航空电子技术

航空电子技术的发展历程

学院：计算机学院

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日期：2012.10.25

综合航空电子技术发展至今近半个世纪，基本上经历了分散、联合、综合到高度综合四个阶段；航空电子系统结构亦是如此，同样经历了分立式、集中式、集中分布式和资源共享式四个阶段．在这几十年中，从事航空电子技术研究和系统开发的工程技术人员都在致力于为未来的军用飞机开发和研制“理想的”综合航空电子系统工作，井取得了显著的成果．在综合航空电子技术发展的漫长过程中，美国一直处于领先地位，并有着巨大的技术储备．20世纪70年代初的数字式航空电子信息系统(DAIS)计划、80年代中期的“宝石柱”计划和9O年代初的“宝石台’宗合航空电子系统计划是三项著名的计划，并被同行们视为航空电子发展史中的里程碑．这些计划所研究和开发的系统及技术成果均不同程度地用于新型军用飞机中，最具代表性的就是美国空军的F-22战斗机．F-22战斗机的综合航空电子系统采用了“宝石柱”计划的设计思想及研究成果，通过硬件和软件的多重应用实现了系统的通用化；通过把硬件划分成小型的易于替换的基本硬件实现了系统的模块化；通过资源共享、互连和信息融合实现了系统的综合化．F-22的综合航空电子系统代表了世界军用航空电子研制的最高水平．随着航空电子技术综合程度的不断提高，强大的航空电子系统为作战飞机实现多功能——全无候的探测能力、武器投放能力和电子对抗能力提供了保证，已成为现代军用飞机提高作战性能的重要手段．与此同时，航空电子系统在飞机上的比重越来越大，其费用也相应增加，例如：F_4飞机的每千克成本是330美元，F_15飞机每千克成本是638美元，而F-22飞机每千克成本高达5435美元．由于在军用飞机特别是先进飞机的成本构成中，航空电子成本已占整个成本的30％一50％，因此导致飞机寿命周期费用大幅度增加，由此在未来的军用飞综合航空电子技术发展展望霍曼机研制计划(例如美国的联合攻击机OsF)中首次把“经济上可负担得起(afordability)，即经济可承受性”作为飞机必须考虑的重要特性之一。除此之外，由于数字技术、微电子技术．计算机技术和信息处理技术日新月异的发展，烧航空电子系统可以实现信息的综合传输、综合处理、综合控制和显示，为航空电子系统综合化提供了基础，由此，推动了军用航空电子技术的发展．但是，在整个电子技术领域中军用航空电子技术所面临的形势非常严峻．他们的地位发生了很大的变化．主要表现在两个方面，其一是纯军用航空电子市场正在萎缩．据洛克希德·马丁公司统计，1975年美国军方在半导体集成电路上花费7亿美元，约占美国总市场额的六分之一．而1995年五角大楼在半导体芯片上付出l1亿美元，但是美国的总市场额已高达1500亿美元，也就是说五角大楼所占份额不足1％．激烈的市场竞争、有限的利润以及军用相关特殊要求都使芯片制造商把注意力投向其他更高利润的领域．其二是军用飞机的航空电子元器件过时问题．目前，F-22飞机就面临着此问题的困扰，飞机投人服役还需6年时间，可是系统中所采用的INTEL公司生产的1-9000芯片，已不再生产，原因是INTEL公司撤掉了它的军用生产线．据F 2研制办公室统计，F-22飞机投人使用时大约400个元器件有可能不再生产．这类同题还将随着防务预算的减少、军机市场的萎缩以及研制和生产时间延长而变得更加严峻。军用航空电子只有顺应潮流才有出路．对此，各国军方和研究人员都在积极寻求解决的办法，美、英、法、德等国军方特别是美国空军已认识到，使军用和商用航空电子系统既能经济上可承受又能应付迅速发展变化的技术和系统需求，采用模块化、开放式综合系统结构是关键．美国率先提出军用航空电子采用开放式系统结构(OSA)，尽可能采用民用标准和商用成品(COTS)的战路思想．目的之一是降低飞机的成本，之二是迎接未来军用电子市场更大的挑战．美国90年代中后期开始研制的JSF飞机综合航空

电子系统则是采用开放式系统结构和商用成品的范例．JSF飞机的综合航空电子系统以F-22飞机的综合航空电子系统结构为起点．不仅对数据的处理，而且对传感器的信号处理和射频口径也能进行更为深度的综合．它利用“宝石台”计划的成果，采用开放式系统结构和商用成品，利用联合式航空电子系统的最有用特征以及“即插即用”的软件模块，在解决了最大的经济可承受性问题的同时，其综合程度比F-22飞机又前进了一大步．2 开放式系统结构“开放式系统”本是计算机学科术语，系指遵循公开标准的计算机系统．美国国防部防务采办术语和缩略语1997年版中定义：“开放式系统是执行接口、服务及支持格式的开放和公开一致处理所坚持的规范，从而使正确设计的单元以尽可能少的更改就能在较广泛的系统范围内利用，与本地和远程系统的其它单元相互操作并以易于移植的方式与用户交互作用的系统．”由此可见，开放的前提是遵循公开一致的标准和规范。美国空军已把应用军用专用技术和商用技术实现系统从传统的“封闭式结构”向经济上可承受的、灵活的“开放式结构”转变视为当前一项挑战．1997年9月JSF 办公室经过3年系统方案定义和演示，公布了2．0版“JSF航空电子系统结构定义(JAAD)”．JAAD仅是一份初稿，希望在2001年以前通过JSF航空电子系统方案演示阶段积累的数据使JAAD 有实质性的发展．JAAD的主要内容如下：(1)总层次划分．总层次划分为6层，(航空电子技术2000年第3期(总100期) 第1层即最顶层为超系统(由空中、海上和陆上多系统构成的系统)；第2层为JSF武器系统：第3层为航空电子各分系统：第4 层为综合核心处理等功能区；第5层为硬／软件模块；第6层即最底层为硬做件元件．JAAD的重点在第3、4层．(2)航空电子系统网络(UAN)．采用一个以民用标准为基础的统一的数字式航空电子系统网络．据JSF开放式系统结构综合产品小组(OSA IPT)对9种可供选择的UAN 高速总线分析和评审，实时可扩相干接口(SCVRT)和航空电子环境光纤通道(F(1_A E) 最优．由于光纤带宽较宽，因此能够以较少费用实现重量增容．这是控制综合航空电子系统费用，简化综合、试验和改进的一大进步．(3)综合核心处理．JAAD要求把数字信号处理、数据处理以及其他计算性要求的任务例如座舱显示发生等都集中到共享、窑错和高性能的综合核心处理(ICP)N内，但并不排除在其他功能区嵌入处理机。(4)座舱人机接口．JSF座舱将使用显示高分辨率彩色字符和图象的多功能显示器，其它正在考虑的显示器包括平视显示器和头盔显示器．JAAD 中选用彩色液晶显示器和头盔显示器作为未来战斗机人机接口的基础，与F-22飞机相比前进了一步．(5)综合射频撵铡和综合电光探测．JAAD 对综合撵测功能区未作详细说明，因为这项技术成熟而且其开放式系统原理应用少．由于射频和电光／红外探测系统占飞机出厂航空电子成本的60％，综合产品小组自然重视，为此制定若干“技术成熟”计划，集中演示那些对经济可承受性、保障性、生存性和杀伤力有重大作用的技术．其中主要有MIRFS计划和综合探测器系统IIS计划．前者的最大优点就是减少了天线和光或红~F(IR)D径的数量；后者是由美国空军研究实验室和JSF计划联合资助的一项3400万美元的技术风险减缩研究计划．该计划由洛克希德-马丁和渡音公司(以前的麦道公司)领导的两个小组在四年内完成．目的在于采用相对少量的模块类型构成一个综合的、可重构的射频处理结构．ISS是低成本、低重量、小空间、低功率和低冷却的射频支援电子设备．两个小组的专家认为，ISS是研制工作不是由技术推动，而是由经济可承受性推动，他们只需要重新组合现有的功能，来达到尺寸、重量、体积和费用降低一半的目标．波音公司小组估计在以资源共享为特征的ISS 结构中，采用1998年的技术可以花费相当于F-22飞机的50％--60％的费用，而达到与F