新一代軍用飛機航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢與發(fā)展現(xiàn)狀

王慶偉

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

在21世紀信息化條件下的高技術戰(zhàn)爭中，要獲得戰(zhàn)役和戰(zhàn)術上的主動權，很大程度上取決于能否取得制空權，制空權的關鍵是戰(zhàn)斗機的功能和性能。

航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的重要組成部分，其性能和技術水平不僅直接決定和影響著現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)性能，也成為先進戰(zhàn)機的重要標志。沒有高性能和高技術水平的航空電子系統(tǒng)就不可能有高作戰(zhàn)效能的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機。航空電子系統(tǒng)領域不斷擴大，從傳統(tǒng)的顯示、導航、火控擴展到飛控、機電、燃油、液壓等系統(tǒng)。

第四代戰(zhàn)機的開發(fā)和研制恰逢20世紀末電子信息技術飛速發(fā)展，其高度綜合化的航空電子結構以美國提出的基于“寶石臺”聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（F-35）為代表，主要特點是：傳統(tǒng)的雷達、通信、導航、敵我識別及電子戰(zhàn)等航空功能，從硬件設備角度已經很難劃分，整個航空電子系統(tǒng)采用統(tǒng)一的航空電子網絡，將數(shù)字化、模塊化、標準化的工作從信息處理、信號處理逐步推向射頻前端及天線孔徑，把系統(tǒng)的綜合推進到了傳感器層面，多傳感器信息融合技術的應用，極大的提高了航空電子系統(tǒng)的性能。

1 航空電子系統(tǒng)的分層結構

航空電子系統(tǒng)分為6個層次（見圖1），即：

第一層：海陸空天的體系對抗

第二層：戰(zhàn)斗單元之間的通信與協(xié)同

第三層：戰(zhàn)斗單元內部功能區(qū)的綜合

第四層：功能區(qū)內部各模塊之間的深層次綜合

第五層：電路級/軟件模塊級設計

圖1 航空電子系統(tǒng)的分層結構

第六層：芯片級/代碼級設計

航空電子系統(tǒng)不僅要面向自身發(fā)展的要求 （第三、四、五、六層），向適應多種飛機平臺、高度綜合化、模塊化、開放式航空電子系統(tǒng)方向發(fā)展，而且要面向未來系統(tǒng)環(huán)境的要求，滿足機間多平臺協(xié)同作戰(zhàn)要求和海、陸、空、天多平臺組網要求（第一、二層），向網絡化、信息化方向發(fā)展。

2 航空電子系統(tǒng)的概念與發(fā)展歷程

2.1 航空電子系統(tǒng)的概念

航空電子系統(tǒng)指安裝在飛機上或懸掛在飛機上的所有電子和機電系統(tǒng)及子系統(tǒng)（含硬件和軟件）。包括完成任務所需的傳感器、信號與數(shù)據(jù)處理與管理、顯示器等一系列子系統(tǒng)的綜合，子系統(tǒng)諸如：通信導航識別、慣性導航、顯示與控制、任務管理、雷達、電子戰(zhàn)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。

航空電子系統(tǒng)涉及到通信、導航、識別、飛行管理、大氣數(shù)據(jù)、雷達與光電探測、電子戰(zhàn)、火力控制、任務管理、顯示控制和系統(tǒng)軟件等功能設備或功能模塊，其成本通常占飛機成本的40%-70%。

航空電子系統(tǒng)可分為通用航空電子系統(tǒng)和任務航空電子系統(tǒng)兩部分。前者是飛機為完成正常飛行任務所必須裝備的電子系統(tǒng)。包括無線電通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)。后者是飛機為完成某種特定任務而裝備的電子系統(tǒng),包括火力控制系統(tǒng)、偵察監(jiān)視系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)。

2.2 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展歷程

航空電子系統(tǒng)在其發(fā)展過程中經歷了四個發(fā)展階段（見圖 2）：

*獨立式航空電子系統(tǒng)

*聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)

*綜合式航空電子系統(tǒng)

*先進綜合式航空電子系統(tǒng)

圖2 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展歷程

獨立式航空電子系統(tǒng)（見圖3）的主要特點是：

*各功能設備從天線、射頻、綜合處理、信息處理到顯示控制各部分自成體系，完全獨立存在，由多個LRU，構成一個完成特定功能的設備；

*在座艙中每種功能都有相應的顯示控制單元，獨立實現(xiàn)對特定功能的顯示和控制；

聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)（見圖4）的主要特點是：

*采用時分多路總線，實現(xiàn)綜合顯示與控制；

圖3 獨立式航空電子系統(tǒng)基本框圖

圖4 聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)基本框圖

*各功能設備從天線、射頻、信號處理到信息處理還基本上是獨立存在，由一個或多個LRU（外場可更換單元）及共用的綜合顯示控制器一起完成特定的功能；

*采用航電分系統(tǒng)方式，使得部分信息處理在分系統(tǒng)層次共享處理器；

*可進行統(tǒng)一的信息調度和系統(tǒng)管理，有一定的擴展能力和重構能力；

*在一定程度上解決了戰(zhàn)斗機設備和座艙體積重量的矛盾、減輕飛行員負荷。

綜合式航空電子系統(tǒng)（見圖5）的主要特點是：

*以通用綜合處理器實現(xiàn)航電系統(tǒng)的信號/信息處理功能；

*在通用處理器中，以LRM（外場可更換模塊）代替LRU；

*采用光纖總線為主的多條總線；

*實現(xiàn)共用模塊、容錯和重構；

*系統(tǒng)互連向高速網絡化發(fā)展，使用星型拓撲結構的高速光纖、點對點光纖鏈路級1553B等多種傳輸手段。

圖5 綜合式航空電子系統(tǒng)基本框圖

先進綜合式航空電子系統(tǒng)（見圖6）的主要特點是：

*將通用數(shù)字系統(tǒng)綜合的思路應用到射頻綜合，射頻模塊化、標準化；

*共享天線孔徑；

*采用統(tǒng)一網絡數(shù)據(jù)傳輸；

*傳感器信息融合；

*強調可負擔得起、開放式系統(tǒng)結構、可變規(guī)模能力、商用貨架產品技術；

*BIT和故障隔離的標準模塊。

3 航空電子系統(tǒng)發(fā)展的關鍵技術與發(fā)展趨勢

3.1 航空電子系統(tǒng)發(fā)展的關鍵技術

航空電子系統(tǒng)發(fā)展主要涉及以下關鍵技術：

*航電系統(tǒng)綜合設計技術的發(fā)展

*綜合核心處理系統(tǒng)技術

*系統(tǒng)軟件技術

*總線技術

*綜合控制顯示技術

*數(shù)據(jù)融合技術

*機載傳感器綜合技術

*隱身技術

*低成本設計技術

*可靠性及可用性設計技術

3.2 航空電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1）開放式、模塊化、綜合化是航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向，是提高航空電子系統(tǒng)經濟可承受性和可用性的重要手段；

圖6 先進綜合式航空電子系統(tǒng)基本框圖

2）航空電子系統(tǒng)受以下三大需求驅動力的影響：

*任務性能

*操作性能

*全壽命成本

3）受到技術發(fā)展的推動，主要包括兩個方面的推動：

*微電子、計算機、軟件和光通信

*機載設備的發(fā)展

4）功能向數(shù)字化方向發(fā)展，終端盡可能智能化、數(shù)字化，實現(xiàn)應用功能的模擬方法被數(shù)字方法替代。

5）組成向模塊化發(fā)展

*允許通用系統(tǒng)設計和軟硬件元件可用于不同的飛機平臺；

*允許增量式修改，減少修改帶來的影響和成本；

*采用現(xiàn)場可更換模塊LRM，可以減少維護和后備支持成本；

*范圍越來越廣（從核心到外圍）、粒度越來越細（從板子到MCM）、種類越來越少。

6）系統(tǒng)結構向綜合化方向發(fā)展

*共享資源

*共享信息

*更有效的功能綜合

*在性能改進的同時減少體積、重量、功耗和成本

7）功能實現(xiàn)軟件化

8）網絡傳輸手段統(tǒng)一化

9）根據(jù)信息戰(zhàn)的總體布局和網絡中心的需求，航電系統(tǒng)將實現(xiàn)網格化。在航電系統(tǒng)結構中，將分布在飛機各處的各種終端、處理機等智能化實體當做網格上的節(jié)點。節(jié)點負責信息的采集、存儲、處理、應用等不同任務。由系統(tǒng)管理軟件負責配合所需節(jié)點上的軟硬件資源，調度運行操作的模式，啟動應用功能的應用軟件實現(xiàn)算法，監(jiān)督系統(tǒng)的健康狀態(tài)，處理各種故障，實現(xiàn)系統(tǒng)重構。

4 新一代航空電子系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 F-22戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)

F－22戰(zhàn)斗機航空電子體系結構（見圖7）具有如下特點：

1）通過數(shù)據(jù)總線進行信息傳送。

2）采用模塊化結構實現(xiàn)結構的簡化和資源共享。

3）通過傳感器數(shù)據(jù)融合獲取更豐富、準確、質量更高的目標信息。

4）座艙采用“一平六下”顯示體制，所有作戰(zhàn)信息通過平顯和多功能顯示器顯示，為飛行員提供關鍵的飛行及作戰(zhàn)信息。

5）通過機內自檢（BIT）和系統(tǒng)重構，使系統(tǒng)具有容錯能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維修性。

F－22戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)的主要設備包括：

1）通信/導航/識別系統(tǒng)：采用綜合化通信導航識別系統(tǒng)，用標準化的方法把外場可更換模塊劃分為數(shù)量少、資源共享、可重構的通用模塊類型，這些模塊類型分為射頻組、信號處理組和數(shù)據(jù)處理組，在軟件的控制下可實時完成通信、導航、識別等各種功能。

2） AN／APG－77雷達：AN／APG－77固態(tài)有源電子相控陣雷達是F－22綜合多傳感器航空電子系統(tǒng)的一部分，該雷達的設計以多功能、多工作方式、多目標搜索和跟蹤能力來體現(xiàn)“先敵發(fā)現(xiàn)，先敵命中”的作戰(zhàn)原則。

3）電子戰(zhàn)系統(tǒng)：F－22的電子戰(zhàn)系統(tǒng)包括由BAE系統(tǒng)公司研制的 AN／ALR－94無源接收機和 AN／ALE－52對抗投放器，以及洛克希德·馬丁公司的AN／AAR－56導彈發(fā)射探測器。

4）飛行數(shù)據(jù)鏈（IFDL）：飛行數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用窄的筆形波束抗截獲，把幾架F－22的傳感器連接起來，進一步減少雷達發(fā)射信號。

5）慣性導航系統(tǒng)：前機頭內裝有LN－100F環(huán)形激光陀螺。該裝置采用單獨的數(shù)據(jù)總線，以確保提供獨立的參考數(shù)據(jù)。

6）通用綜合處理器（CIP）：該通用綜合處理器通過光纖數(shù)據(jù)總線與航空電子系統(tǒng)相連接，堪稱F－22航空電子系統(tǒng)的“大腦”。

圖7 F-22戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)體系結構

7）座艙顯示系統(tǒng)：由1個平視顯示器和6個下視顯示器組成。平視顯示器為視場20°×30°的廣角全息平視顯示器，下視顯示器包括1個203 mm×203 mm的主多功能顯示器、3個159mm×159mm輔助多功能顯示器和兩個76 mm×102mm的小型前上方多功能顯示器。

4.2 F-35戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)

F-35航空電子系統(tǒng)是根據(jù)微電子技術的發(fā)展成就，基于“寶石臺”結構的技術論證發(fā)展起來的，是為適應2005年以后戰(zhàn)斗機技術指標而研制的高度綜合化航空電子體系結構。在系統(tǒng)結構上的特點是模塊化、綜合化、采用統(tǒng)一互連網絡和開放式系統(tǒng)結構。

F-35戰(zhàn)斗機的航空電子系統(tǒng)硬件組成包括雷達、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、通信導航與識別（CNI）系統(tǒng)、光電傳感器、核心處理機、座艙人機界面等部分，由統(tǒng)一互連網絡聯(lián)系在一起；在F-22航電系統(tǒng)基礎上將系統(tǒng)綜合的思路進一步應用到射頻綜合上，使射頻部分也具有模塊化和可重構特點，從硬件的角度已經很難區(qū)分通信、雷達、電子戰(zhàn)設備的不同，他們是通過通用模塊、采取加注不同的軟件實現(xiàn)不同功能的。采用統(tǒng)一航空電子互連網絡（UAN），代替F-22數(shù)量眾多的總線（高度光纖總線、點到點光纖鏈路、1553B總線等），使系統(tǒng)構型更加簡潔，提高了信息傳輸速度、可靠性和系統(tǒng)的容錯重構能力。

F-35戰(zhàn)斗機通過采用開放式系統(tǒng)結構以及大量采用民用貨架產品使系統(tǒng)成本大大降低。實現(xiàn)了傳感器綜合，實現(xiàn)了射頻模塊的標準化和模塊化，實現(xiàn)了天線共用。由于采用開放式系統(tǒng)結構，在更換一些部件或增加新的部件時，不需要改動系統(tǒng)其他部分的軟件和硬件。這種航空電子系統(tǒng)結構將功能分配在公共模塊上，功能的增加和去除則利用置入和去除軟件模塊實現(xiàn)，功能間資源共享，具有容錯特性，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

F-35戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)（見圖8）的主要設備包括：

1）綜合核心處理器（ICP）

ICP是一套能夠每秒運行400億次計算的并行計算機系統(tǒng)，負責傳感器、通信、電子戰(zhàn)、制導、控制等任務的數(shù)字式處理方式。使用水銀計算機公司的RACE++系列多計算機系統(tǒng)。

2）AN/APG-81有源相控陣雷達

在F-22所用的AN/APG－77雷達基礎上發(fā)展而來，滿足美國軍方可支付性、高殺傷性、高生存力、高保障性的要求。采用開放式結構，制造和維修簡單，便于未來升級；T/R模塊采用雙封裝制，系統(tǒng)預期壽命與飛機初始壽命相同。

3）統(tǒng)一互連網絡（UAN）

采用統(tǒng)一互連網絡，支持航電系統(tǒng)提高綜合水平和性能。

4）CNI

CNI系統(tǒng)包括VHF/UHF電臺、Have Quick I/II、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、敵我識別應答機（IFF/SIF）、儀表著陸系統(tǒng)（ILS）、微波著陸系統(tǒng)（MLS）、艦上自動著陸系統(tǒng)（ACLS）、塔康（TACAN）、機間飛行數(shù)據(jù)鏈（IFDL）、Link16/JTIDS、Link4A、戰(zhàn)術數(shù)據(jù)信息鏈（TADIL-K）、3-D聲頻和自動相關監(jiān)視-廣播（ADS-B）系統(tǒng)。

5）數(shù)字式綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)

提供全向雷達告警能力，支持對各種外部輻射源的分析，并對其進行識別、跟蹤、工作模式確定以及測量其主波束到達角，提供威脅感知和攻擊目標定位，對輻射源的主波束進行截獲和跟蹤，對超視距輻射源進行識別、定位和測距，對輻射源的信號進行測量，具有多譜對抗和電子戰(zhàn)系統(tǒng)管理能力。

6）光電瞄準系統(tǒng)（EOTS）

基于“狙擊手”XL吊艙研制，能夠對地面目標提供遠距離的目標探測、識別和精確指示，以及空對空威脅提供遠距離的探測，具有高分辨率成像、自動跟蹤、紅外搜索與跟蹤、激光目標指示及測距以及激光點跟蹤能力，提供有源和無源測距。

圖8 F-35戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)體系結構

7）分布式孔徑系統(tǒng)（DAS）

由分布在機身各處的6部固定位置、具有百萬像素的凝視紅外焦平面陣列探測器的紅外攝像機組成，為飛行員提供圍繞飛機機身的全景視野。提供FLIR導航、導彈告警和紅外搜索與跟蹤（IRST）功能。

8）座艙顯示系統(tǒng)：

用HMD代替平時顯示器 （HUD），采用由兩臺203mm×254mm彩色液晶顯示器拼接而成的多功能液晶全景顯示座艙（PCD），帶有一臺76mm×76mm有源矩陣液晶備份顯示器。

4.3 新一代航空電子系統(tǒng)設計的主要特征

1）功能區(qū)的概念：將系統(tǒng)劃分為傳感器管理區(qū)、任務管理區(qū)、飛機管理區(qū)即三個功能區(qū)。

2）高度模塊化：在物理結構上由許多通用模塊和一些專門設計的外場可更換模塊(LRM)組成。通用模塊由VHSIC芯片組成，包括完成接口控制和故障診斷等功能的數(shù)字處理電路。利用通用模塊可開發(fā)系統(tǒng)或子系統(tǒng)，即利用通用模塊可組合構成任一功能的航空電子子系統(tǒng)。

3）采用高速數(shù)據(jù)總線：高速數(shù)據(jù)總線(HSDB)是實現(xiàn)系統(tǒng)高速大容量數(shù)據(jù)傳輸、容錯、重構和資源共享的關鍵。

4）采用高度綜合的座艙顯示系統(tǒng)：高度綜合的座艙顯示系統(tǒng)可為飛行員提供關鍵的飛行及作戰(zhàn)信息，顯著降低飛行員的工作負擔。

5）系統(tǒng)容錯和重構：系統(tǒng)容錯和實時動態(tài)重構技術是新一代綜合航空電子系統(tǒng)必不可少的關鍵技術。航電系統(tǒng)通過資源共享、功能區(qū)劃分和采用模塊化結構，實現(xiàn)了高度的實時動態(tài)重構，較好地解決了航空電子系統(tǒng)在性能、可用性、成本之間的矛盾。

6）用Ada語言編寫任務軟件：在航電系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中廣泛采用Ada語言，開發(fā)可重用的通用軟件，是提高軟件生產效率、降低開發(fā)成本、提高軟件可靠性的重要措施。

5 結語

長期以來，我國軍用飛機的設計重點集中在改善飛機的飛行品質等方面，對航空電子系統(tǒng)的發(fā)展重視不足，航電系統(tǒng)的發(fā)展主要采用型號牽引模式，基礎研究少，技術產業(yè)化比率低，先期研制經費投入不足，一直采取跟蹤發(fā)展模式，缺乏冒險精神，缺乏自主創(chuàng)新，這些問題都大大制約了我國軍用航空電子技術的發(fā)展。隨著微電子技術的發(fā)展，西方軍事大國不斷更新設計理念，提高航空電子系統(tǒng)的重視程度，加強先期研究投入。我國在未來的航空電子系統(tǒng)研究中，不僅要研究先進的設計經驗，更要研究其發(fā)展和管理經驗，加強基礎研究重視程度，在發(fā)展道路上從跟蹤轉變?yōu)橐I，從未來戰(zhàn)場環(huán)境需求出發(fā)，建設適合我國未來作戰(zhàn)環(huán)境的軍用航空電子系統(tǒng)，這對我國國防安全、航空工業(yè)乃至國民經濟將產生重要影響。