航空電子系統(tǒng)綜合技術的發(fā)展與模塊化趨勢

郝田義

摘 要：隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，航空電子系統(tǒng)綜合技術不斷進步與發(fā)展，本文將結(jié)合航空電子系統(tǒng)綜合技術及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展，探究綜合化及模塊化定義，分析綜合化系統(tǒng)及模塊化在大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的層次關系，最后提出綜合化系統(tǒng)發(fā)展的策略。

關鍵詞：航空電子系統(tǒng)；綜合技術；模塊化；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；趨勢

中圖分類號：V243 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0091-02

伴隨著航空電子系統(tǒng)綜合技術快速發(fā)展及進步，使得航空電子系統(tǒng)體積及重量不斷降低，將民航飛機的整體性能大大提高，減輕了飛行負擔。而信息技術在航空航天領域的應用，使得航空電子系統(tǒng)需求不斷提升，工作人員對信息有了越來越大的需求，為了全面了解飛行狀態(tài)及環(huán)境，就必須借助機載信息設備實現(xiàn)信息的實時收集及處理、傳輸?shù)?，下面對航空電子系統(tǒng)綜合技術發(fā)展過程及趨勢具體分析。

1 航電綜合技術與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展

1.1 航電綜合技術的發(fā)展

1.1.1 航電系統(tǒng)綜合的系統(tǒng)設計技術

對航空電子系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)選擇就是航電系統(tǒng)綜合系統(tǒng)設計，對系統(tǒng)操作流程進行分析；硬件及軟件功能分工；軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化；分配系統(tǒng)性能指標；選用子系統(tǒng)及設備。在設計階段，必須對系統(tǒng)的組成、功能及特點全面分析、了解，綜合研究采用互聯(lián)方法，從而實現(xiàn)航電綜合系統(tǒng)設計的最優(yōu)化。此外，系統(tǒng)設計人員還要對設計方法及系統(tǒng)仿真試驗方法改進，通過虛擬仿真提供性能及價格最適合的系統(tǒng)方案；通過仿真試驗及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題?？梢越梃b國外的相關經(jīng)驗及成果，比如，美國有半物理仿真實驗室，仿真結(jié)果幾乎與空中試飛結(jié)果一致。由此，系統(tǒng)設計是系統(tǒng)功能優(yōu)化的前提條件，將對系統(tǒng)使用效果及壽命有著決定作用，需要不斷優(yōu)化及改進設計方法，組建更為優(yōu)秀的設計團隊。

1.1.2 綜合核心處理系統(tǒng)（CIP）技術

在F-16聯(lián)合式航電系統(tǒng)中，需要指定一臺系統(tǒng)管理部件，完成系統(tǒng)運行調(diào)度、控制及總線管理，而綜合核心處理系統(tǒng)就是被指定的部件，發(fā)展到F-22以后，CIP中可以完成很多計算、處理、控制及管理功能，因為很多技術開始在CIP中匯集，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的綜合處理、完成任務計算、數(shù)據(jù)融合、導航計算等功能，還可以實現(xiàn)故障監(jiān)視及檢測等。

充分利用共用模塊、分布實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、并行處理多機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源的共享，將性能及可靠性大大改善，大大將機載處理能力及計算能力發(fā)展要求滿足。并在信息密集條件下，可以幫助駕駛員更好的完成任務管理、了解站場形勢。

1.1.3 系統(tǒng)軟件技術

系統(tǒng)硬件及軟件均是重要組成，缺一不可，尤其是系統(tǒng)軟件，其功能更加多樣，更為重要，主要體現(xiàn)在管理功能、調(diào)度及控制功能，這樣模塊才能形成一個整體。螺旋式軟件開發(fā)模型是一種新的軟件開發(fā)模型，螺旋式循環(huán)進行各階段開發(fā)工作，比如，初步設計階段對局部不滿意的地方修改，按照軟件要求，修改可以循環(huán)進行，直到達到滿意效果為止。為了使軟件成本降低，可盡量對成熟軟件使用。軟件模塊化環(huán)境當中，完成各種任務的應用程序及操作系統(tǒng)接口通過應用程序接口（API）實現(xiàn)，可以實現(xiàn)任務間相互調(diào)用。開發(fā)過程中，需要使用開發(fā)工具提供開發(fā)支持，創(chuàng)造優(yōu)化的開發(fā)環(huán)境，真正實現(xiàn)程序化。

1.1.4 綜合控制顯示記錄技術

人-機工效在航電系統(tǒng)綜合的規(guī)模不斷擴大下開始得到廣泛關注，促使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能開始出現(xiàn)新的變化，即從系統(tǒng)角度對控制器配置，通過使用公共控制器實現(xiàn)與飛行員的交流、聯(lián)系，進而將對全航空電子系統(tǒng)控制實現(xiàn)，由平視顯示器、多功能的顯示器共同提供顯示信息向飛行員，綜合顯示集中控制，對飛行員的各種命令集中響應與處理，向飛行員提供各種工作信息或者決策信息依據(jù)操作程序與系統(tǒng)運行狀況，進而將各種工作信息或者決策信息及時準確的提供給飛行員，將飛行員的工作負擔大大減輕。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

分立式結(jié)構(gòu)是第一代，有著各自的專用傳感器、處理器及顯示器對于雷達、通信及導航來說，連接以點對點的形式實現(xiàn)；聯(lián)合式結(jié)構(gòu)是第二代，形成資源共享在信息鏈路的最后環(huán)節(jié)，完成低帶寬數(shù)據(jù)傳輸及交換使用幾個數(shù)據(jù)處理器便可以完成，通過1553B總線交聯(lián)在各個單元之間，這是軍用飛機普遍采用的結(jié)構(gòu)；綜合式航空電子結(jié)構(gòu)是第三代，代表為F-22，這種結(jié)構(gòu)進一步將綜合化程度提高了，通過PI及TM總線互連各個模塊，并安裝在電母板上將各個模塊，交聯(lián)通過光纖高速總線完成；先進的綜合航電結(jié)構(gòu)是第四代，以攻擊機（JSF）為代表，在第三代基礎上使用了統(tǒng)一航空電子網(wǎng)絡是主要特點，并與傳感器綜合使用。具體原理是：確定一個傳輸樞紐，即光開關陣列模塊，可以對同一機架內(nèi)各個模塊交聯(lián)，通過光母板與機架間光纖，還可以連接傳感區(qū)域與座艙、外掛管理區(qū)域等，真正實現(xiàn)了綜合連接。這樣一來，信息傳輸時間達到同一量級對于不同的物理位置模塊間信息傳輸時間來說。

以上四個發(fā)展階段，系統(tǒng)功能日趨增多且變得日趨復雜化，綜合化程度逐步提升。系統(tǒng)各項功能通過多種共享資源模塊實現(xiàn)，不再區(qū)分系統(tǒng)界限，這與最初的分立式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成了鮮明對比。由此，在軟件系統(tǒng)設計研制中，需要對復雜任務進行考慮，對每一個細節(jié)進行優(yōu)化研究，從而將航空電子綜合系統(tǒng)總體研究水平提高。

2 綜合化與模塊化是不同層次及范疇的兩個內(nèi)容

2.1 航電綜合系統(tǒng)逐步朝向綜合化、通用化及模塊化方向發(fā)展

航電系統(tǒng)與軍用飛機的任務效能聯(lián)系日趨緊密，并且航電系統(tǒng)總成本增加，將不同軍機中航電系統(tǒng)使用的共性找到是當務之急，航電綜合系統(tǒng)發(fā)展的要求之一就是建立通用軟件、硬件應用標準。同時，機械計算能力的不斷提升，要求結(jié)構(gòu)框架提升密集信息操作能力。模塊化、通用化、綜合化的航電綜合系統(tǒng)逐漸成為民用航空電子系統(tǒng)及軍用航空電子系統(tǒng)的主力軍，能否均分費用負擔、處理快速變化的技術成為重要考驗。

2.2 模塊化發(fā)展，必然要對系統(tǒng)全局綜合考慮

2.2.1 綜合化是一個整體概念

航電系統(tǒng)的綜合是對所需功能充分考慮然后有效結(jié)合到一起的，通過最大限度應用現(xiàn)有資源，實現(xiàn)系統(tǒng)戰(zhàn)術、技術指標的一類功能，并不是簡單的物理組合，是作為一個“子系統(tǒng)”存在，每一個功能及性能均需要實現(xiàn)綜合優(yōu)化設計。綜合化的目的是將飛行使命任務完成，通過電子設備的使用、功能的相互支援，將相關電子設備構(gòu)成一個有機整體系統(tǒng)。構(gòu)成方法不同，所產(chǎn)生的系統(tǒng)性能及特點也會存在差異。其中，最為重要的因素是軟件，尤其是系統(tǒng)軟件，只有將系統(tǒng)軟件管理、調(diào)度及控制工作做好，才能控制系統(tǒng)、總線及任務，各個設備計模塊才能真正融合為一個整體結(jié)構(gòu)。

2.2.2 模塊化是綜合化物理基礎，跟隨綜合化發(fā)展

作為航電系統(tǒng)重要設計原則，綜合化及模塊化缺一不可，兩者也存在密切的關系。模塊分為硬模塊與軟件模塊，功能上是相互獨立的，同時也是一種先進的安裝及封裝形式。由此，模塊有著獨立的功能單元是非常重要的，可以將模塊間信息交聯(lián)情況減少。通過適當形式單元裝到機架中以后，模塊會成為功能更多樣的安裝單元，同時也是故障定位、外場更換的最小單元。軟件模塊也是如此。有此可見，航電系統(tǒng)綜合化高級特性不可缺少的物理基礎就是模塊，模塊化必須考慮以下幾方面內(nèi)容。

（1）不能脫離航電系統(tǒng)去研究模塊化；可以對模塊類型及數(shù)量互換；對模塊的設計及改裝共用；接口與支持。（2）達到某種程度的共用，使模塊通過某種標準化技術；將硬件標準化及軟件標準化實現(xiàn)，將非關鍵性效應減少。（3）對縮短開發(fā)時間并降低成本提供支持，對模塊通用程度與模塊集成度研究；研究如何能夠減少支持設備數(shù)量。（4）對航電系統(tǒng)可靠性提供支持。鑒于模塊間或者機箱內(nèi)部板間接口較多，通常用幾百個電氣連接，為保證設備運行可靠，需要對設備進行測試，但是模塊間隔離問題促使測試問題變得更加復雜，對航電系統(tǒng)可靠性造成威脅。由元器件的集成構(gòu)成模塊化技術，既可以對系統(tǒng)體積及重量減少提供支持，還能對可靠性的提高提供支持。

3 模塊化合綜合技術共同存在，才能實現(xiàn)系統(tǒng)高度綜合

3.1 綜合化及模塊化具備不同層次技術的前提及內(nèi)涵

3.1.1 “本機航電系統(tǒng)層”作用及關鍵技術

通過一系列航電綜合技術將本機相關航電系統(tǒng)綜合起來是“本機航電系統(tǒng)層”的主要功能，可以由此將可檢、可測、可維的綜合系統(tǒng)構(gòu)成，對本機綜合作戰(zhàn)效能的提高提供支持。研究的關鍵技術包含以下幾種：綜合信息傳輸系統(tǒng)及電子數(shù)字網(wǎng)絡、新一代航空電子系統(tǒng)綜合與仿真技術；機載射頻傳感器綜合技術；多傳感信息融合技術及高分辨率三維成像技術等，通過這些技術可以實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)，也可以為通過其他平臺合成數(shù)據(jù)交戰(zhàn)提供高速路、抗干擾的數(shù)據(jù)鏈，獲取共享多機之間的戰(zhàn)術資源。

3.1.2 “本機綜合核心處理層”關鍵技術

作為“本機航電系統(tǒng)層”的核心部分，“本機綜合核心處理層”包含的關鍵技術為軟、硬模塊化技術、并行處理技術及總線接口技術等，通這些技術可以綜合處理傳感器信號及數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。需要對冷卻方式及安裝形式改變，從而逐漸朝向開放型、統(tǒng)一型網(wǎng)絡接口發(fā)展。

3.2 模塊及設備簡單組合難以做到真正綜合

簡單的組合模塊及設備，難以實現(xiàn)真正綜合，需要進行綜合技術的深化，包括實現(xiàn)“任務-數(shù)據(jù)-信號”的綜合、“傳感器射頻”和“光電”的綜合、多平臺信息綜合等。

4 結(jié)語

總之，當前航電系統(tǒng)朝向綜合化、模塊化方向發(fā)展，這是我國航電綜合系統(tǒng)進步及發(fā)展的重要基礎，需要始終將模塊化作為實現(xiàn)綜合化的技術手段，將綜合化作為全局，不斷對綜合化及模塊化面臨的技術難題進行攻關，同時，需要不斷轉(zhuǎn)變航電綜合系統(tǒng)研究戰(zhàn)略，從借鑒、學習、模仿轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新、跨越式發(fā)展，并且要做好專業(yè)分工、加強各專業(yè)間的聯(lián)合，從而真正打造國際化水平的航空電子系統(tǒng)。

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