面向新一代通用教練機航空電子系統綜合化技術

王國慶

（中國航空工業第六一五研究所，上海 200233）

0 引言

隨著新一代戰機任務、功能和性能快速的增長和提升，如何發展新一代教練機滿足新一代戰機任務訓練的需求越來越受到當前世界四代機需求國家極大地關注。特別是以F-35為代表的第四代戰機的出現，針對高度綜合化航空電子系統，構建面向四代機綜合化航空電子系統教練機已成為新一代教練機研究的重要方向。由于四代機綜合化航空電子系統是基于任務合成、信息融合和結構化綜合，如何讓飛行員感受和掌握飛機基于應用空間的任務合成效能，基于信息空間的信息融合品質和基于能力空間的結構化綜合能力，實現任務組織與決策，信息組織與合成，系統組織與管理是四代機教練機研究的主要內容。

已知教練機按飛機訓練方式分類為通用教練機和同型教練機。通用教練機一般采用通用飛行平臺構建通用飛機任務管理系統，其主要目標是訓練飛行員態勢感知、任務組織、功能處理和系統管理的能力，主要是面向飛機的作戰任務能力的培訓；同型教練機一般采用同型雙座飛機構建同一飛機飛行操縱平臺，其主要目標是訓練飛行員飛行操縱、飛行載荷、超音速巡航和飛行品質等能力，主要是面向飛機的飛行管理能力的培訓。

本文是針對四代機作戰任務和目標需求，針對四代機綜合化復雜航空電子系統架構，通過構建通用教練機平臺，研究面向通用教練機培訓和訓練目標的綜合化航空電子系統組織和技術，支持飛行員四代機綜合化航空電子系統的任務、功能和系統能力的培訓和訓練。

1 航空電子系統綜合技術

航空電子系統綜合化技術是增強飛機任務能力、提升系統效能、降低系統成本的重要途徑。針對新一代飛機任務能力不斷提升的需求，航空電子系統組成日趨復雜。綜合化技術是面向航空電子系統發展呈現復雜系統特征而快速發展起來的。對于日趨復雜性系統，首先，系統規模越來越大，涉及的信息越來越寬，從而對資源能力和配置需求急劇增加；第二，由于系統專業組織面越來越多，技術構成越來越雜，過程組織不唯一、活動與行為不確定，從而導致系統過程組織與操作活動效能大幅度降低；第三，系統功能種類增多、系統狀態不透明、活動交聯關系不明確、從而導致系統有效性無法保證等現象。這種資源需求急劇增大,操作效能大幅度降低、系統有效性無法保證的現象對航空電子系統發展形成了嚴峻的挑戰。

航空電子系統綜合化是系統一體化思維最優化過程。航空電子系統綜合化的目標是針對航空電子系統的復雜性特征，通過采用系統綜合化技術，實現系統應用效能的最大化、系統專業組合協同的最優化、系統資源組織配置的最小化、系統功能處理效率的最大化和系統運行有效性最大化目標。

已知系統構成一般分為：系統應用組織、信息組織和能力組織。系統的應用組織是依據系統應用需求和目標，確定系統任務組織和應用收益；系統信息組織是依據系統功能組織和處理方式，確定系統處理品質和結果性能；系統能力組織是依據系統構成元素和操作模式，確定系統的組成能力和有效性。因此，針對航空電子系統的目標，根據系統構成分類，航空電子系統綜合劃分為三大空間：應用空間、信息空間和能力空間。通過系統應用空間綜合，實現應用任務行為、組織和目標的合成，形成系統應用最大應用效能和應用最優效果；通過系統信息空間綜合，實現系統處理信息品質的融合，形成系統不同目標、環境、狀態下系統最佳信息品質、最大信息能力、最高信息有效性；通過系統能力空間綜合，實現系統操作能力的綜合，形成最大資源利用率 （最小的資源配置），最大的處理效率，最高的結果置信度。因此，航空電子系統綜合化模式化描述為：

F（綜合化目標）=f（f1（應用效能），f2（處理性能），f3（系統能力））

其中：

f1（應用效能）=g1（應用效果，任務效能，結果置信度）

f2（處理性能）=g2（輸入品質，過程品質，結果性能）

f2（系統能力）=g2（資源能力，處理效率，結果有效性）

針對航空電子系統綜合化空間和要求，根據航空電子系統的構成與特征，航空電子綜合化實施技術途徑為（如圖1所示）。

1)面向系統應用目標的系統任務的效果、效能和置信度能力綜合—任務合成技術 （Mission Synthesis）；

2)面向系統任務組織的系統信息的輸入數據品質、處理過程品質和功能結果品質能力綜合—信息融合技術（Information Fusion）；

3)面向系統處理結構的系統資源能力、處理效率、結果有效性能力的綜合—結構化綜合技術（Structural Integration）。

系統任務合成是基于系統應用的感知、組織、優化和管理綜合技術。系統任務合成根據航空電子系統應用任務目標需求，構建基于任務應用合成的任務管理、任務模式和決策組織的合成；根據航空電子系統應用任務管理的需求，構建基于任務能力合成的任務計劃、任務評估和任務能力的合成；根據航空電子系統應用任務組織的需求，構建基于任務態勢合成的態勢感知、態勢識別和態勢推測的合成。系統任務合成有效提升了系統應用任務和目標響應、能力優化和組織、結果效能與有效性，實現了航空電子系統應用組織、系統感知、系統決策能力的效能、效率和有效性。

系統信息融合是基于系統信息能力、成分和重要性融合的綜合技術。系統信息融合根據航空電子系統任務的功能架構和品質需求，構建基于系統功能信息能力的系統功能目標、品質和基線的信息融合；根據系統處理要素組織的能力需求，構建基于系統要素信息能力的邏輯要素目標、品質和基線的融合；根據系統傳感器配置的能力需求，構建基于系統傳感器目標、品質和基線的融合。系統信息融合是基于系統信息能力、成分和重要性融合的綜合技術，系統信息融合有效地提升系統處理過程的信息能力、品質和有效性，實現了航空電子系統信息的能力組織、品質改進和結果有效性。

結構化綜合是基于系統資源能力、處理過程和系統狀態的綜合技術。結構化綜合根據系統資源使用模式和能力需求，構建基于系統資源組織、操作、共享綜合；根據系統處理效率和能力需求，構建基于系統處理模式的功能構件、復用和共享的功能綜合；根據系統可靠性和能力需求，構建基于系統管理模式的任務/故障、功能/錯誤、資源/缺陷管理的綜合。結構化綜合是面向系統自身能力組織和管理，有效提升了系統的能力、效能和有效性，是系統能力組織、處理效率、結構有效性的保障。

圖1 現代航空電子系統綜合技術構架

2 新一代通用教練機任務合成技術

針對四代機任務合成的組織與能力，新一代教練機航空電子系統采用相關的任務架構和任務合成技術，構建基于系統使命任務、任務組織和態勢感知的合成，支持系統任務合成的組織和能力。新一代教練機系統任務合成技術主要分為（如圖2所示）：

1)基于系統任務能力的信息感知、識別和推測的合成；

2)基于系統任務目標的任務能力、評估和計劃的合成；

3)基于系統任務應用的任務決策、組織和管理的合成。

圖2 航空電子系統任務合成構架

系統任務合成是面向系統應用任務能力、組織、決策、管理組織優化技術。系統任務合成技術是針對航空電子系統應用需求，根據系統當前的能力支撐，依據系統當前的信息品質，通過系統態勢感知，形成系統的支撐能力；通過系統任務組織，形成系統目標能力；通過系統使命合成，形成系統應用效能。系統態勢感知是基于任務使命的需求，獲取與任務使命相關的功能信息，識別與任務使命相關的支撐目標，形成與任務使命相關支持能力任務使命態勢感知能力合成。系統任務合成綜合化主要目標和任務為：首先，針對飛機的飛行任務模式，合成飛機的態勢感知狀態，合成飛機當前系統態勢，即面向飛行員的綜合顯示（按照重要度優先級合成視景）；合成飛機當前預警態勢，即飛行威脅態勢、環境威脅態勢和任務告警態勢合成；合成飛機當前任務組織態勢，即飛機當前任務目標、任務環境和任務狀態合成。第二，針對飛機任務模式能力的需求，合成基于不同專業目標的任務能力。即基于單項任務的目標能力、專業和結果；針對飛機任務組織需求，通過飛機單項任務的效果合成，支持飛機使命任務組織，確定飛機使命任務目標能力，形成飛機使命任務目標組織合成；針對飛機使命目標需求，依據當前任務模式能力，合成飛機各種任務效果的組織合成，構建面向使命任務的計劃組織，形成飛機使命任務目標的任務計劃合成。第三，針對飛機使命任務組織需求，通過系統任務組織和優化，構建系統使命任務決策組織，即基于任務態勢的飛機任務優化、基于使命效果的任務優化和基于飛行員指令（合成視景）的任務優化合成；針對飛機任務決策，合成飛機當前任務決策環境和狀態，形成飛機任務組織決策能力和品質提升，即任務能力決策、任務功能決策和任務結果決策合成。

新一代教練機系統任務合成技術是航空電子系統態勢感知、任務組織和使命合成的綜合技術，是基于系統環境、任務狀態和系統能力組織的綜合技術。首先，通用教練機航電系統應根據四代機任務使命的需求，構建系統態勢感知能力。即通過任務使命態勢感知能力合成，獲取與任務使命相關的功能信息；通過任務使命態勢識別能力合成，識別與任務使命相關的支撐目標；通過任務使命態勢推測能力合成，形成與任務使命相關支持能力。第二，通用教練機航電系統應根據四代機任務組織合成的需求，構建支撐系統應用活動的任務組織。即通過任務專業模式，依據應用專業的相關性，根據任務組織計劃，形成基于系統專業能力模式合成；通過系統能力模式組織，依據系統能力狀態，根據任務組織優化，形成基于系統能力模式組織合成；通過系統管理模式組織，依據系統管理需求，根據系統狀態組織，形成基于系統狀態管理模式合成。第三，通用教練機航電系統應根據四代使命組織合成的需求，構建支撐系統作戰活動的任務組織。即通過面向任務使命系統狀態管理，依據任務使命需求，針對系統當前狀態，形成支撐任務使命的系統狀態管理合成；通過面向任務使命組織管理，依據任務使命需求，針對當前任務狀態，形成支撐任務使命的任務組織管理合成；通過面向任務使命顯示組織管理，依據任務使命需求，針對當前狀態和任務，形成支撐任務使命的系統顯示管理合成。

3 新一代通用教練機信息融合技術

針對四代機信息融合的組織與能力，新一代教練機航空電子系統采用相關的信息架構與信息融合技術，構建基于系統功能結果目標、要素處理組織和傳感器數據狀態的輸入、處理和結果信息品質和性能的組織與保障，支持系統信息融合的組織和能力。新一代教練機系統信息融合技術主要分為 （如圖3所示）：

1)基于系統輸入傳感器數據信息的融合；

2)基于系統獨立處理過程元素信息的融合；

3)基于系統獨立功能結果信息的融合。

圖3 航空電子系統信息融合構架

系統信息融合技術的目標是根據系統任務環境與品質的需求，針對系統輸入基線品質基線、過程處理元素品質基線和功能結果品質基線要求，通過信息的非對稱信息冗余組織，針對確定信息提升的目標，降低信息缺陷的影響，提高信息支撐能力，增強信息活動效率，降低信息重疊與沖突，提升信息的品質。因此，基于系統信息能力、品質和有效性的信息融合主要任務為：根據系統任務能力組織需求，針對功能結果能力和功能結果品質與性能基線要求，依據多元專業功能結果品質和性能差異性冗余配置，解決功能信息缺陷問題，提升功能結果品質能力和有效性，滿足面向任務能力目標需求；根據系統功能處理過程需求，針對功能處理過程元素組織結構和元素品質與性能基線要求，依據系統內外品質和性能元素差異性冗余配置，解決元素品質和性能與基線要求的差異，實現功能過程的信息相關處理與優化，提升處理品質和性能，滿足功能處理品質和性能要求；根據系統當前傳感器性能和輸入數據品質，針對系統輸入數據品質與性能基線的要求，依據傳感器資源性能和冗余能力，同時或交替使用不同傳感器輸入和工作方式，實現傳感器參數能力和性能的互補融合，提升輸入信息品質。

新一代教練機系統信息融合技術是航空電子系統信息組織與管理過程綜合化技術，是針對系統信息架構和組織和不同層級信息架構基線的要求，面向系統信息品質、性能和有效性信息融合組織。已知信息融合的目標是根據信息組成的內在特征和因素的差異性冗余，依據相關關系與相關規則，加強信息特征因素，增強信息的有效因素，抑制信息的錯誤因素，排除信息的噪聲影響，提升信息有效性。信息融合綜合技術主要突出以下幾個方面：首先，通用教練機航電系統應根據四代機系統輸入信息的組成，構建系統輸入信息性能和能力的品質基線。即通過系統信息獲取特征，形成面向系統應用布局與組織傳感器分區，優化傳感能力與信息組織，實現基于傳感器信息獲取與組織的數據融合，減少非完整、非關鍵、非正常信息的能量，提升獲取有效信息的效能；第二，通用教練機航電系統應根據四代機系統處理信息的組成，構建系統元素和外部信息處理基線。即通過系統處理元素信息能力與效能組織，形成處理元素信息融合與提升有效性信息效能，減少干擾信息和非正常信息的影響，提升系統處理過程有效性的能力；第三，通用教練機航電系統應根據四代機系統功能能力的組成，構建系統功能目標和品質能力基線。即通過系統功能構架結果信息組織，形成基于系統差異性功能之間權衡的信息融合，減少系統獨立功能信息有效性的缺陷，提升系統功能區域和能力的信息聚合能力；第四，通用教練機航電系統應根據四代機系統任務目標的組成，構建系統任務目標和品質基線。通過系統狀態的分解與結構，形成系統當前任務狀態、功能狀態和資源狀態有效性的信息組織，實現面向任務過程、功能過程和資源過程使用、監控和需求的信息融合，提升系統任務組織、功能組織和資源組織的可用性。

4 新一代通用教練機結構化綜合技術

針對四代機系統能力的組織與結構，新一代教練機航空電子系統采用相關的系統結構組織和綜合技術，構建基于系統資源配置結構、功能處理結構和系統管理結構的系統內部能力、效率和有效性組織與管理的綜合，支持系統結構化的綜合和能力。系統結構化綜合技術主要分為（如圖4所示）：

1)基于系統資源結構組織的物理綜合；

2)基于系統功能結構組織的功能綜合；

3)基于系統管理結構組織的管理綜合。

圖4 航空電子系統結構化綜合化構架

系統結構綜合化主要目標和任務是：首先通過系統資源平臺結構組織，形成面向通用過程的平臺的資源綜合，實現資源共享，減少資源閑置時間，提高資源利用率，提升資源使用效率，降低資源配置需求；其次通過系統功能架構組織，形成面向過程平臺的功能綜合，采用功能獨立和標準方式，建立面向應用任務的功能規范組織，實現功能結果共享和功能過程復用，降低系統重復活動，減少功能處理結果專用現象，實現功能結果的共享，提高系統處理效率，提升系統處理能力和有效性；同時通過系統統一狀態管理組織，根據系統當前任務、功能和資源需求，依據系統不同任務狀態與能力、功能狀態與能力、資源狀態與能力，通過系統任務構建、功能組織、資源配置，形成系統分類組織的狀態管理，提供當前系統具備的支撐能力，并依據任務故障、功能錯誤和資源缺陷狀態，實現基于狀態監控的任務、功能、資源有機組織，實現系統狀態有效性組織，減少環境與狀態變化對系統影響，提升系統有效性。

新一代教練機綜合技術是通過構建航空電子系統結構化組織，實現系統資源、功能和管理的綜合。首先，通用教練機航電系統應根據四代機系統資源類型與組成，構建系統資源能力和組織結構。即通過建立功能分區、系統分級、資源分類，形成系統能力優化組合，實現系統區域與系統資源優化配置、能力優化組合，提升區域與系統能力，降低區域與系統能力配置與復雜性；第二，通用教練機航電系統應根據四代機系統功能類型與組成，構建系統功能處理方式和組織結構。即通過建立資源平臺、功能平臺和系統平臺，支持基于資源共享的物理綜合、基于結果共享的功能綜合和提升系統有效性的管理綜合；第三，通用教練機航電系統應根據四代機系統環境的組成，構建系統環境狀態和組織結構。即根據航空電子系統中各子系統和核心處理平臺建立的綜合化組織架構，通過物理綜合，提升資源共享率，降低資源需求；通過功能綜合，提升功能結果共享和過程復用率，提升處理效率；通過管理綜合，提升系統有效性，增強系統能力。

5 結語

面向新一代四代機教練機是目前新一代教練機熱點研究領域。美國的F-22和F-35均放棄發展同型雙座機，美空軍目前用F-15和F-16的雙座解決訓練問題，準備通過T-X項目解決雙座三代機退役后四代機飛行員培養這一棘手問題。本文通過對四代機綜合化航空電子系統技術和構成的分析，通過基于通用教練機的平臺，構建與四代機綜合化航空電子系統相適應的任務合成、信息融合和結構化綜合環境，深入研究通用教練機航電系統綜合化技術，為構建面向四代機綜合化航空電子系統通用教練機航空電子系統研究奠定基礎。

[1]Moir,Ian,Allan Seabridge,2003,Civil Avionics Systems,AIAA Education Series.

[2]Al-Nayeem,A.,M.Sun,X.Qiu,L.Sha,S.P.Miller,D.D.Cofer,Dec 2009,A Formal Architecture Pattern for Real-Time Distributed Systems,Proceedings of IEEEReal-Time Systems Symposium,pp.161-170.

[3]RTCA Inc.,2005,Integrated Modular Avionics(IMA) Development Guidance and Certification Considerations,Washington,DC,RTCA Inc.Chapter 4.2.10.

[4]Olivier,Baud,Gomord Pierre,2004,Multi Sensor Data Fusion Architectures for Air Traffic Control Applications,Haptic,Audio and Visual Environments and Their Applications

[5]Airlines Electronic Engineering Committee,Oct.2003,Avionics Application Software Standard Interface,ARINC Specification 653-1,Annapolis,Aeronautical Radio Inc.