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浅析先进无人作战飞机航空电子的发展与挑战

2020-06-06 318 上传者：管理员

摘要：无人作战飞机是未来战场重要武器装备,其航空电子是保证飞机安全和任务执行的关键部件。通过梳理军用无人机的发展历程,概括航空电子技术特点,详细描述了国外主要无人作战飞机的航空电子从无到有的历史演变,将无人机航空电子系统划分为三个历史阶段。详细介绍了目前国外最为先进的无人机航空电子的系统架构与功能划分,总结其功能组成、工作方式、余度构型等特点。从作战、飞机、技术三个方面的需求开展分析,指出下一代无人机航空电子的架构设想及技术挑战。

关键词：
先进武器
无人机
混合关键系统
综合化
航空电子
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随着信息技术在无人机系统的应用,无人机从最初的靶机发展为参与侦-控-打-评作战全程的战场明星武器。无人机航空电子是指无人机机载系统中的电子系统总称,早期的无人机较为简单,主要用于在环境恶劣或者危险环境下的目标观察、目标探寻、目标监视等作用,这个时期的无人机航空电子较为简单,没有较为复杂的电子系统,仅仅完成简单的任务即可。

随着无人机在战场上的逐渐使用,以及信息技术的不断发展,无人机在执行任务时的优势越来越大,当执行单调的任务时,机器比人能够更好地保持警惕性,而在执行恶劣和危险的任务时,如果任务失败则花费较少的政治代价和人员牺牲,并且还更有可能成功地完成任务[1]。降低危险损失并提高成功完成任务的信心,对于持续发展无人机系统而言是两个重要的推动因素。逐渐地从简单的侦察到对抗、攻击等,随之而来无人机机载系统的航空电子也随之变化,结构越来越复杂。本文重点从航空电子发展历程出发,梳理了先进无人机的航空电子系统架构和工作方式,工作原理等,并从下一代无人机的需求触发,提出了下一代无人作战飞机航空电子系统的架构模型。

1、无人机航空电子发展历程

按照无人机机载航空电子的构成,无人机航空电子的发展与有人机的经历有相似的地方,由于无人机直到20世纪90年代才逐步应用于军事领域完成复杂任务,其机载航空电子的发展经历了三个主要的历史阶段,如图1所示。

图1 军用无人机航空电子发展历程

第一代无人机航空电子为简单的、单一的计算机,无当代航空电子中的系统或子系统概念,起飞重量和有效载荷较小,仅仅完成简单的任务,系统构型简单,如美国海军的RQ-2B“先锋”无人机,主要为火炮射击提供弹着点观测,RQ-5猎手无人机,主要是搜集情报、侦察监视、战场损失估计等,这类无人机主要使用在20世纪80～90年代。

第二代无人机航空电子有了子系统概念,子系统有独立的计算机,并通过串行或商用总线进行连接,可以执行较复杂的任务功能,这一阶段的无人机代表有MQ-1“捕食者”无人机,MQ-9“死神”无人机,这类无人机在起飞重量和有效载荷上有很大的提升,除了要完成目标侦察、跟踪、定位和通信功能,还能同时完成空中拦截、近距空中支援以及搜索与援救等任务,实现侦察打击一体化,成为一种武装无人机,第二代无人机航空电子类似于有人机的三代机,是一种联合式的航空电子系统架构。

第三代无人机航空电子,其执行任务不再是单独分立的任务功能,功能呈现多样化,系统之间的协作更为紧密,包括侦察探测、对地攻击、电子干扰、空中预警、协同作战等,各航空电子子系统包括雷达、光电、电子战、通信导航识别、火控、飞控、机电等,借助无人机发展的后发优势,航电系统借鉴了有人机综合化的成功经验,对飞机平台和任务功能进行了综合,第三代无人机航空电子是一种先进的综合化航空电子系统,如全球鹰、X-45C、X-47B、神经元等无人机[2]。

2、先进无人机航空电子系统架构

2.1 综合化航空电子系统

第三代无人机航空电子借助了综合化航电的经验,通过对无人机电子设备的功能划分,如全球鹰(Global Hawk)将航空电子系统划分为飞行关键系统和非飞行关键系统,X-47B作为一款无需人工干预可实现自主起降的隐身无人机,将航空电子划分为飞机管理系统和任务管理系统,通常飞行关键系统或飞机管理系统采用高可靠的航空电子计算平台对各子系统进行综合,非飞行关键系统或任务管理系统采用高性能航空电子计算平台对其子系统进行综合,以达到节约硬件资源、减轻飞机重量、提高飞机作战效能等作用。

2.2 “全球鹰”航空电子系统架构

诺斯罗普·格鲁曼公司的“全球鹰”(RQ-4A)是目前世界最先进的无人机之一。属于美国“高空持久性先进概念技术验证”(ACTD)计划的一部分。全球鹰无人机上的航空电子系统可划分为飞行关键系统和非飞行关键系统。飞行关键系统包括双冗余综合任务管理计算机(IMMC)、惯性测量单元、导航计算机和双冗余大气数据系统。运用接口装置将两个IMMC连接到一起。其框图如图2所示。

图2 全球鹰无人机航空电子系统架构

“全球鹰”无人机采用分布式控制面,即每个副翼、方向升降舵和绕流片等都分成了两部分,然后由专用的作动器控制。IMMC与飞行关键系统的接口实现每个IMMC可存取来自两个大气数据传感器、两个惯性测量单元和两台导航计算机的数据。系统余度管理通过比较监控取同一套部件中的数据,使得每台计算机到飞控作动器的输出相同。如果一个飞行关键部件发生故障,余度管理将重构余下的正确传感器。IMMC通过交叉通信链路相连接,用于传输从飞机传感器中读到的数据,然后余度管理利用该数据对自身测量的传感器传输进行比较监控。作动器的硬件接口为一个IMMC操纵控制面中内侧的那一部分,另一个IMMC操纵控制面中外侧的那一部分。两台计算机无主从关系,因为它们都控制着飞机。如果IMMC内部自监测检查到故障,则故障的IMMC就会自动静默,另一个好的IMMC就会操纵所有的控制面。

非飞行关键系统包括敌我识别、有差分的GPS收机、高度表和冰探测器等。另外,IMMC还与防御系统、通信系统、发动机FADEC、语音通信无线电和两个导航系统相接口。RQ-4A之后诺斯罗普·格鲁曼公司开始研制和生产新型、能力更强的RQ-4B改型,该机型在保持飞行高度、航程的要求下,有效载荷能力增加了50%。RQ-4B“全球鹰”航空电子采用了飞行器管理系统(VMS)来替代原来的IMMC功能,并对其他功能进一步综合以提升有效载荷。其航空电子的核心计算机飞行器管理计算机(Vehicle Management Computer,VMC)来自于SBS公司,是SBS公司货架产品版本,仅I/O功能作了修改:SBS为其添加了通过FPGA实现的数字信号处理核,使其具备I/O可配置能力,以满足无人机的任务需求。

2.3 X-47B联合无人机航空电子系统架构

另一款先进隐身自主起降无人作战飞机是X-47B,其航空电子采用综合化系统管理,由任务管理计算机(MMC)实现飞机任务载荷的管理与控制,由飞行器管理计算机(VMC)实现对飞行器功能的综合处理[3]。航空电子设备之间使用了先进的总线技术,如飞行器管理计算机通过具有容错性能的串行总线与智能远程输入输出单元(Remote Input/Output Units,RIO)交联,RIO实现对信号的采集和驱动输出,这种系统结构减轻了线缆重量、提高了系统的电磁兼容性、简化了软件升级工、降低了测试和认证成本、利于系统的更新和升级。

在X47-B无人作战飞机内机载系统包括有飞行器管理计算机(VMC)、发动机接口单元(Engine Interface Unit,EIU)、发动机节流阀控制器(Engine Throttle Actuators,ETA)、起落架系统(Land Gear System,LGS)、电源系统(Electrical Power Generation System,EPGS)、高压分配单元(High Voltage Distribution Units,HVDUS)、任务管理计算机(Mission Management Computers,MMC)、近地数据链计算机(Ground- Based Data Link Computer,GBDLC)、远程输入/输出单元(Remote Input/Output Units,RIO)。

X47-B无人作战飞机内的航空电子设备包括三余度VMC计算机,是机载电子设备系统的心脏,主控所有飞行关键航空电子设备,实现飞行控制功能和设备公共管理功能(包括燃油测量与管理、指引、导航、飞行控制、以及其他有人机上飞行员执行的系统功能)[3]。飞行器管理计算机(VMC)采用基于IEEE 1394B通信技术的系统总线实现同9台RIO设备之间的互联,这种分布式的系统互联结构将是下一代有人及无人飞行器的标准。飞机内的任务管理计算机采用了双余度的体系架构,作为任务控制管理的核心,完成飞机的持久监视、侦察、跟踪、打击等任务功能。任务管理计算机作为任务系统的核心通过1553B总线与任务系统的惯导、数据链、综合射频等设备进行互联,X47-B的综合化航空电子架构如图3所示。

图3 X47-B的综合化航空电子架构

3、下一代无人机航空电子

军用无人机航空电子系统的发展趋势与作战需求、飞机需求、技术发展的推动密不可分,从以下几个方面分析下一代无人机航空电子发展趋势。

1) 作战需求推动。面向下一代战机(Next Gen TACAIR)作战概念,要求具备超隐身、超高速、长航时、超远程、智能化的先进飞机平台,以及具备制空、对地对空打击、电子攻击、侦察、空中防御等的综合任务能力,美国空军比较倾向的发展是向着无人化的方向发展,用无人作战飞机代替有人作战飞机完成各种高强度、高危险度和高成本的任务,能够大大地提高作战能力、降低作战成本和减少人员伤亡,是未来空军战斗的利器[4]。除此之外,还有研究有人/无人双重用途的作战飞机的计划。这种作战需求推动的变化对飞机机载系统技术带来了新的要求,信息化条件下的飞机效能与航空电子系统的技术水平密切相关。

2) 飞机自身需求推动。无论是有人机还是无人机对航空电子系统本身始终有着高性能、高可靠、低重量、低成本等的要求,综合化的程度将会进一步深入,一种能够综合安全关键和任务关键等多种关键系统的混合关键系统将对飞机带来更好的效费比,同时随着无人机自主水平的不断提升,按照关键等级或系统功能将很难对各子系统进行区分,未来发展需要能够支持多系统功能的高可靠航空电子系统。

3) 技术发展推动。随着智能化技术、微电子技术、信息网络等技术的发展,以及研发、使用、维护、保障成本等因素的约束驱动下,航空电子技术得到了飞速的发展,不但成为航空武器装备先进程度的重要标志,而且开始逐步成为其战场作战任务效能的直接表征力和贡献力。因此下一代无人机航空电子系统的发展也会在新的信息技术发展的驱动下,采用高性能、低功耗的多核技术和自适应容错等新技术提升军用无人机的作战性能[5],下一代无人机航空电子逻辑与物理模型如图4所示。

图4 下一代无人机航空电子逻辑与物理模型

综上所述,下一代军用无人机航空电子将会在降低体积、功耗、重量方面进一步提升;在飞机自主化水平与作战能力方面进一步提升;系统将能够在相同的物理和逻辑平台上支持任务关键和安全关键等多种关键等级的任务,称之为混合关键系统(MCS)。将会采用新的多核技术提升性能、自适应容错技术提升可靠性、采用更高带宽和确定性的统一网络,系统架构更加开放,并采用更为成熟的人工智能算法提升无人机的自主等级,系统构型如图5。通过分析当前无人机航空电子架构与下一代无人机航空电子架构的优缺点,其主要面临的技术挑战包括:1)系统验证;2)升级验证;3)开发工具;4)系统配置;5)安全关键隔离;6)确定性通信;7)实时调度;8)内存及资源管理。

图5 当前构型与下一代航空电子构型的转化

4、结束语

无人飞行器特别是无人作战飞机作为未来战场重要武器装备对其飞行和任务执行提出了极高的要求,而无人机的航空电子是保证飞机安全和任务执行的关键部件,也是飞机先进性的重要标志,航空电子随着飞机作战任务的不断复杂化,其地位不断提升,重要性也在不断上升。本文系统地梳理了国外军用无人机的发展历程,概括了航空电子发展过程,详细描述了国外当前主要无人作战飞机的航空电子系统的体系架构、计算机组成、系统总线和接口单元构成与主要功能。通过梳理、分析,并结合未来作战方式,探讨了未来无人机航空电子系统的发展趋势。

参考文献：

[1]李鹏勇,王海.美军无人机先进机载侦察感知系统[J].国防科技工业,2018(4),56-59.

[3]沈林成,朱华勇,牛轶峰,等.从X-47B看美国无人作战飞机发展[J].国防科技,2013,34(5):28-36.

[5]牛文生.机载计算机技术[M].北京:航空工业出版社,2013.

马小博.先进无人作战飞机航空电子发展综述[J].航空计算技术,2020,50(03):122-125.