航空電子系統綜合技術的發展與模塊化趨勢

郝田義

摘 要：隨著我國經濟發展水平的不斷提高，航空電子系統綜合技術不斷進步與發展，本文將結合航空電子系統綜合技術及系統結構發展，探究綜合化及模塊化定義，分析綜合化系統及模塊化在大系統結構中的層次關系，最后提出綜合化系統發展的策略。

關鍵詞：航空電子系統；綜合技術；模塊化；系統結構；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綜合技術快速發展及進步，使得航空電子系統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及環境，就必須借助機載信息設備實現信息的實時收集及處理、傳輸等，下面對航空電子系統綜合技術發展過程及趨勢具體分析。

1 航電綜合技術與系統結構發展

1.1 航電綜合技術的發展

1.1.1 航電系統綜合的系統設計技術

對航空電子系統綜合結構選擇就是航電系統綜合系統設計，對系統操作流程進行分析；硬件及軟件功能分工；軟件系統結構設計優化；分配系統性能指標；選用子系統及設備。在設計階段，必須對系統的組成、功能及特點全面分析、了解，綜合研究采用互聯方法，從而實現航電綜合系統設計的最優化。此外，系統設計人員還要對設計方法及系統仿真試驗方法改進，通過虛擬仿真提供性能及價格最適合的系統方案；通過仿真試驗及時發現系統存在的問題。可以借鑒國外的相關經驗及成果，比如，美國有半物理仿真實驗室，仿真結果幾乎與空中試飛結果一致。由此，系統設計是系統功能優化的前提條件，將對系統使用效果及壽命有著決定作用，需要不斷優化及改進設計方法，組建更為優秀的設計團隊。

1.1.2 綜合核心處理系統（CIP）技術

在F-16聯合式航電系統中，需要指定一臺系統管理部件，完成系統運行調度、控制及總線管理，而綜合核心處理系統就是被指定的部件，發展到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，可以實現對數據的綜合處理、完成任務計算、數據融合、導航計算等功能，還可以實現故障監視及檢測等。

充分利用共用模塊、分布實時操作系統的結構特征、并行處理多機系統能夠實現資源的共享，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 系統軟件技術

系統硬件及軟件均是重要組成，缺一不可，尤其是系統軟件，其功能更加多樣，更為重要，主要體現在管理功能、調度及控制功能，這樣模塊才能形成一個整體。螺旋式軟件開發模型是一種新的軟件開發模型，螺旋式循環進行各階段開發工作，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。軟件模塊化環境當中，完成各種任務的應用程序及操作系統接口通過應用程序接口（API）實現，可以實現任務間相互調用。開發過程中，需要使用開發工具提供開發支持，創造優化的開發環境，真正實現程序化。

1.1.4 綜合控制顯示記錄技術

人-機工效在航電系統綜合的規模不斷擴大下開始得到廣泛關注，促使系統結構功能開始出現新的變化，即從系統角度對控制器配置，通過使用公共控制器實現與飛行員的交流、聯系，進而將對全航空電子系統控制實現，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操作程序與系統運行狀況，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 系統結構的發展

分立式結構是第一代，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；聯合式結構是第二代，形成資源共享在信息鏈路的最后環節，完成低帶寬數據傳輸及交換使用幾個數據處理器便可以完成，通過1553B總線交聯在各個單元之間，這是軍用飛機普遍采用的結構；綜合式航空電子結構是第三代，代表為F-22，這種結構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，交聯通過光纖高速總線完成；先進的綜合航電結構是第四代，以攻擊機（JSF）為代表，在第三代基礎上使用了統一航空電子網絡是主要特點，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，可以對同一機架內各個模塊交聯，通過光母板與機架間光纖，還可以連接傳感區域與座艙、外掛管理區域等，真正實現了綜合連接。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。

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

2 綜合化與模塊化是不同層次及范疇的兩個內容

2.1 航電綜合系統逐步朝向綜合化、通用化及模塊化方向發展

航電系統與軍用飛機的任務效能聯系日趨緊密，并且航電系統總成本增加，將不同軍機中航電系統使用的共性找到是當務之急，航電綜合系統發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，要求結構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逐漸成為民用航空電子系統及軍用航空電子系統的主力軍，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 模塊化發展，必然要對系統全局綜合考慮

2.2.1 綜合化是一個整體概念

航電系統的綜合是對所需功能充分考慮然后有效結合到一起的，通過最大限度應用現有資源，實現系統戰術、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”存在，每一個功能及性能均需要實現綜合優化設計。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，將相關電子設備構成一個有機整體系統。構成方法不同，所產生的系統性能及特點也會存在差異。其中，最為重要的因素是軟件，尤其是系統軟件，只有將系統軟件管理、調度及控制工作做好，才能控制系統、總線及任務，各個設備計模塊才能真正融合為一個整體結構。

2.2.2 模塊化是綜合化物理基礎，跟隨綜合化發展

作為航電系統重要設計原則，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容。

（1）不能脫離航電系統去研究模塊化；可以對模塊類型及數量互換；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，將非關鍵性效應減少。（3）對縮短開發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量。（4）對航電系統可靠性提供支持。鑒于模塊間或者機箱內部板間接口較多，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，對航電系統可靠性造成威脅。由元器件的集成構成模塊化技術，既可以對系統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，才能實現系統高度綜合

3.1 綜合化及模塊化具備不同層次技術的前提及內涵

3.1.1 “本機航電系統層”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綜合起來是“本機航電系統層”的主要功能，可以由此將可檢、可測、可維的綜合系統構成，對本機綜合作戰效能的提高提供支持。研究的關鍵技術包含以下幾種：綜合信息傳輸系統及電子數字網絡、新一代航空電子系統綜合與仿真技術；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協同作戰，也可以為通過其他平臺合成數據交戰提供高速路、抗干擾的數據鏈，獲取共享多機之間的戰術資源。

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據，還能實現數據融合。需要對冷卻方式及安裝形式改變，從而逐漸朝向開放型、統一型網絡接口發展。

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，難以實現真正綜合，需要進行綜合技術的深化，包括實現“任務-數據-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 結語

總之，當前航電系統朝向綜合化、模塊化方向發展，這是我國航電綜合系統進步及發展的重要基礎，需要始終將模塊化作為實現綜合化的技術手段，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，需要不斷轉變航電綜合系統研究戰略，從借鑒、學習、模仿轉變為創新、跨越式發展，并且要做好專業分工、加強各專業間的聯合，從而真正打造國際化水平的航空電子系統。

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