基于能力的航空電子系統飛行試驗設計*

李 靖，張興國，李 拓

(中國飛行試驗研究院， 西安 710089)

0 引言

近幾年，為滿足航空武器裝備的國防需求，解決裝備驗證試驗條件偏向友好、靜態，試驗結果實戰意義不強等問題，針對航空電子系統飛行試驗提出了實戰化考核要求。按照業界基本共識，需貼近實戰，以裝備的作戰使命為牽引，開展作戰任務分析，將作戰任務需求逐級分解轉化為裝備的試驗需求，實現對待檢驗裝備的能力驗證考核。

但在飛行試驗工程實踐中，由于實際作戰環境、過程、戰術極其復雜，作戰態勢千變萬化，僅僅依托自頂向下的作戰任務分析開展需求分析，存在思維發散、難以聚焦、深度不夠的現實問題；另外，由于航空電子系統功能邏輯復雜，如何開展有效、全面、深入的裝備工作特性分析也缺乏統一、系統的指導方法，過于依賴試驗人員的工程經驗與專業知識。

文中從“試驗”本質出發，提出以自底向上裝備工作特性分析、自頂向下裝備作戰運用分析兩條主線為牽引的航空裝備飛行試驗設計思路，并從系統工程角度闡述具體的方法及步驟，以指導基于能力的航空電子系統性能試驗設計開展。

1 基于能力的裝備性能試驗設計

試驗的本質就是通過給定、控制被試系統輸入(試驗條件或稱試驗變量X)，通過測試相應參數觀察被試系統的響應(應變量Y)，從而對被試系統的功能、性能進行評估的過程。而飛行試驗就是在真實飛行環境下，對航空裝備進行評估的過程，屬于開放環境下的真實飛行，尤其對于雷達、電子戰、通信、導航等分系統，除人為設置試驗變量外，還存在氣象環境(雨衰、大氣環境)、地理環境(海雜波、地雜波、遮擋效應)、背景電磁環境(民用設備無意干擾、自然環境干擾、己方裝備電磁干擾)等環境變量。必須強調，對于任何系統，系統在環境中生存，系統與環境交換信息和能量，環境影響系統工作，環境時時都在變化。因此，環境變量的正確辨識與描述至關重要。另外，設備之間的工況交聯邏輯也是影響試驗結果的重要變量。

但考慮試驗周期、經費、安全、可行性等原因，試驗不可能覆蓋所有的試驗條件，因此，對于復雜系統的驗證，試驗設計的難點在于確定充分且必要(典型)的X以及X量值。

達到上述目標，需解決以下問題：

a)確定哪些變量是實際可能遭遇的；初步建立疑似試驗條件。

b)確定哪些變量對響應Y影響最大；對疑似試驗條件進行確認。

c)確定有影響且可遭遇的變量X設置在何處，可使Y接近于期望的額定值；探索X與Y之間的應變關系。

d)確定有影響的X設置在何處，Y的變異性最小；探索X與Y之間的應變關系。

e)確定有影響的X設置在何處，可使不可控變量Z影響最小。

f)確定多X之間的交互效應；探索多X之間的耦合關系。

基于能力的裝備性能試驗要求從作戰使用出發對系統進行驗證，可從以下方向出發解決上述問題：

a)研究裝備的工作特性：不管哪一類型的X，要探索其與Y之間的關系模型，都可以歸為到工作機理分析的范疇。一般情況下，利用系統的基本工作原理，可以輕易的識別部分X(例如，距離對于無線電通信的影響，目標RCS對于雷達的影響)，但完整、正確、深入的了解被試對象才是試驗設計的基礎和關鍵。

b)研究裝備的作戰運用：不了解被試對象的作戰運用，就很難了解被試對象的應用場景及系統間耦合關系，進行試驗變量分析，就有可能遺漏重要的X或導致設計的X在作戰運用層不合理或不典型，偏離工程應用。

上述兩項工作可融會貫通：一方面以被試對象工作特性作為基礎，進行自底向上設計；一方面以作戰運用分析為手段，進行自頂向下分析，通過兩條主線的上、下牽引，最終確定實際所需的X。以無線電高度表為例，基于雷達測距原理，當在丘陵、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等不規則地形上空飛行時，下方地形反射系數的起伏、多徑等均可能對測高過程產生影響，而上述地形均為作戰飛機典型的作戰地理環境，飛行時就必須予以考慮。

能力驗證試驗設計的示意見圖1。

圖1 基于能力的性能試驗設計示意圖

2 基于系統工程的裝備工作特性分析

航空裝備是一個大系統，系統具有層次性原則，在系統多層次結構中，高層次支配著低層次，并決定系統的性質，低層次支撐著高層次，根據系統層次性原則，在驗證低層次設備時，既要站在高層次的角度了解事物所處的環境和關系，還要走近事物觀察細節信息。

因此，裝備工作特性分析，需建立“完整被試對象”的概念及系統工程理念：對任何對象或問題進行分析，視角不同時，獲取的信息差異也大相徑庭，所謂“完整被試對象”，主旨就是強調要從多層視角觀察被試對象，不再將被試對象限定于最低層次的具體設備。例如，針對雷達系統的驗證，當以裝備整體視角分析被試對象時，被試對象可以是“配裝在作戰飛機上的雷達系統”，作戰平臺作為被試對象的承載平臺也將對雷達性能帶來不同的影響因素(例如天線孔徑布局)。研究以“先整體、后局部”順序開展，也可以“先局部后整體”，但研究工作應包括以下幾個方面：

a)正確定義系統的邊界范圍；以不同視角開展研究，首先要正確定義“系統”的邊界，系統邊界以外均可以視為環境。當將“雷達和載機平臺”視為一個大系統時，環境就是系統之外的所有范圍；而當觀察對位為雷達本體時，載機平臺也是雷達重要的載體環境。

b)建立“完整被試對象”的概念及系統研究理念：研究強調系統觀點，既要站在高層次的角度了解系統所處的環境和關系，還要走近系統觀察細節信息，從高層次的角度即自上向下看待系統。研究時，首先注意大系統與環境相互作用；其次關注下層子系統如何綜合完成系統目標；最后關心單獨組件/設備，系統的層級描述見圖2所示，在所有相關功能關系中應從層級角度關注大系統、子系統、組件。

圖2 系統的層級描述

c)一般來講，航電武器裝備驗證層級包括3層：系統所在的航空電子系統與平臺組成的大系統、系統航空電子系統、子系統，這3個層級不可或缺，相互補充，通過3個層級分析，才能掌握被試對象的內部機理和外部特性。對航電武器系統的觀察視角可以分解為：

1)以“外部視角”觀察，研究對象為“包含作戰飛機在內的大系統”,分析應著重研究：①裝備作戰所處的典型環境，包括典型電磁環境、典型地理環境、典型氣象環境、典型作戰對象環境等，以高原直升機為例，其所配裝的航空電子系統驗證必須要考慮高原地理環境及氣象環境特點；②平臺與系統相互作用所產生的新屬性，對于以射頻系統為主的航空電子系統，尤其要注意裝機后天線孔徑布局，因為天線孔徑布局直接影響機體遮擋程度、天線隔離度以及方向圖畸變程度(尤其在高機動飛行條件下)；③體系接口：信息化作戰中體系接口越來越重要，體系接口包含通信接口以及保障接口。

2)以“系統視角”觀察，研究對象為“分系統及其交聯子系統”, 分析應著重研究：①系統之間的接口關系，接口關系應包含功能邏輯接口關系以及信息傳遞接口關系。②全機電磁頻譜分布，由于航電系統大部分為射頻系統或基于射頻系統工作，試驗前需要了解全機系統電磁頻譜分布圖，有助于掌握射頻設備之間的頻譜資源的使用、競爭及潛在沖突。③裝機環境：裝機環境對航電系統工作影響較大。裝機環境一般包括載機飛行環境、振動環境以及機內電磁環境、載機飛行包線限制條件等。航電系統必須適應平臺所營造使用環境，例如殲擊機除正常穩定飛行外，作戰中還會進行橫滾、盤旋、筋斗等各類垂直或水平機動，如果裝備效能下降，則需要評估降級程度。

3)研究對象為“子系統本體”。在這個層次，以內部視角觀察子系統，目的在于觀察系統細節信息。分系統是構建整體的基礎，該視角側重各分系統工作特性、機理及分系統內部接口關系，包括：①系統的工作特性及主要機理。以通信系統為例，首先要研究對應頻段電波傳播特性，因為不同頻段電磁波信道特性差異較大，試驗需系統分析被試對象與環境如何進行能量交換并相互影響。②天線的技術特性，包括其極化方式、波束寬度、尺寸、天線方向圖等，例如，窄波束雷達可以提高功率密度，從而提高角度分辨率。③系統各功能模式的技術原理及其技術局限性，包括不同功能模式或狀態的定義，工作流程，設計邏輯，人機交互關系。④系統靈敏度、增益、帶寬等典型技術指標。⑤系統內部接口關系，以指令/響應邏輯以及數據傳遞接口分析。

對裝備工作特性3個視角分析示意圖詳見圖3、圖4、圖5。

圖3 外部視角觀察被試對象，研究對象為“包含作戰飛機在內的大系統”

圖4 系統視角觀察被試對象，研究對象為“分系統及其交聯子系統”

圖5 內部視角觀察被試對象，研究對象為“子系統本體”

3 結論

文中從“試驗”的內涵出發，論述基于能力的裝備性能試驗在工程實踐中存在的主要問題，提出以自底向上的裝備工作特性分析、自頂向下的裝備作戰運用研究兩條主線為牽引的航空裝備飛行試驗設計思路，從系統工程角度闡述了裝備工作特性分析的3個視角及其具體方法，建立了“完整被試對象”的概念，具有很好的工程指導意義。