無人預(yù)警機系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析

葉海軍， 潘舟浩， 秦國杰， 馬亞輝

(1.北京郵電大學(xué), 北京 100876; 2.中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

0 引 言

預(yù)警機作為軍事信息系統(tǒng)中的重要裝備，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中發(fā)揮著核心骨干作用。而有人預(yù)警機未來發(fā)展的產(chǎn)品形態(tài)之一是輕型的、無人的、網(wǎng)絡(luò)的無人預(yù)警機的前出距離遠(yuǎn)、任務(wù)時間長、經(jīng)濟性好、費效比低、生存能力強等滿足特定作戰(zhàn)任務(wù)需求的特點是無人預(yù)警機全壽命周期裝備研制與使用的重要優(yōu)勢。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)化的體系作戰(zhàn)需求不斷增強，無人預(yù)警機技術(shù)已逐步成為研究熱點[1-3]，發(fā)展先進(jìn)的無人預(yù)警機系統(tǒng)有著重要的戰(zhàn)略意義。由于無人預(yù)警機受無人平臺載重、供電、散熱等載荷資源限制，如何設(shè)計一種滿足先進(jìn)、合理和可靠的無人預(yù)警機是工程設(shè)計師的重要目標(biāo)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究是目前無人預(yù)警機設(shè)計和工程實現(xiàn)的重點難題之一。文獻(xiàn)[4]基于總線與局域網(wǎng)理論，提出了傳統(tǒng)的以信息互聯(lián)互通為基礎(chǔ)的技術(shù)架構(gòu)模型。文獻(xiàn)[5]提出了面向戰(zhàn)斗機的新一代綜合化航空電子系統(tǒng)架構(gòu)，暫未考慮以預(yù)警機為代表的無人化、網(wǎng)絡(luò)化的大型綜合電子信息系統(tǒng)裝備的架構(gòu)設(shè)計技術(shù)。本文從分析總結(jié)美軍機載航空電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計出發(fā)，研究其系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)方案、技術(shù)特點及實現(xiàn)途徑，提出一種可實時感知、并行處理的綜合一體化系統(tǒng)架構(gòu)，并在此系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計下，分析提出了射頻綜合、傳感器管理、多源情報實時處理等系統(tǒng)級關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵點，為無人預(yù)警機系統(tǒng)總體設(shè)計等奠定工程實現(xiàn)基礎(chǔ)。

1 機載航空電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與分析

美軍機載航空電子系統(tǒng)經(jīng)過近70余年的技術(shù)發(fā)展，已從具有單功能的松散型系統(tǒng)發(fā)展到綜合化、通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息高度密集的一體化綜合型系統(tǒng)。表1對比分析分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式四種[6-10]不同的航空電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思路與方案，總結(jié)形成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計技術(shù)特點及差異性對比分析。

表1 四種航空電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計技術(shù)特點及差異性對比分析表

從表1中的對比分析可以看出，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)由單設(shè)備單功能逐步演進(jìn)為單設(shè)備多功能、綜合化設(shè)備多功能的系統(tǒng)級產(chǎn)品形態(tài)。機載平臺受載荷、空間等條件限制，開放的綜合式系統(tǒng)架構(gòu)是技術(shù)演進(jìn)推動，更是必要趨勢。

2 無人預(yù)警機系統(tǒng)架構(gòu)與基本原理設(shè)計

預(yù)警機是一種具有機動優(yōu)勢以及低空超低空、遠(yuǎn)距離、大范圍目標(biāo)探測、跟蹤和識別等功能于一體的綜合電子信息系統(tǒng)平臺。世界上首型有人預(yù)警機TBM-3W自1945年3月列裝使用以來，歷經(jīng)了70余年的裝備發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。世界預(yù)警機的發(fā)展歷史，就是一部世界預(yù)警機的技術(shù)發(fā)展史，也是一部由機械化向信息化、無人化轉(zhuǎn)變的特種飛機演進(jìn)史。20世紀(jì)40年代至今，世界三代有人預(yù)警機功能及技術(shù)特征詳見表2。

表2 世界三代預(yù)警機系統(tǒng)功能作用、系統(tǒng)架構(gòu)特點及技術(shù)特征對比表

隨著信息化、無人化等技術(shù)的進(jìn)步，裝備發(fā)展和作戰(zhàn)形態(tài)的演進(jìn)，有人預(yù)警機會向無人預(yù)警機發(fā)展。無人預(yù)警機一般是滿足某種特定作戰(zhàn)任務(wù)的、無人的、預(yù)警的特種飛機平臺，受無人載機平臺載重、供電、散熱等載荷資源限制。無人預(yù)警機作為未來的第四代預(yù)警機的重要裝備形態(tài)之一，如何設(shè)計一種滿足任務(wù)需求的先進(jìn)性、合理性、可行性和可靠性的無人預(yù)警機系統(tǒng)架構(gòu)是重點難題之一。本文在分析研究機載航空電子系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上，充分借鑒前三代預(yù)警機系統(tǒng)設(shè)計，按照“平臺載荷結(jié)構(gòu)功能一體化、射頻通道資源一體化、存儲計算資源一體化”的綜合化、通用化、模塊化和數(shù)據(jù)、應(yīng)用完全共享的系統(tǒng)綜合一體化化設(shè)計思路，提出了一種“綜合射頻系統(tǒng)+通用計算系統(tǒng)”的綜合一體化系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)。在無人預(yù)警機受無人平臺載重、供電、散熱等資源限制條件下，實現(xiàn)了無人預(yù)警機感知記憶、資源管控、快速生成情報等系統(tǒng)能力，這也是實現(xiàn)系統(tǒng)減重減耗保能的唯一途徑。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，詳見圖1所示。

圖1 無人預(yù)警機系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計框圖

從圖1可以看出，系統(tǒng)采用“綜合射頻系統(tǒng)+通用計算系統(tǒng)”的綜合一體化系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)無人預(yù)警機系統(tǒng)強實時并發(fā)多任務(wù)的實時感知和并行處理。綜合射頻系統(tǒng)，是無人預(yù)警機信息感知的眼睛，是實現(xiàn)無人預(yù)警機射頻信號發(fā)射與接收的寬帶化、數(shù)字化系統(tǒng)，用于精確感知、精確控制、精確應(yīng)用電磁場。射頻資源按照“孔徑綜合，通道共用”的總體設(shè)計思路，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行射頻資源分配，通過功能分配、射頻通道管理、射頻資源分配等流程設(shè)計實現(xiàn)從作戰(zhàn)任務(wù)到射頻資源參數(shù)指令和工作時序的分解，構(gòu)建射頻資源局部或全局共享、可重構(gòu)的射頻信號收發(fā)通道。通用計算系統(tǒng)，是無人預(yù)警機信息處理的大腦，目標(biāo)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用軟件/智能處理算法、數(shù)據(jù)與通用計算平臺/存儲平臺、應(yīng)用軟件/智能處理算法與通用計算平臺/存儲平臺分離。利用通用化處理資源，在系統(tǒng)管理和任務(wù)管理控制下，按照功能進(jìn)行資源分配，實現(xiàn)無人預(yù)警機系統(tǒng)各功能的信號處理和數(shù)據(jù)處理一體化。

從圖1可以看出，相比分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式架構(gòu)設(shè)計，本文提出的無人預(yù)警機綜合一體化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，突出了面向作戰(zhàn)任務(wù)需求，將射頻資源通道化、計算存儲資源通用化、功能應(yīng)用軟件化，通過系統(tǒng)管控實現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源合理、動態(tài)的自動調(diào)配與調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用需求的整體設(shè)計優(yōu)勢。

3 無人預(yù)警機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在圖1無人預(yù)警機系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)下，圍繞實現(xiàn)“實時感知+并行處理”的系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)需求，研究提出了射頻綜合、傳感器管理、多源情報實時處理、任務(wù)管理與監(jiān)視、作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度等五項無人預(yù)警機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 射頻綜合技術(shù)

載機平臺與雷達(dá)、電子偵察主傳感器等結(jié)構(gòu)與功能的一體化設(shè)計[11]，天線孔徑綜合，射頻通道通用/共用方案的設(shè)計與工程實現(xiàn)技術(shù)，是射頻綜合技術(shù)關(guān)鍵點。綜合天線孔徑[7]重點實現(xiàn)包括有源通道、無源通道等眾多無線電傳感器功能的空間電磁波能量的發(fā)射和接收。按照射頻資源的通道化，對各類發(fā)射和接收天線進(jìn)行綜合化、分布式設(shè)計，最大限度減少天線數(shù)量，使其共享成為傳感器硬件前端資源，最大程度地發(fā)揮其功能和效率，最終達(dá)到綜合利用天線孔徑的設(shè)計目的。多任務(wù)射頻綜合化設(shè)計，射頻通道硬件共用乃至通用是設(shè)計的目標(biāo)，一般瞄準(zhǔn)通道資源實現(xiàn)共用，也就是借助同一的射頻通道資源，可考慮按照通道帶寬、靈敏度、動態(tài)范圍、時序關(guān)系等分類綜合設(shè)計射頻通道系統(tǒng)，以實現(xiàn)單通道多功能的射頻資源動態(tài)管理與頻譜資源使用控制。

3.2 傳感器管理技術(shù)

傳感器是無人預(yù)警機實現(xiàn)?？諔B(tài)勢感知，完成作戰(zhàn)任務(wù)的重要手段。以雷達(dá)技術(shù)為代表的主要傳感技術(shù)將向體系化、協(xié)同化、一體化、無人化等方向發(fā)展。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)，無人預(yù)警機可設(shè)計并選裝滿足特定作戰(zhàn)任務(wù)的多種類傳感器資源。根據(jù)作戰(zhàn)場景和目標(biāo)環(huán)境的變化，實現(xiàn)傳感器及傳感器資源有效協(xié)同、高效管控，選擇合適的傳感器，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合處理算法和流程，建立傳感器反饋機制，依據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境、情報質(zhì)量和傳感器能力的變化，優(yōu)化傳感器資源分配，實現(xiàn)從情報到傳感器的閉環(huán)控制。突破基于反饋機制的多源異類傳感器數(shù)據(jù)融合架構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用一體化聯(lián)合檢測、估計、識別和傳感器管理等關(guān)鍵技術(shù)，是提高綜合態(tài)勢情報的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性并形成一致的空中戰(zhàn)場態(tài)勢的基礎(chǔ)。而多源傳感器協(xié)同探測與調(diào)度策略是傳感器管理技術(shù)的核心關(guān)鍵，傳感器能夠根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)需求，自動地在各種協(xié)同工作模式之間轉(zhuǎn)換，以滿足情報感知與收集的需要。同時，可考慮滿足無人預(yù)警機單一任務(wù)和多用途任務(wù)需要，選配不同的傳感器資源進(jìn)行統(tǒng)一管控，滿足單機多能的任務(wù)需求。

3.3 多源情報實時處理技術(shù)

多源情報實時處理是無人預(yù)警機系統(tǒng)的心臟，無人預(yù)警機上無實時操作的任務(wù)操作人員，因此對多源情報的實時處理能力、情報質(zhì)量、情報融合速度提出了更高的要求。將無人預(yù)警機、無人預(yù)警機控制站的情報處理進(jìn)行分級、分工、協(xié)作的一體化設(shè)計，以滿足在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)資源及通用計算平臺計算資源等受限條件下實現(xiàn)情報實時的、自動化/智能化的信息處理、系統(tǒng)自動綜合識別，并且根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要，實施定制化的情報設(shè)計，這也是解決多源情報實時處理和滿足作戰(zhàn)使用的關(guān)鍵技術(shù)點。

3.4 任務(wù)管理與實時監(jiān)視技術(shù)

任務(wù)管理與實時監(jiān)視是指無人預(yù)警機在執(zhí)行任務(wù)過程中對任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)空域、飛行航線、傳感器使用策略、任務(wù)過程評估等信息進(jìn)行統(tǒng)一管理與監(jiān)控。并且，按照任務(wù)預(yù)案對任務(wù)執(zhí)行過程進(jìn)行實時監(jiān)視、實時評估和實時調(diào)整，使操作人員能夠按照計劃實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，使操作人員在了解無人預(yù)警機載機平臺性能、傳感器性能、系統(tǒng)綜合性能等能力基礎(chǔ)上充分發(fā)揮出作戰(zhàn)能力。任務(wù)過程中，無人預(yù)警機系統(tǒng)應(yīng)將實時執(zhí)行的任務(wù)與預(yù)先加載的任務(wù)預(yù)案進(jìn)行對比實時分析、系統(tǒng)評估，判析無人預(yù)警機任務(wù)預(yù)案中規(guī)定的計劃關(guān)鍵節(jié)點是否被正確、實時的執(zhí)行，如沒有正確執(zhí)行，系統(tǒng)將對任務(wù)偏差進(jìn)行實時監(jiān)視、評估并提示操作人員及時糾偏。

3.5 作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度技術(shù)

作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度是無人預(yù)警機系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務(wù)的大腦。無人預(yù)警機前出距離遠(yuǎn)、作戰(zhàn)范圍廣、作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜時變，科學(xué)合理地選擇、調(diào)配和調(diào)度平臺內(nèi)部有限系統(tǒng)資源，建立復(fù)雜任務(wù)序列與平臺系統(tǒng)資源之間的關(guān)系模型，是提高無人預(yù)警機資源的有效使用性和完成作戰(zhàn)任務(wù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[12]提出了一種作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源動態(tài)映射關(guān)系原理圖，在此基礎(chǔ)上，可綜合考慮任務(wù)、時間、資源多約束條件下，建立作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源之間的優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，再通過任務(wù)管理與實時監(jiān)控，對作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源理論最優(yōu)匹配。關(guān)于任務(wù)資源調(diào)度問題，常用的算法[13-14]：分支定界法、動態(tài)規(guī)劃和動態(tài)列表調(diào)度等最優(yōu)化方法，也可以根據(jù)作戰(zhàn)場景、系統(tǒng)資源特性等多約束條件進(jìn)行綜合優(yōu)化。

4 結(jié) 語

本文嘗試著從分析機載航空電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和世界預(yù)警機系統(tǒng)架構(gòu)特點及技術(shù)特征出發(fā)，研究提出了無人預(yù)警機系統(tǒng)綜合一體化架構(gòu)設(shè)計，給出了無人預(yù)警機系統(tǒng)架構(gòu)下的射頻綜合、傳感器管理、情報實時處理、任務(wù)管理與監(jiān)視、作戰(zhàn)任務(wù)與系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度等系統(tǒng)級關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)實現(xiàn)途徑等，為無人預(yù)警機系統(tǒng)需求論證、總體設(shè)計和工程技術(shù)實現(xiàn)奠定了工程實施基礎(chǔ)。