教練機航電系統發展趨勢分析

喻懷仁

（洪都航空工業集團，南昌 330024）

0 引言

1 系統概述

綜合航空電子系統（以下簡稱航電系統）與飛機平臺、機載武器是教練機提高作戰效能、性能的三大要素。航電范疇為完成飛行和作戰任務所需的各種機載電子設備和研究范圍。航電系統應能實現通訊、導航、識別、探測、火控、飛控、電子戰和空中交通管理等功能，即為完成上述功能所有的機載電子設備和系統統稱為航電系統[1]。航電系統包括下述設備：綜合顯示和控制、無線電通訊、無線電導航、慣導、大氣數據計算機、雷達、光/電探測器、外掛管理、目標識別、偵察監視、數據鏈通訊、電子戰、火力控制等設備。

航電系統采用系統工程的方法，以信息理論及先進電子技術為基礎，把航電系統的各功能設備，通過系統軟件和數據總線或網絡等技術，在信息、數據、信號和傳感器方面綜合成有機的整體，達到系統資源的高度共享和最佳的整體效能，以實現飛機的作戰效能與性能、可使用性、保障性和壽命周期費用的平衡。

隨著數字技術、微電子技術的迅速發展，航電設備的性能日趨完善，它對軍用飛機戰斗力和壽命周期成本均產生了很大的影響，因此研究和掌握綜合航電系統對現代和未來戰爭具有重要和深遠意義。

1.1 航電系統的發展

國外研究航電綜合技術、經歷四個階段，圖1為航電系統的發展過程。

第一代稱為分立式航電系統[2]（40～50年代），每一功能模塊都有獨立的專用傳感器、處理器和顯示器，以點對點的方式連接。即雷達、通信、導航，各自具有專用的傳感器、處理器和顯示器，并通過點對點的連線連接。

第二代稱為聯合式航電系統[2]（60～70年代），資源共享只在信息鏈的后端控制與顯示部分；使用幾個數據處理器完成低帶寬的數據傳輸交換功能，如導航，武器投放、外掛管理、顯示、控制等，各單元之間通過1553B總線交聯。

一是水安全的基礎性及關聯性。水是人類、動植物、土地和生態等絕大部分自然資源中普遍存在的資源，其不僅是生命的構成要素，而且是整個生態系統的維持要素，其與多種自然資源具有高度的相關性，與環境、生態緊密相關，其自身之間也存在廣泛的關聯性。

第三代航電系統稱為綜合式航電系統[2]（80～90年代），綜合化程度進一步提高，系統共享的綜合核心處理器(ICP)以外場可更換模塊(LRM)的形式安裝于兩個以上的綜合機架中，高速總線連接幾個機架和系統共享的大容量存貯器，傳感器和座艙控制顯示器通過點對點光纖連接到綜合機架的相應LRM，其它如飛機通用設備管理、飛控、外掛管理等通過1553B總線互連并連接到綜合機架。

第四代航電系統稱為先進的綜合航電系統（2000～），在第三代的基礎上采用了整個航電系統的統一航電網絡并推進了傳感器系統綜合。在實現天線孔徑的綜合時，統一考慮所覆蓋頻段的分配，A／D變換盡量向前端推移，使用標準的共用模塊進行信號處理和數據處理，內部使用開關網絡進行信息傳輸，實現了容錯、重構能力，降低了成本、體積和重量，同時又提高了性能。

1.2 教練機航電系統

國際上目前在役的主戰飛機大都是三代戰斗機或三代半戰斗機，典型的代表包括美國的F-16/18，歐洲的幻影、狂風、陣風和臺風，俄羅斯的MIG33/35和SU-27/35/37,他們采用的都是第三代航電系統框架，普遍具有以下特點：

1)以MIL-STD-1553B多路傳輸總線網絡，構成一個綜合集中分布式的計算機網絡系統；

2)綜合顯示／控制，良好的人機界面；

3)按子系統／LRU綜合，分布計算，信息共享，集中控制；

4)系統具有較高的任務可靠性、良好的維修性和較強的生存力；

美國的F-22于2001年11月開始交付，其航電系統已基本達到第四代航電水平，但由于經費問題，美國的主要精力仍著手于F-35的研制[3]。目前由洛克希德·馬丁公司生產的F-35 STOVL(短距起飛垂直降落)已經于2000年10月完成首飛。這些都標志著美國戰斗機航電系統水平已經領先世界其他國家，完成了三代航電向四代航電過渡的工程[4]。圖2和圖3分別為F-22和F-35航電系統結構示意。

1.3 第四代航電系統發展的趨勢

航電系統所占的比例不斷增加，20世紀80年代航電系統成本占飛機出廠成本的30%，而在全部航電系統成本中，傳感器部分 （包括射頻和光電）占63%，如果從孔徑和支持電子角度劃分，孔徑和支持電子部分分別占航電總費用的30%和38%。經濟可承受性是當今各國空軍面臨的普遍問題，為此提出了開放式系統結構方案，美國空軍的PAVE PACE計劃研究表明，采用綜合射頻傳感器系統能夠將射頻電子部分的成本和重量減少多達50%。

20世紀70年代以前的軍用飛機中采用模擬式電子系統，航電系統的重量占飛機總重量的比例不斷增加。隨著電子技術的發展和數字式航電系統的廣泛應用，70年代以后軍用飛機航電設備的重量占飛機總重量的百分比呈不斷下降趨勢。

未來戰斗機功能越來越復雜，因此軟件的規模也在成倍增加。例如，F-22的軟件大約有190萬行代碼。由于F-22是空中優勢戰斗機，主要執行對空作戰，而F-35除了對空作戰外還要執行對地攻擊任務。另外F-35還要滿足三軍的不同需要，因此其軟件設計便復雜了很多，F-35的軟件規模大約是F-22的2倍多[5]。同時，由于商用微電子技術的飛速發展，為適應任務需要，機載計算機的處理能力也在不斷提高。表1為F-22與F-35航電系統對比。

未來戰斗機必須是一種“買得起、用得起”的飛機，因此必須采用新的軟件設計思想與方法以降低軟件的設計費用和維護費。

1.4 第四代航電系統特點

第四代航電系統的綜合化程度進一步提高。為降低成本，在功能不斷強大的發展趨勢下，高度綜合化的設計是第四代航電系統的必要手段，將射頻和光電設備的通用模塊盡量綜合，僅保留傳感器前端，即孔徑綜合。將大量的數據處理模塊集中于綜合核心處理機中，實現統一調度管理，實現數據融合。

開放式系統，是解決可負擔得起問題的一個重要技術方法。采用開放式系統可提高系統可移植性（允許重用），可伸縮性(允許系統擴充和升級)和互操作性（保證系統部件協調工作），有利于引入COTS,開放系統方式是解決新技術的注入、縮短采購周期、解決原器件停產、取得長期支持能力的技術途徑。

模塊化系統，可有效降低產品全壽命周期的成本；可實現通用系統設計和軟/硬件并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；有利于系統和模塊的升級換代；現場可更換模塊LRM可以減低維護和后勤支持成本。

圖2 F-22航電系統結構示意

圖3 F-35航電系統結構示意

表1 F-22與F-35航電系統對比

2 下一代航電系統發展趨勢

一種由無人機智能控制領域引入的新型的航電系統概念研究，正在不斷發展，智能化的航電系統逐漸進入研究人員視野。

在復雜不確定的環境中，當今的無人機一旦缺乏人的控制與干預，往往不能順利完成任務。針對以上狀況，很自然提出這樣一個問題，即如何最大程度地給無人機賦予智能，實現其自主飛行控制、決策、管理及健康診斷和自修復，從而在某些領域取代有人駕駛飛機的作用。于是，自主控制（Autonomous Control）的概念被提上了日程。自主控制意味著能在線感知形勢，并按確定的使命、原則在飛行中進行決策并自主執行任務。

自主控制系統是一個系統階次高、子系統相互關聯，系統評價目標多且相互矛盾的復雜大系統，是多個學科的交叉，如果不加規劃的盲目進行設計，最后可能導致系統的不完善甚至失敗[6]。采用智能系統的架構，把綜合航電與決策控制系統的每一個子系統看作一個獨立的智能Agent。子系統可以由一個或多個智能Agent組成，Agent有自己的推理、執行機構，并具有知識運用能力和學習能力。綜合航電與決策控制系統是由多個協作Agent組成的復雜智能系統。由于各子系統運行環境及其功能配置可能存在耦合關系，因此，系統設計時將采用專家系統設計思想，實現統一的基于任務的系統配置管理，以適應任務變化、環境狀態變化、及其它飛行條件變化情況的飛機管理。

2.1 智能Agent的結構

盡管各Agent子系統的功能、運行要求各不相同，但其抽象結構一般包括：接口模塊、推理機、執行器、學習機、知識庫和數據庫。其中，知識庫和數據庫在整個系統中是統一的。圖4為Agent結構示意。

接口模塊有兩個功能，一個是負責分析主控子系統的調度指令，觸發推理機工作；另一個是發出服務請求或服務響應情況的消息。接口模塊不負責系統間的數據交換。推理機負責Agent內部的任務規劃和決策，為執行器提供執行方式、執行方法的決策指令。執行器負責任務的實施。學習機負責對任務執行的條件、數據、方法、過程、結果、以及知識運用情況等評估，以完善知識庫。數據庫存貯了系統及各Agent的任務信息、任務執行條件信息、任務執行結果信息、以及子系統間的交換信息。知識庫存貯了系統所需的各種知識，包括規則、模型、方法、以及系統調度運行中的過程知識，等等。

圖 4 Agent結構

2.2 系統調度原理

管理與調度子系統負責各功能子系統的調度，其調度流程是：功能子系統按照數據庫中任務和要求自主執行，期間，如果需要其它子系統的配合，發出服務請求消息；管理與調度子系統接收到請求信息后，對請求事件進行分析，并分析與相關子系統的關系，并按照功能組織要求對相關子系統發出服務響應指令，在此之前，完成與之配套的系統配置；各相關子系統完成服務響應后，發出服務響應完成消息；服務請求發出的子系統接收到服務完成消息后，從數據庫或功能緩存中獲取結果信息，繼續執行自己的任務。圖5為系統調度流程。

圖5 系統調度流程

在上述流程中，服務請求是一個規范的、可能是復雜的過程，其組織執行有嚴格流程（執行模型），需要預先定義，并存貯在知識庫中。

2.3 系統信息融合策略

自主控制綜合導航系統具有以下幾個特點：一是系統中的子系統有主、輔之分，當某個或某幾個子系統工作不正常時，導航系統要能保證提供載體所需的基本工作能力或系統進行重構實現新的組合形式，以提高系統的可靠性；二是綜合導航系統不是幾個子系統簡單的數量組合，而是對系統間的信息進行某種最優準則下的信息融合以獲得更高的導航性能；三是系統要易于實現，結構靈活，能滿足不同用途的要求。圖6為組合導航信息融合策略。

圖6 組合導航信息融合策略

根據信息互補性原理，利用各個子系統的工作特性和輸出的信息分別組成聯合卡爾曼濾波器。這里卡爾曼濾波技術本身不是問題的解，還應考慮多種約束條件和優先權，如量測信息、估計精度、計算速度、算法的魯棒性等。

3 結語

目前，航電系統的研究已經日趨成熟，對于教練機航電系統智能化的研究仍在探索中，如何在自主控制的智能化航電系統研究中取得突破性的進展和工程上的應用，正是我們航電系統專業的努力方向。

[1]飛機設計手冊總編委會.飛機設計手冊第17分冊：航空電子系統及儀表 [M].北京：航空工業出版社，2001.

[2]霍曼,鄧中衛.國外軍用飛機航空電子系統發展趨勢[J].航空電子技術，2004.10.

[3]羅巧云.美國F-22“猛禽”戰斗機綜合化航空電子系統概述[J].電訊技術，2002.4.

[4]羅巧云，高勇強.美軍第四代戰斗機F-35“聯合攻擊戰斗機”最卓越的航空電子系統[J].電子科學技術評論，2005.8.

[5]F-35 JET FightersTo Take Integrated AvionicsToaWholeLevel[J].Military&Aerospace Electronics，2003.12.

[6]羅志強.航空電子綜合化系統 [M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.