下一代機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)總體設(shè)計思考

蔡愛華，范　強(qiáng)

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

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綜述

下一代機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)總體設(shè)計思考

蔡愛華，范強(qiáng)

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

本文首先從系統(tǒng)能力設(shè)計、使用環(huán)境考慮和資源綜合運(yùn)用三個方面，闡述了機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)一體化設(shè)計思想。然后提出了一體化設(shè)計思路下，扁平化矩陣式管理是適應(yīng)該設(shè)計的必由之選。最后指出，一體化設(shè)計是下一代機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)的發(fā)展方向。

機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng);一體化設(shè)計;矩陣式管理

E242

A

1673-5692(2016)02-111-04

0　引　言

近年來隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，開放式體系結(jié)構(gòu)的日趨成熟，特種任務(wù)飛機(jī)更是朝著多任務(wù)的趨勢發(fā)展。如何在飛機(jī)平臺固化的前提下，降低系統(tǒng)體積、重量和功耗，提升系統(tǒng)能力、降低成本，提高可靠性是機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)(以下簡稱“任務(wù)電子系統(tǒng)”)設(shè)計的主要目標(biāo)。綜合化設(shè)計是達(dá)成上述目標(biāo)的主要手段之一。以F-35飛機(jī)為代表的新一代航電系統(tǒng)采用綜合化設(shè)計[1]，將原來相對獨(dú)立設(shè)計的雷達(dá)、光電、識別、對抗、通信、導(dǎo)航等功能系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計，在射頻前端和核心處理機(jī)等物理系統(tǒng)硬件上采取了模塊化+總線的綜合化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線孔徑共享/減少天線數(shù)量、充分利用資源/擴(kuò)展系統(tǒng)功能、模塊化集成/降低體積重量、系統(tǒng)可重構(gòu)/提升系統(tǒng)可靠性、減少硬件品種/降低系統(tǒng)成本、綜合效能提升/增強(qiáng)作戰(zhàn)能力的目標(biāo)。

我國在航空電子領(lǐng)域也進(jìn)行了多年的綜合化設(shè)計研究，在模塊化+總線架構(gòu)設(shè)計和集成方面取得較大進(jìn)展，減重增能的效果顯著。但還沒有做到充分利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢，統(tǒng)籌各方需求，對任務(wù)電子系統(tǒng)采取更先進(jìn)的定制式一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)綜合效能上的進(jìn)一步提升。

1　一體化設(shè)計思想

綜合化設(shè)計的目標(biāo)是對給定的資源進(jìn)行整合設(shè)計。即在功能分系統(tǒng)確定基本方案的基礎(chǔ)上，依據(jù)功能分系統(tǒng)的需求確定整個系統(tǒng)的資源配置，將所需的資源配置進(jìn)行模塊化設(shè)計并通過總線集成為一個可以靈活重構(gòu)的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的綜合利用。

而一體化設(shè)計的目標(biāo)是按系統(tǒng)需求進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計。即將系統(tǒng)置身在整個作戰(zhàn)環(huán)境中，充分考慮與其它平臺的協(xié)同、各平臺資源的充分共享，以體系對抗作戰(zhàn)形成對系統(tǒng)的能力需求；功能設(shè)計上進(jìn)行能量一體化發(fā)射和接收[2]、智能化信號與數(shù)據(jù)處理[3]、多通道多媒體智能人機(jī)交互[4]、全覆蓋自診斷監(jiān)測[5]為核心的全系統(tǒng)整體、定制式的一體化設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)信息裝備劃時代的能力提升。

一體化設(shè)計是一個綜合考慮系統(tǒng)能力、作戰(zhàn)使用環(huán)境以及資源綜合運(yùn)用的設(shè)計，是一個充分發(fā)揮現(xiàn)代電子設(shè)計制造能力，實(shí)現(xiàn)軟硬件按需定制的設(shè)計。

1.1系統(tǒng)能力設(shè)計

系統(tǒng)能力發(fā)揮是指系統(tǒng)的功能性能需求不僅要考慮系統(tǒng)本身獨(dú)立工作時的能力，更要考慮系統(tǒng)對體系能力的貢獻(xiàn)度。因此，充分研究作戰(zhàn)樣式以及作戰(zhàn)樣式下的多平臺協(xié)同如協(xié)同探測、綜合識別、協(xié)同作戰(zhàn)等，是下一代任務(wù)電子系統(tǒng)必須具備的設(shè)計特征之一。

系統(tǒng)能力一體化設(shè)計由需求出發(fā)，首先依據(jù)作戰(zhàn)使命任務(wù)，提出作戰(zhàn)樣式；然后根據(jù)作戰(zhàn)樣式，提出體系能力需求；最后根據(jù)體系能力需求，提出單平臺裝備的功能性能指標(biāo)。該指標(biāo)不僅包括自身獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，同時包含與體系其他平臺協(xié)同實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。這些指標(biāo)需要任務(wù)電子系統(tǒng)各功能分系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計去實(shí)現(xiàn)。如雷達(dá)與通信一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、定向隱蔽通信；平臺內(nèi)有源與無源傳感器協(xié)同調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對隱身目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測；預(yù)警機(jī)與作戰(zhàn)飛機(jī)或無人機(jī)協(xié)同，同時實(shí)現(xiàn)大范圍預(yù)警探測和高精度測量。

1.2作戰(zhàn)使用環(huán)境考慮

綜合考慮外部環(huán)境是指系統(tǒng)設(shè)計要考慮在復(fù)雜地理和電磁環(huán)境中探測跟蹤識別隱身、高速、低速、高空、低空、海面、水下目標(biāo)的能力，滿足看得遠(yuǎn)、測得準(zhǔn)、辨得清、通得暢、打得準(zhǔn)的未來作戰(zhàn)需求。要滿足這樣的需求，系統(tǒng)一體化設(shè)計不僅要在本平臺上采取多模式、寬頻帶、自適應(yīng)陣列、任意波形、能量管理等各種提升系統(tǒng)適應(yīng)能力的綜合設(shè)計手段，以提高自身性能，還要在多平臺之間進(jìn)行協(xié)同工作設(shè)計，以充分提升體系的整體作戰(zhàn)能力。

隨著電子干擾技術(shù)的進(jìn)步，單平臺在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下的作戰(zhàn)能力大幅下降已不可避免，多平臺協(xié)同對抗強(qiáng)電磁干擾環(huán)境已成為下一代任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)之一。比如多平臺協(xié)同，形成雙多基地雷達(dá)組網(wǎng)探測既能提升抗干擾和隱身目標(biāo)探測能力，又能改善航跡質(zhì)量；多基地聯(lián)合偵察既能提升發(fā)現(xiàn)概率，又能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的無源探測。

1.3資源綜合運(yùn)用

資源綜合利用是一體化設(shè)計的重要表現(xiàn)形式。首先，將任務(wù)電子系統(tǒng)各功能分系統(tǒng)從信號的產(chǎn)生、輻射、接收和處理環(huán)節(jié)上所需的硬件資源，進(jìn)行統(tǒng)一的模塊定制式設(shè)計；同時設(shè)計實(shí)時監(jiān)測所有軟硬件資源的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源的優(yōu)化利用和高可靠運(yùn)行。然后，將任務(wù)電子系統(tǒng)與平臺的基本航電系統(tǒng)一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)機(jī)上電子裝備資源的綜合利用。最后，將任務(wù)電子系統(tǒng)與平臺支持系統(tǒng)(天線共形、安裝結(jié)構(gòu)、供電、環(huán)控等)一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)機(jī)上物理資源的充分利用。

要實(shí)現(xiàn)上述要求，需采用的運(yùn)行架構(gòu)如圖1所示，即功能實(shí)現(xiàn)上的硬件模塊+總線運(yùn)行架構(gòu)；功能實(shí)現(xiàn)上的軟件模塊+軟件中間件(軟總線)運(yùn)行架構(gòu)；獨(dú)立于系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)監(jiān)控架構(gòu)(具有獨(dú)立的軟硬件系統(tǒng)，但不參與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn))。具體為：

圖1　一體化任務(wù)電子系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

1.3.1系統(tǒng)內(nèi)部資源優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計

一體化設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具有任意波形產(chǎn)生和自適應(yīng)發(fā)射能量控制、寬帶多模式接收、智能信息處理以及多通道多媒體智能人機(jī)交互等功能特征。

任意波形產(chǎn)生是指可以產(chǎn)生滿足探測、識別、干擾和通信多種需求發(fā)射信號波形，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號的多種用途復(fù)合使用，提高系統(tǒng)能量利用率和減少相互間的干擾。

自適應(yīng)發(fā)射能量控制是根據(jù)探測、識別、干擾和通信作用對象的相對空間位置，實(shí)施能量管理，一方面增加敵方偵察難度，另一方面減少系統(tǒng)內(nèi)部間的干擾。

寬帶多模式接收是指采用射頻數(shù)字化技術(shù)，將系統(tǒng)的射頻前端完全或經(jīng)過盡可能少的放大變頻后進(jìn)行數(shù)字采樣，實(shí)現(xiàn)射頻信號的數(shù)字化處理，滿足寬帶、任意波形、大動態(tài)接收處理的需求，實(shí)現(xiàn)天線共用和減少接收機(jī)數(shù)量。

智能信息處理技術(shù)包括信號處理和數(shù)據(jù)處理。在信號處理上通過信號特征識別，進(jìn)行多種預(yù)處理，依據(jù)預(yù)處理效果選擇最佳的處理方式，獲得對復(fù)雜幸好波形的最佳處理效果。在數(shù)據(jù)處理上依據(jù)目標(biāo)測量特征、運(yùn)動趨勢、與傳感器之間的相對位置等進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動趨勢預(yù)估，再將下一測量數(shù)據(jù)與預(yù)估值進(jìn)行匹配，不斷進(jìn)行運(yùn)動趨勢預(yù)估的調(diào)整，最終得到對目標(biāo)的精準(zhǔn)測量航跡。

多通道多媒體智能人機(jī)交互是指設(shè)計具有人工智能的可識別人體動作、表情、聲音的人機(jī)交互系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體的高效協(xié)同模式，滿足未來巨量數(shù)據(jù)下的作戰(zhàn)需求。

全覆蓋自診斷監(jiān)測功能用于實(shí)時在線診斷全系統(tǒng)軟硬件和監(jiān)測外部電磁環(huán)境，能夠直接顯示全系統(tǒng)功能、性能運(yùn)行狀況。硬件上通過研制專用檢測電路芯片監(jiān)測多路電流、電壓、信號，并具備通過總線與外部交互的能力；在軟件上可通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)或?qū)μ囟ǖ闹虚g輸出點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在健康管理計算機(jī)上通過專用監(jiān)測分析軟件進(jìn)行分析判斷，顯示軟件運(yùn)行狀況。自診斷監(jiān)測功能在天線收發(fā)環(huán)節(jié)要特別設(shè)計發(fā)射駐波測試、接收外信號源測試、外部干擾測試與分析等專用監(jiān)測功能，以覆蓋全部軟硬件和外部環(huán)境。自診斷監(jiān)測功能處理軟件應(yīng)在獨(dú)立的處理器上運(yùn)行，并通過系統(tǒng)軟硬件藍(lán)圖給出直觀顯示，同時給出錯誤信息文字提示和功能修復(fù)建議。

1.3.2與平臺的基本航電系統(tǒng)一體化設(shè)計

任務(wù)電子系統(tǒng)與平臺的基本航電系統(tǒng)一體化設(shè)計重點(diǎn)是導(dǎo)航和通信/數(shù)據(jù)鏈的一體化設(shè)計。

導(dǎo)航的一體化設(shè)計是對現(xiàn)有導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行綜合，然后任務(wù)電子系統(tǒng)與平臺共享導(dǎo)航信息。目前典型的機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、多模接收機(jī)、塔康機(jī)載設(shè)備、無線電羅盤、雷達(dá)高度表、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航等設(shè)備，這些設(shè)備由不同廠家研制，在機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)中基本處于獨(dú)立工作模式或簡單組合模式，穩(wěn)定性差且提供的姿態(tài)、航向精度偏低，不能滿足任務(wù)電子系統(tǒng)越來越高的探測和打擊精度要求。將現(xiàn)在獨(dú)立工作的導(dǎo)航設(shè)備和可能增加的新的導(dǎo)航設(shè)備按照系統(tǒng)功能線程、工作頻段、工作帶寬、工作體制、使用數(shù)量等對各導(dǎo)航傳感器按模塊+總線的架構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，在軟件上采用多導(dǎo)航源信息融合及故障診斷監(jiān)測技術(shù)提升系統(tǒng)導(dǎo)航能力，實(shí)現(xiàn)多導(dǎo)航源緊耦合的綜合導(dǎo)航。

機(jī)載通信/數(shù)據(jù)鏈功能需滿足飛行和任務(wù)電子系統(tǒng)兩方面需求，由于體系作戰(zhàn)的需要，機(jī)載通信/數(shù)據(jù)鏈的功能越來越強(qiáng)大，設(shè)備品種規(guī)格也不斷增加，在機(jī)上復(fù)雜電磁環(huán)境下的兼容工作壓力也越來越大，因此機(jī)載通信/數(shù)據(jù)鏈也應(yīng)在任務(wù)電子系統(tǒng)與基本航電系統(tǒng)間進(jìn)行。一體化設(shè)計。

1.3.3與平臺的支持系統(tǒng)的一體化設(shè)計

任務(wù)電子系統(tǒng)與平臺的支持系統(tǒng)(天線共形、安裝結(jié)構(gòu)、供電、環(huán)控等)的一體化設(shè)計需求，當(dāng)前在無人機(jī)領(lǐng)域表現(xiàn)的尤為緊迫。其在一體化設(shè)計的下一代任務(wù)電子系統(tǒng)上也是一個需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。如天線與平臺共形技術(shù)[6]、智能蒙皮技術(shù)[7]、分布式陣列天線技術(shù)[8]以及電子設(shè)備機(jī)架與機(jī)體一體化設(shè)計技術(shù)等。

2　扁平化設(shè)計架構(gòu)和矩陣式管理

一體化設(shè)計的核心是將傳統(tǒng)的系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、模塊四步設(shè)計變成系統(tǒng)到模塊兩步設(shè)計，也就是由系統(tǒng)設(shè)計直接定義模塊。綜合分析目前我國電子裝備研究單位的能力來看，由一個單位獨(dú)立完成下一代任務(wù)電子系統(tǒng)的一體化設(shè)計是不可能的。因此，建立由系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、模塊、元器件/原材料等人員組成的多專業(yè)聯(lián)合設(shè)計師團(tuán)隊，才是實(shí)現(xiàn)功能越來越多，能力越來越強(qiáng)，系統(tǒng)越來越復(fù)雜的集探測、偵察、識別、處理、協(xié)同、指揮、打擊等功能于一體的下一代任務(wù)電子系統(tǒng)一體化設(shè)計的必由之路。

由于我國目前電子裝備整機(jī)研制單位都是以雷達(dá)、識別、對抗、通信、導(dǎo)航等傳統(tǒng)專業(yè)建立的，這些專業(yè)研究所在自己的領(lǐng)域都形成一套行之有效的設(shè)計方法，但將這些專業(yè)人員結(jié)合在一起完成系統(tǒng)到模塊的直接設(shè)計，在技術(shù)責(zé)任的把關(guān)上存在很大難度。為解決這一難題，采取以下分層落實(shí)責(zé)任、反復(fù)迭代的設(shè)計管理模式。

如圖2所示，建立以總體、雷達(dá)、識別、對抗、光電、通信、指控、導(dǎo)航、綜合顯控等功能分系統(tǒng)為功能橫向主線設(shè)立責(zé)任承擔(dān)單位；以總體、天線、射頻前端、核心處理機(jī)、綜合顯控等為物理縱向主線設(shè)立承制責(zé)任單位；兩條主線通過功能和物理交叉構(gòu)成實(shí)現(xiàn)有機(jī)的系統(tǒng)整體，由功能分系統(tǒng)責(zé)任單位提出物理實(shí)現(xiàn)的需求，由總體、天線、射頻前端、核心處理機(jī)、綜合顯控等承制二級總體單位按照一體化思路進(jìn)行設(shè)計，然后在一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，再向功能分系統(tǒng)責(zé)任單位反饋設(shè)計方案并聽取改進(jìn)要求，多次反復(fù)迭代完成系統(tǒng)到模塊的設(shè)計。

圖2　功能和物理分系統(tǒng)交叉示意圖

3　結(jié)　語

在電子信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，雷達(dá)、光電、識別、對抗、通信、導(dǎo)航、指控等傳統(tǒng)專業(yè)在天線、電磁波的發(fā)射與接收、信號與數(shù)據(jù)處理、顯示與控制等硬件應(yīng)用上正逐步趨于同質(zhì)化，一體化設(shè)計的基礎(chǔ)越來越成熟。打破現(xiàn)有的按傳統(tǒng)專業(yè)按功能領(lǐng)域研制再進(jìn)行系統(tǒng)集成的機(jī)載電子信息系統(tǒng)研制模式，建立由系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、模塊、元器件/原材料等人員組成的多專業(yè)聯(lián)合設(shè)計師團(tuán)隊，采取統(tǒng)一設(shè)計、

模塊制造、綜合集成扁平化系統(tǒng)研制構(gòu)架并采取與之相適應(yīng)的系統(tǒng)、功能分系統(tǒng)、物理分系統(tǒng)矩陣式管理模式，將成為我國任務(wù)電子系統(tǒng)研制的新模式。具有一體化設(shè)計、數(shù)字射頻前端、智能化信號與數(shù)據(jù)處理、全覆蓋自診斷監(jiān)測、多通道多媒體智能人機(jī)交互等典型特征的任務(wù)電子系統(tǒng)必將是 下一代任務(wù)電子系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1]蒲小勃，現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)與綜合[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[2]林志遠(yuǎn)，劉剛.雷達(dá)-電子戰(zhàn)-通信的一體化[J].上海航天，2004(6).

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[8]殷英. 分布式陣列綜合研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

蔡愛華(1962—)，男，江蘇鹽城人，中國電子科技集團(tuán)公司首席專家，研究員級高工，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載電子信息系統(tǒng)；

E-mail：fqnust@sina.com

范強(qiáng)(1976—)，男，山東煙臺人，工學(xué)博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載電子信息系統(tǒng)總體技術(shù)。

General Design Consideration for Next Generation Airborne Mission Electronics System

CAI Ai-hua， FAN Qiang

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

First of all, the system capacity design，operating environment consideration and comprehensive use of resource are proposed to expound the viewpoint of integrated design for airborne mission electronics system. Then, the flat organization and matrix management are the required solutions according to the integrated design idea. At last, it is presented that the integrated design is the development direction of next generation airborne mission electronics system.

airborne mission electronics system；integrated design；matrix management

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.001

2016-01-09

2016-03-01