)高性能，滿足戰(zhàn)斗機信息化和智能化的作戰(zhàn)要求。

如果電子戰(zhàn)各項功能全部采用并行的先進處理資源實現(xiàn)，在戰(zhàn)斗機嚴格的體積重量功耗等限制條件下，電子戰(zhàn)方案難以實現(xiàn)。因此必須進行作戰(zhàn)使用研究，在確保性能不下降的前提下，在時域/空域/頻域/極化域/處理域/融合域進行各功能處理資源的高度綜合共用化設(shè)計，以確保電子戰(zhàn)方案的可實現(xiàn)性。

作戰(zhàn)對象快速能力提升、電磁環(huán)境日益復(fù)雜、作戰(zhàn)樣式不斷變化、不同戰(zhàn)斗機平臺及航電任務(wù)系統(tǒng)存在不同要求等諸多因素，均帶來電子戰(zhàn)系統(tǒng)在能力需求和技術(shù)需求上的不斷迭代。因此，必須針對電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)的擴展性和開放性進行精心設(shè)計，使電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠“以快應(yīng)變、以柔制變”。

本研究基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)[12]方法，按照DODAF2.0版本[13]的作戰(zhàn)視圖(OV)/能力視圖(CV)/系統(tǒng)視圖(SV)/技術(shù)視圖(TV)進行了需求和技術(shù)的頂層建模和迭代研究，對電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)開展了技術(shù)需求分析、設(shè)計與建模仿真驗證，給出了數(shù)字化、綜合化可擴展開放式的電子戰(zhàn)系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)和解決方案。本研究初步實現(xiàn)了從以往基于經(jīng)驗設(shè)計和實物樣機驗證的V型開發(fā)模式(自頂向下設(shè)計、自下向上集成綜合)向基于數(shù)字模型和實物樣機設(shè)計驗證的雙V開發(fā)模式轉(zhuǎn)變。基于這樣的先進開發(fā)模式，對電子戰(zhàn)系統(tǒng)的研制從源頭上進行了預(yù)測設(shè)計和先期能力驗證，預(yù)控了研制風(fēng)險。

1 戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計需求

1.1 作戰(zhàn)研究

面向典型作戰(zhàn)任務(wù)，在不同作戰(zhàn)使用場景下建立戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)視圖描述模型，進行作戰(zhàn)使用需求和作戰(zhàn)效能研究。以一種典型的攻防場景的作戰(zhàn)視圖為例進行說明，如圖3所示。

在攻防作戰(zhàn)過程中，我戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在作戰(zhàn)體系支持下，綜合利用多種探測手段和對抗手段，支持戰(zhàn)斗機實現(xiàn)“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射和先敵命中”的“三先”能力，抑制敵戰(zhàn)斗機的“三先”能力，縮短我戰(zhàn)斗機OODA信息作戰(zhàn)環(huán)時間，遲滯敵戰(zhàn)斗機OODA信息作戰(zhàn)環(huán)時間。

圖3 一種典型攻防作戰(zhàn)視圖Fig.3 Typical attack & defense operational view

在態(tài)勢感知方面，電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠利用高增益無源探測(HGESM)實現(xiàn)對機載火控雷達的遠距離無源探測，利用高靈敏度電子支援措施(ESM)對輻射源進行寬空域高精度測向和快速無源定位。

在防御作戰(zhàn)方面，利用寬帶寬空域全向雷達告警和導(dǎo)彈發(fā)射/逼近告警實現(xiàn)威脅態(tài)勢感知，支持載機采取正確的防御響應(yīng)措施，如綜合采用多種有源/無源自衛(wèi)干擾使敵雷達導(dǎo)彈武器系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)載機、即使發(fā)現(xiàn)也無法發(fā)射導(dǎo)彈、即使發(fā)射導(dǎo)彈也無法命中載機，確保載機安全。通過有源自衛(wèi)干擾使敵雷達始終處于搜索狀態(tài)，無法發(fā)現(xiàn)載機；當(dāng)載機被敵雷達跟蹤時，采用有源自衛(wèi)干擾使敵雷達迅速丟失跟蹤目標(biāo)，重新轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)；當(dāng)敵機發(fā)射空空導(dǎo)彈后，通過對敵機載火控雷達進行有源自衛(wèi)干擾，使其制導(dǎo)精度下降，無法實現(xiàn)中/末制導(dǎo)交班；當(dāng)敵導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達開機工作時，采取箔條/紅外等無源干擾手段，并伴以載機機動，使導(dǎo)彈無法命中載機。

在進攻作戰(zhàn)方面，雙機或多機編隊通過機間數(shù)據(jù)鏈進行ESM組網(wǎng)，實現(xiàn)協(xié)同無源探測，對編隊探測的電磁目標(biāo)進行高置信度融合，精確測量輻射源距離、角度和速度，引導(dǎo)空空導(dǎo)彈進行超視距攻擊。采用ESM實現(xiàn)對地輻射源目標(biāo)的精確測向和快速無源定位，引導(dǎo)反輻射武器攻擊，實現(xiàn)防空壓制的戰(zhàn)術(shù)意圖。為掩護編隊突防攻擊，戰(zhàn)斗機可在敵空空導(dǎo)彈射程外，使用高功率電子干擾壓制敵機載火控雷達，使其無法檢測目標(biāo)，確保突前編隊?wèi)?zhàn)斗機安全。

為支持戰(zhàn)斗機的邊攻擊邊防御任務(wù)，需要實現(xiàn)雷達和電子戰(zhàn)同時兼容工作能力。

在網(wǎng)絡(luò)信息體系的聯(lián)合作戰(zhàn)和全域作戰(zhàn)條件下，對手通常具備覆蓋C4ISRK(指揮、控制、通信、計算、情報、監(jiān)視、偵察和殺傷)全鏈條作戰(zhàn)體系?；隗w系對體系破擊思想，單平臺電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須加入到我方C4ISRK全鏈條的聯(lián)合作戰(zhàn)和全域作戰(zhàn)體系網(wǎng)內(nèi)，共享電子偵察衛(wèi)星和空中預(yù)警機提供的戰(zhàn)場態(tài)勢和情報數(shù)據(jù)，與空中專用偵察飛機和電子戰(zhàn)飛機實現(xiàn)跨域協(xié)同作戰(zhàn)和聯(lián)合作戰(zhàn)。

基于多作戰(zhàn)視圖場景推演，建立戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)的能力視圖描述模型。一種典型戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)能力視圖如圖4所示。

圖4 典型的戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)能力視圖Fig.4 Typical capacity view of fighter EW system

相應(yīng)的，自頂向下進行需求分解，給出了電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)視圖和技術(shù)視圖。

1.2 電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)基本設(shè)計需求

電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)基本設(shè)計需求包括功能設(shè)計、標(biāo)準化/模塊化/通用化設(shè)計和維護性設(shè)計等需求。

1.2.1 功能設(shè)計需求

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的靈敏度設(shè)計面臨很大的挑戰(zhàn)。雷達采用低截獲波形和功率管理等多種措施，輻射功率大大降低，導(dǎo)致電子戰(zhàn)系統(tǒng)告警靈敏度需求較傳統(tǒng)告警靈敏度提升百倍以上。若采用傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)模擬接收處理體制，幾乎不可能在戰(zhàn)斗機條件下實現(xiàn)。數(shù)字接收機可以通過快速傅氏變換(FFT)、數(shù)字信道化等處理邏輯實現(xiàn)不同的信道處理帶寬，通過自適應(yīng)處理帶寬以實現(xiàn)對雷達脈沖信號瞬時帶寬的最佳匹配，并能采用多種優(yōu)良的積累處理算法實現(xiàn)不同功能高靈敏度的需求。

為實現(xiàn)對敵飛機來襲方向的精確告警和敵飛機編隊的群分辨能力，電子戰(zhàn)系統(tǒng)的告警測向精度需求較傳統(tǒng)告警測向精度提升數(shù)十倍。傳統(tǒng)四象限比幅測向難以滿足高精度要求，一種效費比可接受的選擇是采用相位干涉儀測向體制。采用模擬干涉儀對信號信噪比(SNR)要求高，相位量化精度受限；采用數(shù)字干涉儀測向，通過合理的干涉儀天線陣列長度設(shè)計和低SNR高精度數(shù)字鑒相算法，可以實現(xiàn)高靈敏度高精度測向。

有源自衛(wèi)干擾需要采用數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源，實現(xiàn)對雷達時空頻能多維的精準測量與跟蹤，產(chǎn)生高線性、高相參、高動態(tài)和低雜散的“三高一低”精確干擾信號，使雷達無法檢測到載機也感知不到干擾，達到主動隱身的效果；或者在預(yù)設(shè)距離上產(chǎn)生逼真穩(wěn)定的虛假目標(biāo)，誘使敵機發(fā)射導(dǎo)彈攻擊，達到耗費敵武器彈藥的目的。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境。面對敵聯(lián)合作戰(zhàn)和全域作戰(zhàn)體系，戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨非常復(fù)雜密集的電磁信號環(huán)境，將遭遇寬頻段全向威脅信號、空間多種有意或無意輻射的民用電磁信號、本機和編隊飛機各種傳感器輻射信號等。由于這些信號在時域上高度交織，如果采用瞬時測頻等模擬體制的傳統(tǒng)接收機，則難以對同時到達的信號進行檢測和處理，基本無法適應(yīng)復(fù)雜密集電磁環(huán)境。必須采用全數(shù)字化處理技術(shù)進行時空頻自適應(yīng)分離處理，才能滿足要求。

全數(shù)字化處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的高性能要求，支持認知電子戰(zhàn)[14]能力擴展，實現(xiàn)信息作戰(zhàn)向智能作戰(zhàn)的能力躍升。

1.2.2 標(biāo)準化/模塊化/通用化設(shè)計需求

為最大化重用產(chǎn)品和技術(shù)，需要遵循標(biāo)準化/模塊化/通用化設(shè)計思路。采用標(biāo)準結(jié)構(gòu)和電氣規(guī)范的模塊和連接器，采用標(biāo)準數(shù)據(jù)和控制總線，統(tǒng)一模塊尺寸、互聯(lián)接口、供電方式、散熱方式等，盡最大限度減少現(xiàn)場可更換模塊(LRM)的型譜種類。

較少的模塊型譜種類可以實現(xiàn)由硬件密集型向軟件密集型的研發(fā)模式轉(zhuǎn)變。從全壽命周期來看，減少模塊型譜種類還可有效提升全壽命周期開發(fā)、驗證、質(zhì)量控制、效能保障、快速能力生成和管理的效費比，支持可承受的系統(tǒng)目標(biāo)價格。

1.2.3 維護性設(shè)計需求

電子戰(zhàn)系統(tǒng)在使用過程中，需要具備快速便捷的數(shù)據(jù)加卸載和軟件快速升級維護能力，特別是在戰(zhàn)斗機沒有液冷環(huán)控供電條件下的快速卸載能力。

1.3 綜合化設(shè)計需求

戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)在載機有限的物理空間、重量和供電等條件下實現(xiàn)高性能，需從天線孔徑、射頻、信號處理和數(shù)據(jù)處理等多個維度進行高度綜合化設(shè)計，否則每個功能都采用獨立資源實現(xiàn)，電子戰(zhàn)系統(tǒng)的重量、體積、功耗、環(huán)控、成本等將令用戶和相關(guān)方無法承受。

在不同作戰(zhàn)場景使用過程中，電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要在性能不下降的情況下盡最大程度綜合共用資源實現(xiàn)多功能同時工作。如果不同功能需要微觀全時同時工作，各功能需要配置獨占的射頻及處理資源；如果不同功能需要宏觀同時工作，則可以采用高速分時綜合共用射頻及處理資源實現(xiàn)。電子戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)最大化綜合共用其他傳感器的天線孔徑實現(xiàn)功能。電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要融合射頻告警和光電告警信息以實現(xiàn)對威脅的綜合告警能力。電子戰(zhàn)ESM可綜合雷達、敵我識別(IFF)、數(shù)據(jù)鏈等信息提供綜合識別能力，支持進攻和防御作戰(zhàn)決策。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要采用寬帶射頻集成技術(shù)、功能芯片化技術(shù)等實現(xiàn)射頻處理功能高度綜合集成，使各功能模塊的集成度相比傳統(tǒng)功能模塊提升數(shù)十倍，才能滿足戰(zhàn)斗機嚴格的裝機要求。

1.4 可擴展開放性設(shè)計需求

1.4.1 電子戰(zhàn)能力快速提升需求

作戰(zhàn)對象能力的提升需要電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)在工作帶寬、靈敏度、空域覆蓋等方面具有快速擴展能力。如：機載火控雷達工作帶寬可能變得更寬；雷達低截獲(LPI)技術(shù)發(fā)展及未來低零功率作戰(zhàn)環(huán)境等可能導(dǎo)致電子戰(zhàn)系統(tǒng)靈敏度需求更高；由于全域作戰(zhàn)需求，載機處在立體威脅中，威脅空域可能變成方位全向和大俯仰覆蓋甚至球形空域覆蓋，系統(tǒng)應(yīng)具有空域擴展能力。

由于電磁環(huán)境日益復(fù)雜密集、作戰(zhàn)對象波形特征多變，傳統(tǒng)基于先驗專家知識的信號識別處理邏輯難以良好適應(yīng)，必須擴展深度機器學(xué)習(xí)的人工智能(AI)處理能力，實現(xiàn)對作戰(zhàn)對象波形特征的高維空間映射與推理，對作戰(zhàn)對象的行為和意圖進行高置信度識別。

1.4.2 信號數(shù)據(jù)流柔性交換需求

電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要實現(xiàn)射頻信號、數(shù)字信號和數(shù)據(jù)信息的任意路由柔性交換處理能力，支持功能重構(gòu)，實現(xiàn)不同戰(zhàn)斗機平臺電子戰(zhàn)解決方案的通用化。

為適應(yīng)不同戰(zhàn)斗機平臺、不同測向體制、不同天線孔徑、不同作戰(zhàn)過程的功能資源重構(gòu)需求，需要采用射頻全交換路由實現(xiàn)天線接收/發(fā)射信號與不同射頻處理模塊輸入/輸出之間的選擇。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要實現(xiàn)數(shù)字處理資源的統(tǒng)一管理分配，實現(xiàn)分布式、長時窗積累的高性能數(shù)字信號處理算法，支持功能重構(gòu)和功能性能增長。

通過航電任務(wù)系統(tǒng)總線如光纖通道(FC)交換網(wǎng)絡(luò)將若干分布的中央處理單元(CPU)資源統(tǒng)一管理起來，實現(xiàn)分布式信號處理和數(shù)據(jù)處理，支持深度機器學(xué)習(xí)的人工智能處理并行計算能力擴展。

1.4.3 開放式軟件架構(gòu)需求

軟件架構(gòu)必須具備軟硬解耦能力。電子技術(shù)高速發(fā)展，硬件模塊的替代換型周期可能很短。如果軟件與硬件在設(shè)計上高度耦合，硬件變化將會帶來較大的軟件設(shè)計更改以及代碼移植的工作量，給系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)帶來一定的不確定性，出現(xiàn)“牽一發(fā)而動全局”的現(xiàn)象。因此，必須要采用軟硬件解耦的方式實現(xiàn)“硬動軟不動”，從而避免硬件升級帶來的軟件重新設(shè)計和開發(fā)工作。

軟件架構(gòu)必須具備分層解耦能力。如果軟件不分層設(shè)計，系統(tǒng)底層支持軟件變化所引起的更改設(shè)計可能影響上層應(yīng)用軟件，這往往帶來不可預(yù)料的后果。

1.4.4 融入不同航電任務(wù)系統(tǒng)開放接口設(shè)計需求

不同戰(zhàn)斗機的航電任務(wù)系統(tǒng)可能采用不同標(biāo)準的航電總線與各個傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)互連通信和數(shù)據(jù)交換。電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要兼容不同的航電總線接口，具備快速融入不同戰(zhàn)斗機航電任務(wù)系統(tǒng)的能力。

2 戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計要點

IEEE610.12-1990對系統(tǒng)架構(gòu)給出如下的定義：架構(gòu)是以元素、元素之間的關(guān)系、元素與環(huán)境之間的關(guān)系為內(nèi)容的某一系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)，以及指導(dǎo)上述內(nèi)容設(shè)計與演化的原理與準則。

按照系統(tǒng)架構(gòu)定義，戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計要點包括功能全數(shù)字化處理、綜合化設(shè)計、可擴展開放式設(shè)計和按照統(tǒng)一標(biāo)準進行的基礎(chǔ)設(shè)計。

2.1 功能全數(shù)字化處理設(shè)計

先進戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)采用全數(shù)字化處理架構(gòu)，數(shù)字化處理[15]可以實現(xiàn)各種想定的偵收處理和干擾處理算法，支持功能軟件化，滿足各功能高靈敏度、高測量精度、多信號處理能力強的處理能力要求，且具有靈活實現(xiàn)任意想定算法的優(yōu)勢，達到算法支持戰(zhàn)法的制勝目的。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)能力在很大程度上由數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源處理資源、算法能力決定。目前數(shù)字化處理技術(shù)水平還無法實現(xiàn)對電子戰(zhàn)寬帶射頻信號直接采樣處理或直接生成寬帶干擾信號，通常還需要采用寬帶上下變頻技術(shù)將寬帶射頻信號變換到中頻信號，由數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源進行數(shù)字接收處理、干擾數(shù)字信號處理。

數(shù)字接收處理[16]主要由高速高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和高處理能力的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)組成，實現(xiàn)高靈敏度和高精度的信號檢測和參數(shù)測量，并基于多通道數(shù)字相位干涉儀技術(shù)[17-18]，實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和高分辨率測向。

數(shù)字化干擾源主要由高速高性能ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)和FPGA組成，可實現(xiàn)各種復(fù)雜的干擾樣式波形調(diào)制。

各功能配置空間自由度足夠的接收/發(fā)射天線陣列、多通道數(shù)字處理資源，可以實現(xiàn)寬空域和寬頻帶覆蓋能力。

綜上，采用全數(shù)字化處理能夠滿足戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)功能的高性能要求。

2.2 綜合化設(shè)計

由于雷達告警功能需要全時工作，配置全極化寬帶寬空域天線孔徑、獨立的下變頻和數(shù)字接收機等處理資源；導(dǎo)彈告警綜合共用與雷達告警相同的硬件資源，在數(shù)字接收機中實現(xiàn)并行的高靈敏度接收處理。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)綜合共用多功能陣列(MFA)實現(xiàn)高增益電子支援(HGESM)和高功率電子干擾(HPECM)功能。

ESM/HGESM/ECM/HPECM/組網(wǎng)ESM/組網(wǎng)HGESM等多種功能綜合共用變頻、數(shù)字處理和數(shù)字干擾資源，大大減少系統(tǒng)重量、功耗、成本等。

在信號處理方面，電子戰(zhàn)系統(tǒng)各功能探測的目標(biāo)基于時域、空域和電磁域等多維度進行目標(biāo)融合，實現(xiàn)統(tǒng)一電磁態(tài)勢。

在數(shù)據(jù)處理方面，電子戰(zhàn)目標(biāo)可與其他傳感器探測目標(biāo)進行時空配準和數(shù)據(jù)融合，支持形成進攻和防御決策的統(tǒng)一態(tài)勢。

2.3 可擴展開放式架構(gòu)設(shè)計

2.3.1 信號/數(shù)據(jù)全交換重構(gòu)設(shè)計

為支持系統(tǒng)功能重構(gòu)和通用化擴展設(shè)計，構(gòu)建射頻信號交換、數(shù)字信號交換、數(shù)據(jù)信息交換共計3層交換重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

1) 射頻信號交換網(wǎng)絡(luò)：采用寬帶射頻路由實現(xiàn)天線接收/發(fā)射信號與不同變頻模塊輸入輸出信號之間的選擇，支持系統(tǒng)功能配置不同的射頻天線和射頻處理資源。

2) 數(shù)字信號交換網(wǎng)絡(luò)：采用RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源中的數(shù)字邏輯處理域資源的集中管理分配，實現(xiàn)分布式處理，如基于更長時間積累處理實現(xiàn)高靈敏度檢測，提升電子戰(zhàn)系統(tǒng)探測威力。

3) 數(shù)據(jù)信息交換網(wǎng)絡(luò)：通過FC交換網(wǎng)絡(luò)和軟件總線技術(shù)，支持多應(yīng)用程序節(jié)點(APP)之間的全互聯(lián)通信，并支持并行計算提升深度機器學(xué)習(xí)的人工智能處理能力，以及實現(xiàn)應(yīng)用程序節(jié)點的重部署而無需底層重新進行接口軟件的開發(fā)，支持系統(tǒng)軟件快速升級能力。

2.3.2 可擴展開放式設(shè)計

可擴展開放式設(shè)計主要從空域、頻域、偵收靈敏度、處理能力等方面實現(xiàn)能力擴展。

在空域擴展方面，措施1是提升天線的空域覆蓋能力，措施2是在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中預(yù)留空域擴展所需要的數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源資源的空槽位。

在頻域擴展方面，措施1是在系統(tǒng)中預(yù)留擴展數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源的空槽位，措施2是利用微系統(tǒng)芯片技術(shù)，在保持現(xiàn)有數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源的接口和體積不變的前提下，通道處理能力翻番，實現(xiàn)無縫能力升級。

圖5 3層交換重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Three-level switch reconfigurable network

在偵收靈敏度提升方面，數(shù)字信號具有全交換和分布式處理能力，可以通過更長時窗的數(shù)字信號積累處理，實現(xiàn)更高的系統(tǒng)偵收靈敏度。

在處理能力擴展方面，為實現(xiàn)電子戰(zhàn)的人工智能輻射源識別等能力[19-22]，措施1是在系統(tǒng)的擴展空槽位中增加具備并行計算能力的協(xié)處理器資源，措施2是利用微系統(tǒng)芯片技術(shù)，在保持現(xiàn)有功能模塊的外形接口和體積不變、同時功耗可接受的前提下，并行處理能力成倍增長，可部署AI算法模型(如全連接的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，提升電子戰(zhàn)系統(tǒng)的智能認知處理能力。

2.3.3 開放式軟件架構(gòu)設(shè)計

開放式軟件架構(gòu)的核心思想是基于架構(gòu)分層和接口分類的概念，層與層之間采用標(biāo)準化的接口且相對獨立，層內(nèi)部具備可擴展能力，滿足軟硬隔離、可移植、易擴展、高可靠和高安全的要求。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計采用類未來機載能力環(huán)境(FACE)[23]的思想，充分吸收和繼承“隔離、交換、分層、組件化、互操作、服務(wù)”的核心理念，并結(jié)合全交換式的射頻和數(shù)字處理架構(gòu)，充分考慮電子戰(zhàn)系統(tǒng)寬帶實時性的特點，采用面向應(yīng)用的分層分類體系結(jié)構(gòu)、分層隔離、開放式標(biāo)準接口和面向消息和面向數(shù)據(jù)的通訊總線，在電子戰(zhàn)硬件平臺上建立軟件通用操作環(huán)境，適應(yīng)未來分布式和認知電子戰(zhàn)的需求。電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)與FACE架構(gòu)各層級之間的映射關(guān)系如圖6所示。

圖6 戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)與FACE架構(gòu)的映射關(guān)系圖Fig.6 Mapping of EW software architecture and FACE

電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)各層級定義與FACE架構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系參見表1。

表1 電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)與FACE架構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Mapping of EW software architecture and FACE

電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)各個層級的定義描述如下：

1) 硬件設(shè)備層：提供通用電子戰(zhàn)硬件處理平臺、板級支持包(BSP)和驅(qū)動接口，是硬件設(shè)備與應(yīng)用層之間進行數(shù)據(jù)傳遞的橋梁；針對每一類物理通訊接口，向上提供統(tǒng)一的抽象接口，輸出統(tǒng)一格式化定義的數(shù)據(jù)幀，向下與不同物理硬件平臺進行適配；與FACE架構(gòu)中的I/O服務(wù)段(IOSS)相對應(yīng)。

2) 操作系統(tǒng)層：與下層的計算處理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、文件存儲設(shè)備等相適應(yīng)，提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時間管理、文件管理、消息隊列管理和數(shù)據(jù)庫管理等多項操作系統(tǒng)與運行環(huán)境服務(wù)；與FACE架構(gòu)中的操作系統(tǒng)段(OSS)相對應(yīng)。

3) 服務(wù)層(框架)：作為電子戰(zhàn)系統(tǒng)計算處理平臺的統(tǒng)一軟件框架，為應(yīng)用層提供通用軟件服務(wù)，包括數(shù)據(jù)分發(fā)、消息交換、任務(wù)資源調(diào)度、操作系統(tǒng)隔離等。其中，數(shù)據(jù)分發(fā)和消息交換服務(wù)采用統(tǒng)一規(guī)范接口支持應(yīng)用層各個軟件節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流和控制流交互，完成節(jié)點間的通信，實現(xiàn)節(jié)點間的解耦合設(shè)計。同時作為電子戰(zhàn)設(shè)備和資源調(diào)度的核心，任務(wù)資源調(diào)度服務(wù)可對電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的CPU、數(shù)字信號處理(DSP)、FPGA等實時處理資源進行配置部署、狀態(tài)監(jiān)控、健康管理和資源調(diào)度，支持加載、卸載和功能重構(gòu)；與FACE架構(gòu)中的傳輸服務(wù)段(TSS)和平臺相關(guān)服務(wù)段(PSSS)相對應(yīng)。

4) 應(yīng)用層：包含計算處理平臺無關(guān)應(yīng)用和計算處理平臺相關(guān)應(yīng)用，主要實現(xiàn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理邏輯，通過服務(wù)層(框架)提供的標(biāo)準數(shù)據(jù)分發(fā)和消息交換服務(wù)實現(xiàn)應(yīng)用層各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。應(yīng)用層各個節(jié)點之間實現(xiàn)良好的解耦，并且與操作系統(tǒng)層之間具有良好的隔離，支持最大程度的復(fù)用。與FACE架構(gòu)中的可移植組件段(PCS)相對應(yīng)。

由于在硬件設(shè)備層接口中封裝了若干不同航電任務(wù)系統(tǒng)接口的BSP驅(qū)動函數(shù)，當(dāng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)需要選取不同的標(biāo)準總線如FC、RapidIO[24]或者以太網(wǎng)等與航電任務(wù)系統(tǒng)之間進行互聯(lián)時，通過換裝接口模塊/組件以及調(diào)用不同的BSP驅(qū)動函數(shù)，可以實現(xiàn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)與航電任務(wù)系統(tǒng)之間通信接口的快速升級。

為實現(xiàn)全系統(tǒng)軟件一鍵升級和圖形化部署功能，系統(tǒng)架構(gòu)的運行部署通過服務(wù)層(框架)中的運行部署通訊服務(wù)來實現(xiàn)對各個應(yīng)用功能的加載、部署、運行和卸載等管理，支持圖形化軟件快速重部署，改善以往軟件重新部署接口流程不統(tǒng)一和耗時非常長的狀況，如圖7所示。

圖7 軟件圖形化運行部署Fig.7 Graphical processing and deploying of software

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)卸載設(shè)備通過高速光纖總線連接至戰(zhàn)斗機的維護口蓋，實現(xiàn)快速加卸載功能。同時，數(shù)據(jù)卸載設(shè)備具備對機上記錄模塊的自供電能力，無需飛機提供電源和液冷環(huán)控條件，大大提高了系統(tǒng)的維護性。

2.4 基礎(chǔ)設(shè)計

基于通用化、標(biāo)準化和模塊化的設(shè)計原則，對射頻交換、寬帶變頻、數(shù)字接收機、數(shù)字化干擾源等開展模塊型譜種類的統(tǒng)型設(shè)計，構(gòu)建通用標(biāo)準LRM模塊。采用先進的三維立體微波集成技術(shù)、寬帶變頻技術(shù)、多功能芯片技術(shù)等，使電子戰(zhàn)系統(tǒng)在性能較以往系統(tǒng)提升數(shù)十倍的基礎(chǔ)上，體積重量較傳統(tǒng)微波集成工藝和處理能力的電子戰(zhàn)系統(tǒng)減小了數(shù)十倍。

現(xiàn)場可更換單元(LRU)采用高壓直流分布式供電，寬帶綜合射頻前端內(nèi)部的LRM模塊采用低壓直流分布式供電。

采用RapidIO總線實現(xiàn)模塊之間高速數(shù)據(jù)互聯(lián)，采用標(biāo)準FC總線實現(xiàn)與航電任務(wù)系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)，采用標(biāo)準以太網(wǎng)總線實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部維護和狀態(tài)監(jiān)控。

3 戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)方案

戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)由綜合天線孔徑、寬帶綜合射頻前端和綜合核心處理機中的軟件配置項組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)邏輯視圖Fig.8 Architecture of fighter EW system-logical view

綜合天線孔徑由寬帶電子戰(zhàn)天線陣列[25]、多功能孔徑以及天線接口組成。電子戰(zhàn)天線陣列和多功能孔徑實現(xiàn)空間電磁信號的接收和發(fā)射功能，天線接口完成天線接收和發(fā)射信號的放大濾波處理。綜合天線孔徑與寬帶綜合射頻前端之間通過電纜相連接，實現(xiàn)接收和發(fā)射信號的傳輸。

寬帶綜合射頻前端由十余種標(biāo)準模塊組成，包括寬帶射頻路由、下變頻、上下變頻、多通道大動態(tài)寬帶數(shù)字接收機、多通道高性能數(shù)字化干擾源、預(yù)處理與控制、通用接口、頻率源和電源等模塊，完成無源探測類功能的射頻信號選擇、射頻中頻變換、高速ADC、數(shù)字信號處理和脈沖描述字(PDW)生成功能；完成有源干擾類功能的射頻信號選擇、射頻中頻變換、高速ADC/DAC、干擾信號處理功能；完成PDW實時預(yù)處理和系統(tǒng)的實時控制功能。

寬帶綜合射頻前端內(nèi)部模塊的電氣和結(jié)構(gòu)規(guī)范滿足標(biāo)準航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聯(lián)合委員會(ASAAC)[26]標(biāo)準，具有統(tǒng)一結(jié)構(gòu)尺寸、封裝形式、接口類型、供電方式、散熱方式，連接器采用一體化LRM連接器，模塊統(tǒng)一為十余種模塊型譜；采用標(biāo)準以太網(wǎng)作為控制總線，實現(xiàn)對各模塊的供電控制、程序加載和狀態(tài)監(jiān)控；采用RapidIO總線作為數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)模塊間的高速數(shù)據(jù)傳輸和實時控制。

寬帶綜合射頻前端與綜合核心處理機之間通過高速FC總線相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流和管理控制命令的可靠傳輸。

綜合核心處理機的通用處理(GPP)模塊上配置并行多核PowerPC處理器，支持實時運算處理與接口控制。GPP模塊之間采用FC數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交互。

電子戰(zhàn)功能軟件駐留在GPP模塊上，部署關(guān)系如圖9所示。

圖9 電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件部署示意Fig.9 Software deployment of EW system

在應(yīng)用層上運行電子戰(zhàn)功能軟件的多個節(jié)點，實現(xiàn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的綜合管理、系統(tǒng)控制和多項信號處理和數(shù)據(jù)處理等功能，主要包括：實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源的實時調(diào)度管理，實現(xiàn)無源探測、無源火控攻擊引導(dǎo)和有源干擾等功能控制，實現(xiàn)雷達與電子戰(zhàn)同時兼容工作管理，實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源的自檢與故障處理，基于人工智能算法實現(xiàn)輻射源目標(biāo)識別分析處理，支持生成航電任務(wù)系統(tǒng)的航路規(guī)劃建議等。

全數(shù)字化處理是系統(tǒng)架構(gòu)的核心和靈魂，由多通道數(shù)字接收機和多通道數(shù)字化干擾源實現(xiàn)，能夠?qū)邮招盘柡透蓴_信號實現(xiàn)任意想定的算法。全數(shù)字化接收處理實現(xiàn)了探測功能的瞬時寬帶、全向覆蓋、高動態(tài)、高精度、高靈敏度、多信號處理能力等要求；全數(shù)字化干擾處理實現(xiàn)了干擾功能的大工作帶寬、快速實時響應(yīng)、高相參精準干擾等要求。

在綜合化方面：電子戰(zhàn)綜合共用MFA、寬帶數(shù)字處理和寬帶干擾處理資源實現(xiàn)高功率電子支援和高功率電子干擾功能；導(dǎo)彈告警與雷達告警綜合共用相同的接收天線、下變頻、數(shù)字接收機資源；ESM、ECM與高功率電子支援和高功率電子干擾等功能綜合共用寬帶綜合射頻前端中的上下變頻、數(shù)字接收機和數(shù)字化干擾源等資源。正是采用了這樣的高度綜合化架構(gòu)，才使性能要求非常高的電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在戰(zhàn)斗機體積、重量、功耗等要求嚴酷的條件下得以實現(xiàn)。

在功能性能可擴展方面：承載功能模塊的綜合寬帶射頻前端機架中，預(yù)留有若干統(tǒng)一標(biāo)準接口的空槽位，用于電子戰(zhàn)對抗帶寬提升、對抗空域擴展、靈敏度提升和人工智能處理能力提升。

在功能柔性重構(gòu)方面：寬帶射頻路由實現(xiàn)天線收發(fā)信號與接收/干擾處理資源之間的重構(gòu)配置，支持在不同使用要求及不同裝機條件下電子戰(zhàn)系統(tǒng)方案的通用性，實現(xiàn)不同性能要求的電子戰(zhàn)功能的射頻處理資源配置。預(yù)處理與控制模塊中的高速RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了多通道數(shù)字接收機、多通道數(shù)字化干擾源的處理資源共享。通用接口模塊兼容多種接口標(biāo)準定義，支持電子戰(zhàn)系統(tǒng)快速接入不同航電任務(wù)系統(tǒng)。綜合核心處理機中的FC數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了GPP處理資源和數(shù)據(jù)的共享，支持軟件功能重構(gòu)和人工智能并行處理能力的擴展。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的相關(guān)顯示控制功能在戰(zhàn)斗機航電任務(wù)系統(tǒng)座艙中實現(xiàn)。電子戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的數(shù)據(jù)加載到綜合核心處理機中，為電子戰(zhàn)識別和響應(yīng)決策提供數(shù)據(jù)源。作戰(zhàn)數(shù)據(jù)可通過戰(zhàn)斗機的加卸載維護口實現(xiàn)快速卸載，支持效能評估和作戰(zhàn)規(guī)劃。

4 仿真評估

本研究按照MBSE方法，針對典型作戰(zhàn)場景對戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)進行作戰(zhàn)能力研究和作戰(zhàn)效能仿真，對作戰(zhàn)能力結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)方案進行指標(biāo)需求分解分配，采用XSim Studio仿真平臺對作戰(zhàn)效能進行仿真，采用Rhapsody和MATLAB系統(tǒng)建模軟件對系統(tǒng)工作流程和處理算法進行了建模，對作戰(zhàn)需求、系統(tǒng)架構(gòu)、資源配置、邏輯流程、控制時序和處理算法進行分析驗證和性能評估，仿真數(shù)字模型如圖10所示。

圖10 戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真模型Fig.10 Digital simulation model of fighter EW system

在構(gòu)建的典型作戰(zhàn)場景下，模擬復(fù)雜電磁環(huán)境脈沖流注入至已建立的系統(tǒng)數(shù)字仿真模型中，通過多次迭代仿真試驗，驗證系統(tǒng)架構(gòu)方案的功能和關(guān)鍵性能指標(biāo)以及可擴展能力，包括靈敏度、多信號處理能力、反應(yīng)時間、測向精度、定位精度、虛警率、截獲概率、輻射源識別能力、自衛(wèi)干擾能力、高功率電子干擾能力等。

仿真結(jié)果表明，電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)對復(fù)雜密集電磁環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力，具備高靈敏度、高測向精度、高截獲概率、低虛警率、高相參干擾等優(yōu)良性能，同時具備良好的可擴展性，可通過射頻信號、數(shù)字信號、數(shù)據(jù)信息等進行柔性交換重構(gòu)不同功能；可通過擴展槽位實現(xiàn)空域、頻域、處理能力等方面的提升。

戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)在多型載機平臺上開展了實裝應(yīng)用驗證。大量的工程化實踐表明，電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用效果良好，能夠滿足作戰(zhàn)使用需求。

5 結(jié) 論

戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)具備全數(shù)字化、綜合化、可擴展、開放式等先進特征?；诟咝阅軐拵?shù)字接收和數(shù)字干擾處理為核心的全數(shù)字化設(shè)計，可以滿足電子戰(zhàn)功能瞬時寬帶、全向覆蓋、高靈敏度、高動態(tài)、高精度、高相參、快速實時響應(yīng)、多信號處理能力等要求?；谔炀€孔徑、射頻、數(shù)字信號、數(shù)據(jù)信息等維度進行全域高度綜合化共用設(shè)計，使戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)多種功能在載機體積、重量、功耗等要求嚴酷的條件下得以實現(xiàn)。電子戰(zhàn)系統(tǒng)的帶寬、空域、靈敏度、AI處理等能力可柔性擴展；電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件采用開放式設(shè)計，支持快速升級；電子戰(zhàn)模塊具有標(biāo)準化和通用化的統(tǒng)一型譜。以上這些特征均使得電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)具有良好的可擴展性，為后續(xù)能力快速升級提供了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

專用電子偵察飛機任務(wù)系統(tǒng)、專用電子戰(zhàn)飛機任務(wù)系統(tǒng)等不同形態(tài)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，也可借鑒本研究提出的電子戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法和成果。

隨著作戰(zhàn)要求不斷提高及技術(shù)進步，戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)的架構(gòu)方案也將不斷優(yōu)化。從發(fā)展趨勢來看[27]，戰(zhàn)斗機電子戰(zhàn)系統(tǒng)將朝體系化[28]、智能化[29-30]、綜合化和一體化等方向發(fā)展，在技術(shù)架構(gòu)上將呈現(xiàn)柔性智能特征，物理形態(tài)將朝芯片化發(fā)展，典型形態(tài)之一為機載智能蒙皮[31]，后續(xù)還需不斷深化使用需求研究，并結(jié)合技術(shù)發(fā)展情況深入研究下一代戰(zhàn)斗機電子系統(tǒng)架構(gòu)和方案。

[21] 周飛燕, 金林鵬, 董軍. 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J]. 計算機學(xué)報, 2017(6): 1229-1251.

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