学术 | 下一代机载任务电子系统总体设计思考
今日荐文的专家作者为蔡爱华，中国电子科技集团公司首席专家，研究员级高工，主要研究方向为机载电子信息系统。荐文题为《下一代机载任务电子系统总体设计思考》，发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第2期。一起来和小编看看“机载任务电子系统”未来的发展趋势吧！
近年来随着电子信息技术的飞速发展，开放式体系结构的日趋成熟，特种任务飞机更是朝着多任务的趋势发展。如何在飞机平台固化的前提下，降低系统体积、重量和功耗，提升系统能力、降低成本，提高可靠性是机载任务电子系统（下简称任务电子系统）设计的主要目标。综合化设计是达成上述目标的主要手段之一。以F-35飞机为代表的新一代航电系统采用综合化设计，将原来相对独立设计的雷达、光电、识别、对抗、通信、导航等功能系统进行综合设计，在射频前端和核心处理机等物理系统硬件上采取了模块化+总线的综合化架构，实现了天线孔径共享/减少天线数量、充分利用资源/扩展系统功能、模块化集成/降低体积重量、系统可重构/提升系统可靠性、减少硬件品种/降低系统成本、综合效能提升/增强作战能力的目标。
我国在航空电子领域也进行了多年的综合化设计研究，在模块化+总线架构设计和集成方面取得较大进展，减重增能的效果显著。但还没有做到充分利用现代电子信息技术的发展优势，统筹各方需求，对任务电子系统采取更先进的定制式一体化设计，实现综合效能上的进一步提升。
综合化设计的目标是对给定的资源进行整合设计。即在功能分系统确定基本方案的基础上，依据功能分系统的需求确定整个系统的资源配置，将所需的资源配置进行模块化设计并通过总线集成为一个可以灵活重构的系统，以实现系统资源的综合利用。
而一体化设计的目标是按系统需求进行统一设计。即将系统置身在整个作战环境中，充分考虑与其它平台的协同、各平台资源的充分共享，以体系对抗作战形成对系统的能力需求；功能设计上进行能量一体化发射和接收、智能化信号与数据处理、多通道多媒体智能人机交互、全覆盖自诊断监测为核心的全系统整体、定制式的一体化设计，以实现信息装备划时代的能力提升。一体化设计是一个综合考虑系统能力、作战使用环境以及资源综合运用的设计，是一个充分发挥现代电子设计制造能力，实现软硬件按需定制的设计。
系统能力设计
系统能力设计
系统能力发挥是指系统的功能性能需求不仅要考虑系统本身独立工作时的能力，更要考虑系统对体系能力的贡献度。因此，充分研究作战样式以及作战样式下的多平台协同如协同探测、综合识别、协同作战等，是下一代任务电子系统必须具备的设计特征之一。
系统能力一体化设计由需求出发，首先依据作战使命任务，提出作战样式；然后根据作战样式，提出体系能力需求；最后根据体系能力需求，提出单平台装备的功能性能指标。该指标不仅包括自身独立实现的指标，同时包含与体系其他平台协同实现的指标。这些指标需要任务电子系统各功能分系统统一设计去实现。如雷达与通信一体化设计，实现远距离、大容量、定向隐蔽通信；平台内有源与无源传感器协同调度，实现对隐身目标远距离探测；预警机与作战飞机或无人机协同，同时实现大范围预警探测和高精度测量。
综合考虑外部环境是指系统设计要考虑在复杂地理和电磁环境中探测跟踪识别隐身、高速、低速、高空、低空、海面、水下目标的能力，满足看得远、测得准、辨得清、通得畅、打得准的未来作战需求。要满足这样的需求，系统一体化设计不仅要在本平台上采取多模式、宽频带、自适应阵列、任意波形、能量管理等各种提升系统适应能力的综合设计手段，以提高自身性能，还要在多平台之间进行协同工作设计，以充分提升体系的整体作战能力。
随着电子干扰技术的进步，单平台在复杂电磁干扰环境下的作战能力大幅下降已不可避免，多平台协同对抗强电磁干扰环境已成为下一代任务电子系统设计的重点之一。比如多平台协同，形成双多基地雷达组网探测既能提升抗干扰和隐身目标探测能力，又能改善航迹质量；多基地联合侦察既能提升发现概率，又能实现快速准确定位，可以实现真正意义上的无源探测。
资源综合利用是一体化设计的重要表现形式。首先，将任务电子系统各功能分系统从信号的产生、辐射、接收和处理环节上所需的硬件资源，进行统一的模块定制式设计；同时设计实时监测所有软硬件资源的功能模块，以实现内部资源的优化利用和高可靠运行。然后，将任务电子系统与平台的基本航电系统一体化设计，实现机上电子装备资源的综合利用。最后，将任务电子系统与平台支持系统（天线共形、安装结构、供电、环控等）一体化设计，实现机上物理资源的充分利用。
要实现上述要求，需采用的运行架构如图1所示，即功能实现上的硬件模块+总线运行架构；功能实现上的软件模块+软件中间件（软总线）运行架构；独立于系统功能实现的系统监控架构（具有独立的软硬件系统，但不参与系统功能实现）。
一体化设计的核心是将传统的系统、分系统、设备、模块四步设计变成系统到模块两步设计，也就是由系统设计直接定义模块。综合分析目前我国电子装备研究单位的能力来看，由一个单位独立完成下一代任务电子系统的一体化设计是不可能的。因此，建立由系统、分系统、设备、模块、元器件/原材料等人员组成的多专业联合设计师团队，才是实现功能越来越多，能力越来越强，系统越来越复杂的集探测、侦察、识别、处理、协同、指挥、打击等功能于一体的下一代任务电子系统一体化设计的必由之路。
由于我国目前电子装备整机研制单位都是以雷达、识别、对抗、通信、导航等传统专业建立的，这些专业研究所在自己的领域都形成一套行之有效的设计方法，但将这些专业人员结合在一起完成系统到模块的直接设计，在技术责任的把关上存在很大难度。为解决这一难题，采取以下分层落实责任、反复迭代的设计管理模式。
图2：功能和物理分系统交叉示意图
如图2所示，建立以总体、雷达、识别、对抗、光电、通信、指控、导航、综合显控等功能分系统为功能横向主线设立责任承担单位；以总体、天线、射频前端、核心处理机、综合显控等为物理纵向主线设立承制责任单位；两条主线通过功能和物理交叉构成实现有机的系统整体，由功能分系统责任单位提出物理实现的需求，由总体、天线、射频前端、核心处理机、综合显控等承制二级总体单位按照一体化思路进行设计，然后在一体化设计的基础上，再向功能分系统责任单位反馈设计方案并听取改进要求，多次反复迭代完成系统到模块的设计。
在电子信息技术高度发达的今天，雷达、光电、识别、对抗、通信、导航、指控等传统专业在天线、电磁波的发射与接收、信号与数据处理、显示与控制等硬件应用上正逐步趋于同质化，一体化设计的基础越来越成熟。打破现有的按传统专业按功能领域研制再进行系统集成的机载电子信息系统研制模式，建立由系统、分系统、设备、模块、元器件/原材料等人员组成的多专业联合设计师团队，采取统一设计、模块制造、综合集成扁平化系统研制构架并采取与之相适应的系统、功能分系统、物理分系统矩阵式管理模式，将成为我国任务电子系统研制的新模式。具有一体化设计、数字射频前端、智能化信号与数据处理、全覆盖自诊断监测、多通道多媒体智能人机交互等典型特征的任务电子系统必将是 下一代任务电子系统的发展方向。
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