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航空综合火力与指挥控制系统的仿真研究
2012年4月24日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:何胜强,张安,张耀中
    单位:西北工业大学(西安)

    摘要:讨论了战斗机综合火力与指挥控制系统的发展趋势。分析了战斗机智能航空综合火力与指挥控制系统关键技术,在此基础上给出了仿真技术在战斗机综合火力与指挥控制系统研制中的应用。

    1 引言

    在航空火力与指挥控制系统技术发展过程中,随着航空火力与指挥控制系统综合程度不断提高,军用飞机的可靠性、可维护性和作战效能不断提高。智能航空火力与指挥控制系统的发展是军用飞机发展的重要方向。最具代表性的就是美国空军的F一22、JSF战斗机。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及全天候的探测能力、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。

    2 航空火力与指挥控制系统

    航空火力与指挥控制系统是指由传感器、航空武器、航空火控和机载作战管理、指挥控制系统所组成的综合闭环大系统。其功能是完成对敌方的空中、地面、水面(下) 各种目标进行探测、识别、跟踪,进行数据融合和信息处理,评估载机和目标的环境态势,进行作战管理与指挥控制,实施火力分配和控制,以控制载机所携带的各种武器实施瞄准、攻击和引导,并进行作战效能评估。航空火力与指挥控制系统越来越复杂,综合程度越来越高。未来航空火力与指挥控制系统正向适应下一代作战飞机的综合化、智能化和自动化方向发展,以提高命中概率和作战效能为目标,为适应未来战争的全天候、全方位和全高度的远、中和近距相结合,满足电子干扰与电子对抗的自动化指挥与控制作战需要,中、远距“发射后不管”超视距和精确攻击防区外航空火力与指挥控制系统,必将得到迅猛的发展。

    3 先进航空综合火力与指挥控制系统

    精确的空中打击依赖于精确的定位、精确的数据融合和信息优势,依赖于精确的指挥和控制以及精确的制导武器技术。航空火力与指挥控制系统是完成精确空中打击的军用航空飞行器的核心,它的功能、效能和质量直接决定了军用航空飞行器的作战能力。现代战斗机航空火力与指挥控制系统以F/A一22、F一35飞机为代表,这两种飞机的系统结构代表了现代战斗机武器火控系统构型的发展趋势。

    3.1 系统构型

    1)  高度综合化

    包括雷达、电子战(Ew) 、通讯导航信息识别(CNI) 、射频信息(RF) 综合、可见光和激光光学信息综合的信息高度综合;采用多功能显示器加头盔显示器,在信息综合的前提下,给飞行员提供全面信息,充分发挥其战术决策优势的显示高度综合;统一控制、调度与显示,集多功能于一身,关键功能的重叠与降级处理等功能高度综合;硬件功能的合理分配及余度技术,分布式计算机的余度技术等硬件高度综合;

    软件的模块化设计及统一调度,支持一体化、标准化设计的软件高度综合;各分系统、各功能、各模块的综合检测、故障隔离、显示与处理的检测高度综合。

    2)  分区设计

    在系统功能划分上,现代战斗机航空火力与指挥控制系统已明显从纵向划分过渡到横向划分,提出了功能区的概念。功能区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。以F/A一22为例,火控系统可分为传感器区、任务处理区和显示区3个功能区,3个区通过HSDB(高速光纤数据总线) 交换信息,并与核心处理机相连。现代战斗机智能航空火力与指挥控制系统结构如图1所示。

航空综合火力与指挥控制系统的仿真研究
图1 先进航空综合火力与指挥控制系统结构图

    3)  综合显示控制技术

    麦道公司著名战斗机驾驶舱设计家亚当提出的全景驾驶舱控N/显示系统—— “大画面”计划代表了21世纪战斗机驾驶舱的发展趋势。它以头盔显示器作为近视距情况了解的主显示器;用大屏幕显示器实现超视距全景情况了解;采用握杆操纵、触敏控制、头位跟踪和控制技术实现多通道综合控制。其长远目标是“大画面”,即整个仪表板构成一个大屏幕触敏控制全景显示器,并采用头盔显示器和三维语音控制。

    3.2 系统任务功能

    空对地攻击能力的强弱是空中力量由积极防御型向攻防兼备型转化的决定性因素,世界各国都以加强空对地攻击力量作为今后发展空中力量的重点。

    根据已有的资料表明,21世纪的空战涉及的作战单位将从单机到多机种,甚至是陆、海、空、天一体化的联合作战体系,而不再是以前空战中简单的攻击、瞄准、投放过程,火控系统的主要任务和功能应该拓宽到空中指挥引导、多机协同对地攻击、武器投放后的精确制导等领域中去。因此,现代战斗机航空火力与指挥控制系统系统功能包括:

    1) 飞行轨迹/任务规划;

    2) 战术数据链/CNI;

    3) 编队协同/辅助决策;

    4) 多传感器信息融合;

    5) 空空/空面精确打击,多目标攻击;

    6) 综合电子干扰与对抗;

    7) 综合攻击结果评估。

    3.3 系统智能化

    现代战斗机的火控系统不仅是探测、显示武器控制系统的核心,还应包含指挥控制这一关键环节,它已经成为整个战场C I系统的一部分。尤其在现代对地攻击任务中,它涉及到任务准备、起飞、导航、指挥导引、传感器管理、电子对抗、战术决策、瞄准攻击、武器导引和协同作战等作战飞行的全过程。采用人工智能技术将大大减轻驾驶员负担,进而显著提高系统的整体作战效能。

    4 综合航空火力与指挥控制系统的1方真

    4.1 综合航空火力与指挥控制系统仿真任务

    1) 确定系统结构

    通过仿真的方法来决定与选择最佳的航空电子综合火控系统结构;

    2) 确定系统处理能力和传输能力

    在确定了系统结构的基础上,经过系统功能仿真后确定系统的物理结构,分析该系统处理载荷的能力和信息传输能力,从而预测计算机系统的能力;

    3) 确定数学模型和逻辑关系

    其主要目的是确定系统的运算逻辑。在前两个阶段仿真所确定的基础上,完成功能特性所要求的输入和输出间的数学算法关系。用于设备的动态相互作用的分析(制导、导航和火控系统) 以及算法设计和系统性能验证等;

    4) OFP(作战飞行程序) 软件验证

    是在实际的机载计算机指令集级别上完成的OFP开发。此开发要精确,细化到软/硬件的相互作用过程上,以进一步确定各机载计算机的软件算法;

    5) 综合试验仿真

    综合试验仿真是用来支持特定的子系统与航空电子综合火控系统的综合,目的是检查、鉴定实际的航空电子综合火控系统与航空电子综合火控系统子系统的实时相互作用。它可对系统性能参数进行鉴定,并进行软/硬件的综合,保证系统顺利装机。

    4.2 综合航空火力与指挥控制系统仿真功能

    1)  评定综合航空火力与指挥控制系统的综合特性

    评定系统接口和功能的正确性;评定系统人机接口、控制逻辑、系统响应的正确性;评定系统主要功能的完整性;评定系统主要技术指标是否满足要求;进行BIT测试;进行动态功能试验,验证POP等;评定驾驶舱显示和飞行仪表合理性;评定航空电子综合火控系统结构合理性,软件和硬件的正确性;评定导航系统性能,实现多种导航方式。

    2) 评定综合航空火力与指挥控制系统性能

    根据不同的武器和攻击方式,从飞机进入一搜索一截获一跟踪一攻击一返航等全过程进行性能评定。

    3) 综合航空火力与指挥控制系统战术开发

    在新型号发展的方案确定阶段能加入实际的战术/威胁环境对飞机和武器进行分析,评定作战方式、选择作战剖面和对武器提出指标要求;在设计阶段对各种武器投放模式、导航状态、目标标志、显示和控制方式、作战飞行软件的编排进行系统的仿真和详细的评定,在各种飞行状态下进行战术设计的综合评定,如迎头攻击、后半球攻击、俯视攻击、仰视攻击和机动攻击的战术综合评定。

    4) 综合航空火力与指挥控制系统研究

    进行综合航空火力与指挥控制系统的顶层设计、作战飞行软件的设计以及系统的综合;进行飞机一武器系统的综合仿真与评定;飞机与其它子系统的综合仿真与评定;具有综合飞行/火力控制、综合飞行/推力控制的研究环境。

    5) 支援飞行试验

    能够进行空中/地面对比试验,复现飞行试验中发生的问题及遇到的异常现象,识别问题的原因和研究解决的方法。

    6) 仿真技术研究

    能够提供仿真理论、仿真方法的研究环境,仿真软件的研究和开发环境;进行虚拟现实技术的研究和应用,有关半物理仿真和人在回路中的仿真技术的应用研究;进行武器系统在作战环境下运用的仿真技术研究。

    4.3 综合航空火力与指挥控制系统仿真工具

    4.3.1 在系统初步设计阶段,航空电子综合火控系统需要提供的仿真工具

    1) 航空电子接口数据库管理软件(ICDB)

    ICDB是对航空电子接口控制文件进行数据库管理,为用户提供数据查询、报告、更新、版本间记录比较、总线监控数据生成等服务。是航空电子研制、开发以及试飞中强有力的工具。

    2) 多路数据总线数字仿真软件包(MU—DIS)

    航空电子综合化系统采用总线式的网络拓扑结构,选择1553B总线通信协议作为支持。由于系统的拓扑结构和消息大小、传输特性对整个航电系统的性能影响非常大,因此必须对总线通信进行定量仿真分析。MUDIS就是用于对航空电子总线通信系统进行定量仿真分析的一个软件工具,指导系统设计人员对系统结构进行调整和对通信参数作出修正。它用于综合化航空电子系统顶层设计,对一条或两条总线结构和接口控制文件(ICD) 进行离线仿真分析,提供总线负载、消息延迟时间、子地址利用情况等统计结果,指导系统设计人员进行系统结构和ICD的调整;还可用于总线通信系统详细设计,提供最优化的总线消息传输方案,生成优化的总线表(BUSLIST) ,为总线控制器(BC) 对网络消息传输实施管理和调度提供依据。

    4.3.2 系统详细设计阶段,航空电子综合火控系统需要提供的仿真工具

    1) 总线监控器(ICDM)

    ICDM 是一个对1553B总线消息进行实时监控的软件,其主要功能是实时监控1553B总线上的传输信息,并按照总线通讯表和IcDB的定义进行相应的数据格式转换并显示。

    2) 1553B多路数据总线通信开发系统软件工具(MBDs)

    在综合化电子系统中,所有子系统都通过1553B串行数据总线进行数据交换,因此多路数据总线通信问题就成为整个综合化系统的一个关键。MBDS软件是1553B多路数据总线通信系统开发和维护的必不可少的工具,也是系统设计单位掌握系统综合主动权的重要手段。MBDS软件可直接生成可加载的通信软件,支持通信系统开发和维护。MBDS生成的传输层软件,必须与驱动软件、应用层软件相互连接,然后加载于目标机,因此MBDS必须与软件开发工具(连接工具、加载工具) 相互适应。MBDS是一个用于通信软件自动生成的交互式菜单驱动软件,适用于基于ISBC协议或简单机制协议的MIL—STD一1553B单级和双总线系统。

    5 结束语

    由于仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全性、可多次重复性以及不受气候条件限制等优点,在综合航空火力与指挥控制系统规划、分析、设计、研制、使用、维护、作战演习以及人员培训等方面起到重要作用。先进战斗机的综合航空火力与指挥控制系统技术的发展离不开仿真技术。尽管航空火力与指挥控制系统综合化智能化和自动化的程度越来越高,但整个航空火力与指挥控制系统的组成也将越来越复杂,应用的科学技术也将越来越高。可以说,综合化、智能化和自动化的提高是以整个航空火力与指挥控制系统的复杂性为代价的。

    总之,随着技术的不断发展,航空火力与指挥控制系统将向着更新、更全面、更适应现代或未来战争需要的方向发展。

    参考文献:

    [1] 卢广山。李锋,张红.第四代战斗机武器火控系统综述[j].国防科技工业,2002(3) :60—64.

    [2] 孙隆和.21世纪初航空武器火力控制系统发展的关键技术[J].火力与指挥控制。2000.25(3) :1—2.
   
    [3] 龚诚.武器系统信息化和中国航空工业发展的思考[c]//2003年火力与指挥控制年会论文.

    [4] 夏英明.航空百年的火力控制[J]. 电光与控制.2003。10(2) :1— 8.

    [5] Jaynee B Gardner and Kristina J Hendrickson.In—tegrating the digital battlefield with autonomic logistics:cognitive implications[R].AIAA 2005—1321.

    [6] F一35 joint strike fighter(JSF) program :Background。Status。and Issues[C]//CRS Report forCongress。2004。3.

标签:航空火力战斗机军事
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