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综合航空电子系统的现状与发展
2007年02月24日 星期六 10:17 A.M.
综合航空电子亦称航空电子，其英文“avionics”是由“aviation(航空)”和“electronics(电子学)”两词相结合，而派生出来的。自二次世界大战后的几十年来，美国、德国、法国、英国、前苏联(俄罗斯)先后开展航空电子系统技术的研究，航空电子已经成为一门独立的学科。随着数字技术、微电子技术的迅速发展，航空电子设备的性能日趋完善，它对军用飞机战斗力和寿命周期成本均产生了很大的影响，因此研究和掌握综合航空电子系统对现代和未来战争具有重要和深远意义。
一、航空电子系统的发展过程
航空电子设备走过了漫长的发展道路，经历了几次大的变革，每一次变革都使飞机的性能获得提高，并且进一步推动航空电子技术的发展。在航空电子系统发展中系统结构不断演变，因此航空电子系统的“结构”成为划时代的主要依据。
早期的航空电子系统为分立式结构，系统由许多“独立的”子系统组成，每个子系统必须依赖于驾驶员的操作(输入)，驾驶员不断从各子系统接收信息，保持对武器系统及外界态势的了解，五十年代的战斗机F-100、F-101等使用了典型的分立式结构。
混合式结构是向综合化过渡的一种结构形态，它出现了部分子系统之间的综合，例如火控计算机、平显、火控雷达等之间的综合；大气数据计算机、高度表、空速表、垂直速度表、攻击传感器、大气温度传感器的组合；飞行指引计算机、航恣系统、塔康等结合。各分系统通过广播式数据传输总线(如ARINC429)连接。联合式结构(也称综合化结构)是美国DAIS研究计划的主要成果，它通过1553总线将大多数航空电子分系统交联起来，实现信息的统一调度。这一时期的另一重要特点是电子技术开始应用于飞行的关键部位，如飞行控制及地形跟随，同时，传感器和分系统的能力不断增加，如雷达的能力、红外传感器、激光测距、电子战设备等。美国现役战斗机都使用这种结构，如F-16C/D、F/A-18、F-15E等。这种结构在美国等国已成为成熟技术，很多飞机的改型、更新大多采用这种系统。
新一代航空电子系统结构(即更高程度的综合化结构)是以美国“宝石柱(Pave Pillar)”计划为基础建立起来的结构概念。该计划完成于八十年代，实现“宝石柱”系统结构的第一架战斗机是美国的F-22战斗机，RAH-66轻型攻击/侦察直升机也使用了这种结构，各分系统间以1553和HSDB(高速数据总线)相连接。
继“宝石柱”计划后，美国正在推行“宝石台”(Pave Pale)计划，在纵深方向上继续推行综合化。一方面，系统中实现了各系统处理功能的综合(通用处理模块、动态重构)并进而实现传感器功能及信号处理功能的综合化；另一方面，综合化的范围也在扩展。包括了以前相对独立的飞行控制、发动机控制、通用设备控制，形成了飞机管理系统的概念，这种结构将应用于二十一世纪的美国军用飞机。
二、新一代航空电子系统的特点
几十年来，航空电子系统经历了分立式、混合式、联合式向综合化、高度综合化方向发展。综合化的航空电子系统不仅实现了机上的信息综合，而且能够有效地综合C3I和预警机发送的信息，由此可以满足现代和未来战争的需求。现以美国的“宝石柱”结构、F-22、“宝石台”计划为例，综述新一代航空电子系统的特点。
在功能划分上，新一代系统已明显从纵向划分过渡到横向划分，提出了功能区分的概念。功能区分是整个系统中功能特性相近、任务关联密切的部分，在同一功能区中可以实现资源共享，容易互为余度而实现动态的重构及容错。“宝石柱”结构将系统分为任务管理区、传感器管理区、飞机管理区。任务管理区由任务数据处理机、任务航空电子多路传输总线、块多路传输总线、系统大容量存储器、武器管理系统和任务航空电子总线接口组成。该区的功能为：任务计算与管理(如火力控制、目标截获、导航管理、防御管理、外挂管理、地形跟随(TE)/地形回避(TA)/障碍回避(OA)、座舱管理、与其它两个功能区交联等)。传感器管理包括通用信号处理机、传感器数据分配网络、数据交换网络、视频数据分配网络、传感器控制网络组成。该区的功能为：传感器数据分配、传感器信号处理、处理后信号的分发、传感器控制。飞机管理区是由飞行控制、发动机控制、推力矢量控制、通用设备控制等几部分功能综合而形成，又称为飞机管理系统(VMS)，其功能为支援与控制功能有关的飞机的飞行。新一代系统的第二个特点是综合化进一步向深、广方向发展。“宝石柱”结构虽然提出了信号处理通用模块及相应处理群集器的一般结构，但“宝石柱”实验室演示系统和F-22的综合化深度只达到数据处理资源一级，而“宝石台”计划的任务之一就是试图进一步在传感器信号处理及传感器天线孔位上实现综合，在信号处理群集器中使用通用信号处理模块。另一方面，飞机管理系统(VMS)本身就是综合化向更广范围发展的例证，传统的飞控系统是相对独立的分系统(四余度系统)，且一般不和通用设备等有关系。VMS使多种功能综合起来，并置于整个系统的管理之下，综合化的范围实际上已覆盖每个功能。
新一代系统的第三个特点是以外场可更换模块(LRM)代替了外场可更换单元(LRU)为基础构成综合航空电子系统。LRM是形成新一代系统其它特点的基础，例如动态重构、二级维修概念都是在LRM基础上进行的。LRM是系统安装结构上和功能上相对独立的单元，故障定位可以达到LRM一级，通过更换LRM而排除故障。LRM、智能化的机内自检、二级维修体制是构成新一代系统维修概念的要素，使维修成本大大降低。
新一代系统的第四个特点是在LRM一级上实现硬件资源共享和硬件余度。通过动态的程序加载，根据任务需要动态地组织LRM硬件，出现故障后则可进行动态重构，使系统继续维持原有功能，即达到容错的目的。这种动态的管理及调度原则和以前的系统大不相同，以前的系统基本上是“固定的”，而新一代系统则是“灵活的”，是根据实时的需要动态地完成配置或重构，这样的系统不仅实现了容错，推迟了必须进行修理的时间，而且达到资源共享，提高了资源利用率。“宝石柱”结构和F-22系统都实现了这种动态调度的思想，例如任务数据处理机和F-22的CIP(通用综合处理机)都是处理群集器，包括多块数据处理机通用LRM。
新一代系统第五个特点是向智能化发展。当代的航空电子系统只能将各种数据提供给驾驶员，或者经过处理后给出引导性的指示信号，有时变换成易理解的直观图示方式，但最终的判定、决断要驾驶员给出，美国正在研制的驾驶员助手系统(即专家系统)可以完成收集数据、推理和判断并做出决断，可以直接给出控制指令，也可以向驾驶员提出处理建议，由驾驶员决断及实施控制。神经网络的研究也取得很大进展，应用到机载后可以使航空电子系统具有自学习和自适应能力，人工智能的方法可以在航空电子系统中找到很多应用，例如目标的识别、分类；电子战信息分析、威胁制定；突防路线的实时建立；攻击目标优先级分类；武器选择；智能人机接口；本机完好情况监视及应急处理等。智能化系统使驾驶员从过量的任务负担中解脱出来，集中精力于高层次的判断，并可避免人脑在某些方面的能力不足。F-22战斗机及RAH-66轻型攻击/侦察直升机后期的生产型都准备选用驾驶员助手系统。
三、新一代航空电子系统的关键技术
新一代航空电子系统不仅引进了新的思想、新的概念；而且要有新器件、新技术、新开发的工具来支持。与新一代航空电子系统直接相关的许多技术领域必须取得进展才能支持新一代航空电子系统的实现。现将新一代航空电子系统主要关键技术及其作用综述如下。
通用模块技术是系统综合及更高程度综合的基础，整个航空电子系统实现模块化的结构，不仅能适应航空电子系统的各种应用，而且系统发生故障时便于检测和重构。通用模块由VHSIC芯片集构成，并包括完成接口控制和健康诊断等全部数字处理组合后可构成任何一种功能的航空电子系统，同时采用通用模块后，不仅使机上的电缆连接器减少90%，取消了中间维修，维修成本大大降低，而且MTBF提高了近4倍。
高速多路传输总线技术是新一代航空电子系统的关键技术之一。航空电子综合系统的实现主要取决于更通用的数据传输机制，并要求数据总线具有高度的分布式处理能力和高吞吐率。此外，数据总线本身还应具有抗各种干扰的能力，从而提高其在恶劣环境中的生存能力和安全性。高速数据总线采用定向式数据分配方法，而不是1553B总线的中央控制方法。在“宝石柱”结构中，HSDB至少在任务航空电子总线、局部传输总线和飞机系统管理总线三个性质不同的应用范围内使用。
软件技术是航空电子综合系统的基础和核心，八十年代初，由于MIL-STD-1750A、1589C和1553B军标的相继制定，美国军方多年来推行数字化航空电子综合系统的成果已经展现，代表了军用计算机软、硬件及总线的发展方向，但是，现代航空电子系统已从电子机械密集型向软件密集型过渡，因此对软件的需求量越来越大，约4～5年增长一倍，而目前的软件生产能力(以生产代码的有效行计算)每年仅增长3%～4%，远不能达到作战环境对航空电子系统的要求。软件规模的增长是航空电子系统成本在飞机中所占比例不断增大的主要原因之一。航空电子系统费用不断增加的另一个重要因素是软件的非通用化，因此开发可重用的通用软件将有助于提高软件生产效率。
“宝石柱”航空电子综合系统的所有任务软件都用Ada语言编写，并由VAMP执行。系统软件采用容错操作系统。VAMP任务软件由Ada操作系统和在实时多任务及多处理机群集配置中工作的应用模块组成。Ada操作系统由系统执行、核心执行和分布执行三部分执行软件组成。软件功能的综合方法是通过单一的VAMP群集布局到“宝石柱”四个VAMP群集布局的试验和论证得出的。
数据融合技术是当今传感器数据处理的发展方向，“宝石柱”计划中已将数据融合列为关键技术之一。所谓数据融合就是根据多种信息资源进行检测、互连、相关、估计、信息与数据联系的多层次、多界面的信息处理，从而获取精确的有关状态和属性的估计，获取完整的实时态势及威胁程度评估的方法和手段。通过多传感器的智能化综合配置获取更丰富、更精确和高质量的目标相关信息，就是数据融合技术。数据融合技术以数据融合算法为核心，要在航空电子系统中使它的功能模型工程化，必须完善大量的辅助功能，例如：传感器管理、数据库管理、人机接口和通信软件等。实现这些功能将占用大部分的软件，而真正用于融合算法的软件还不足20%。
通过传感器的数据融合可以带来如下特殊效益：(1)扩大时空覆盖范围；(2)增加置信度；(3)减少模糊性；(4)提高空间分辨力；(5)改善系统可靠性；(6)增加“电磁谱”的侦察范围，可在“全景”电子战环境中执行有源和无源探测任务。
仿真技术是航空电子综合系统的一项重要试验技术，它是以计算机硬件及相应的软件为基础，以现代控制论与相似原理为方法，借助系统模型对设想的和真实的系统进行解析或半实物混合仿真试验研究的一门综合性新兴技术。航空电子综合系统仿真是用一个具有显示/控制器的飞机座舱，通过显示/控制航空电子系统相互作用的动态过程，开发人机闭环特性的研究。航空电子综合系统的研制离不开仿真，它不仅可以实时发现问题，及时解决问题，而且缩短了研制周期和试飞时间，节省了费用。
四、结束语
作战飞机对航空电子系统的功能和性能都有极高的要求，若要满足这些要求，就必须采用集通用模块、人工智能、Ada语言、数据融合、高速数据总线技术等为一身的新一代航空电子综合系统，通过高度综合，最有效的利用各子系统的信息资源。
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