葉又東，卜亞軍，王 鑫，鄒 強

(1. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2. 海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

0 引 言

機載武器是以飛機為載體，向地面或者空中目標投射的具有破壞殺傷作用的武器彈藥。作為最直接的空中打擊力量，機載武器在戰(zhàn)爭中占有極其重要的地位。從第一次海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭到第二次海灣戰(zhàn)爭，機載武器無不起到了決定性作用。從最初的機載射擊武器發(fā)展到今天的先進制導武器，機載武器在戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越顯著的作用，并日益受到重視。

在機載武器系統(tǒng)中，武器系統(tǒng)和載機系統(tǒng)共同組成一個復雜的系統(tǒng)。載機為機載武器發(fā)射提供初始條件和參數設定，機載武器的最終命中精度很大程度上受到發(fā)射時載機初始狀態(tài)的影響。機載武器也對載機控制系統(tǒng)和飛行狀態(tài)起著關鍵影響作用。因此，將載機和機載武器系統(tǒng)進行合理、有效的集成，是確保作戰(zhàn)飛機和機載武器能很好地配合以發(fā)揮最佳作戰(zhàn)效能的關鍵。

1 機載武器系統(tǒng)集成概況

1.1 機載武器系統(tǒng)集成概念

載機與武器之間數據傳輸、接口管理、操縱控制等無不依賴于武器與載機之間的集成。由于機載武器種類繁多、功能各異，難以為某型現(xiàn)有或新型武器設計專用的懸掛管理系統(tǒng)。因此，集成系統(tǒng)應當可與一系列戰(zhàn)機及武器兼容，提供通用或相近的掛載及操控能力。

總體來說，機載武器系統(tǒng)集成就是要通過適當的組件整合和集成，將載機系統(tǒng)與武器系統(tǒng)進行有效對接，保證載機更換武器時僅做簡單的物理或數據上的改動即可實現(xiàn)對武器的有效操控，而無需重新設計系統(tǒng)的硬件或軟件。

1.2 機載武器系統(tǒng)集成意義及特點

機載武器系統(tǒng)集成的目的在于通過先進的設計思想和技術，實現(xiàn)武器與載機系統(tǒng)物理、接口和協(xié)議上的兼容。機載武器系統(tǒng)集成可以極大地提高武器系統(tǒng)的互換性、互用性、可移植性，進而提高戰(zhàn)機作戰(zhàn)靈活性和武器自動化程度。

與艦載武器和地面武器相比，機載武器的系統(tǒng)集成有著其獨特的性質，主要包括:

(1)受載機起飛重量和機動性能要求限制嚴格，要求集成系統(tǒng)體積更小、重量更輕;

(2)集成系統(tǒng)要與載機氣動外形設計和其他分系統(tǒng)位置安排相適應;

(3)機載武器集成系統(tǒng)需要具備在惡劣空戰(zhàn)環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力;

(4)集成系統(tǒng)可靠性與載機可靠性密切相關，集成系統(tǒng)的可靠工作是保證機載武器發(fā)揮作用的決定性因素。

1.3 機載武器系統(tǒng)集成實現(xiàn)分析

1.3.1 機載武器系統(tǒng)集成的工程實現(xiàn)流程

機載武器系統(tǒng)集成工程實現(xiàn)流程分為技術流程和技術管理流程兩部分。技術流程是與集成實現(xiàn)部分直接相關的活動，包括需求定義、分析及分解、方案設計、實現(xiàn)和評價認證等環(huán)節(jié)。集成中需對所有活動進行必不可少的規(guī)劃、分析和管理，即技術管理流程。上述流程及其進程關系通常表示為圖1 所示的V 型圖。

技術流程從總體需求的采集和定義開始，通過需求分析與邏輯分析，對需求進行詳細分解。根據最終劃分的子需求設計集成方案，將硬件和軟件的各要素融入到具體的子系統(tǒng)和總系統(tǒng)方案中。同時，集成實現(xiàn)需通過一系列評價和認證過程，以評估其是否合理有效。如圖1 右支所示，評價和認證過程的主要活動包括核實、批準和認證。評價與認證過程與需求定義、分解與分析過程相輔相成，互為補充。

V 型圖的下部為技術管理流程，主要包括技術規(guī)劃、管理和分析評估，為集成實現(xiàn)和驗證進行風險、接口管理，為進程管控提供分析決策工具。

1.3.2 機載武器系統(tǒng)集成過程

整個機載武器系統(tǒng)集成從需求采集和定義開始，對需求進行分析及分解，然后劃分到各個子系統(tǒng)進行相應的工程實現(xiàn)，最后通過系統(tǒng)評價完成資格認證。如圖2 所示。機載武器系統(tǒng)集成必須按照合理的步驟規(guī)范、有序進行。

圖2 機載武器系統(tǒng)集成過程

(1)需求采集與定義。需求的采集和定義過程需要綜合考慮載機和武器系統(tǒng)的多個方面。定義系統(tǒng)需求時可能會在幾個或幾種需求之間產生矛盾?？刹捎孟到y(tǒng)工程的方法，權衡每一種定義方案的利弊，找出最優(yōu)方案，避免集成方案顧此失彼而難以實現(xiàn)。

在需求采集和定義時，需要評定需求的優(yōu)先級，在進行需求調整時作為參考。需求定義應遵循的基本要求是明確性、清晰性和適宜性。

(2)需求分解與實現(xiàn)。需求分解同樣可能存在多種方案，工程實現(xiàn)中應對這些方案進行建模及擇優(yōu)。在需求分解時，每一個高層次的需求會產生一些子系需求，這反過來會要求對系統(tǒng)架構進一步的分解和劃分，從而產生更細層次的需求。分解時根據需要，可能派生其他暫時性的需求。

需求分解過程中應明確每個子系統(tǒng)必須實現(xiàn)的具體要求。劃分到子系統(tǒng)的需求指標通過硬件和軟件兩個方面進行實現(xiàn)。對于每個子系統(tǒng)的元素，需要確定各自可行、高效的解決方案，再整合成總系統(tǒng)方案。

(3)集成評價與認證。在分解和劃分過程中，需繼續(xù)進行方案成熟度評價，以確保設計進展及集成任務如期完成。在飛機集成層次上，應進行初步設計評價和關鍵設計評價。

2 機載武器系統(tǒng)集成的關鍵技術

2.1 懸掛物管理系統(tǒng)(SMS)設計

懸掛物管理系統(tǒng)用于對載機攜帶的多種外掛物實施控制，減輕飛行員工作負荷。作為協(xié)調武器與機上子系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，懸掛物管理系統(tǒng)對機載武器的集成和管理作用最為直接，對載機加掛和操控新型武器有著重要意義。

懸掛物管理系統(tǒng)應滿足以下基本要求:

(1)控制方便。只用少量開關即可控制所有武器和外掛物。

(2)有較好的靈活性、適應性、通用性。

(3)輸出簡單，便于飛行員掌握武器狀態(tài)。

(4)安全可靠、體積小、重量輕。

隨著GJB1188A－1999《飛機/懸掛物電氣連接系統(tǒng)接口要求》的貫徹實施，國內機載SMS 技術得到了快速的發(fā)展，但仍不能滿足未來作戰(zhàn)對快速集成的要求。尚存在以下幾個問題:

(1)現(xiàn)有SMS 中，武控發(fā)射程序是在設計時搭建的，多采用嵌入式架構。飛機攜帶武器種類、型號在設計時便已固定，加裝新型武器需對載機及SMS 進行軟、硬件的更改。

(2)各機種武器接口尚未完全實現(xiàn)標準化。沒有統(tǒng)一的接口控制文件標準可遵循。

(3)開放系統(tǒng)互連技術和光纖通道技術尚未得到有效應用。

上述問題涉及到如開放系統(tǒng)互連、通信與網絡等專業(yè)技術。待研究的方向有開放式體系架構、通用武器接口(UAI)設計、采用MDA 設計方法等。

2.2 武器初始化及目標瞄準

不同的武器需要不同的瞄準方式。武器瞄準前必須將飛機和武器的參考坐標系初始化，以消除位置和速度誤差。為盡量減小瞄準誤差，導航系統(tǒng)必須確定飛機的精確位置。

現(xiàn)有集成系統(tǒng)進行目標瞄準時，武器瞄準計算機不斷計算武器從當前位置發(fā)射后的落點。當結果顯示目標位置被連續(xù)計算彈著點(CCIP)覆蓋時即發(fā)射武器。由于系統(tǒng)不可避免地會產生處理延遲、數據傳輸延遲，實際瞄準中需將發(fā)射位置提前。設計中還可采用統(tǒng)計分析方法確定所需發(fā)射點與首次計算結果之間的誤差，并考慮進去，進一步降低系統(tǒng)誤差。目標瞄準速度和精度在很大程度上依賴于武器瞄準計算機的處理能力，提高武器瞄準計算機處理速度、改進算法精度是需要不斷深入解決的問題。

2.3 武器接口標準化

現(xiàn)有飛機上存在著大量不同的接口系統(tǒng)，造成武器系統(tǒng)之間互用性差、不同型號之間可移植性差、同系列系統(tǒng)之間復用性差的狀況。因此，采用標準化武器接口，提高武器通用性是各國都在努力解決的問題。標準化的首次嘗試以美國MILSTD－1760 的形成為代表，它使飛機無需提供大量的連接插頭即可滿足不同武器的需求，提高了互操作性并降低了集成成本。

隨著接口標準的逐漸完善與發(fā)展，越來越多的集成標準被開發(fā)出來，如可提高飛機計算系統(tǒng)互操作性的協(xié)議標準等等。但是現(xiàn)有機載武器集成系統(tǒng)的飛行/懸掛物互用問題并未完全解決。現(xiàn)階段及今后研究中應公開接口控制文件，使各方研究時可以共同協(xié)商，制定統(tǒng)一的接口標準。

2.4 接口管理

由于集成接口數量和種類繁多，集成中需要建立一個結構化的管理組織，即接口控制工作組(ICWG)。機載武器系統(tǒng)集成的飛機設計組和武器設計組之間需要建立健全的接口管理進程。接口管理數據記錄在同一個接口控制文件(ICD)中，并由飛機設計組和武器設計組一致通過。

歐美國家在管理集成方案上的方法差別較大，但管理原則都是基于ICWG 的某種形式。ICWG 在本質上是一個技術和方案管理組織，所以還需要專業(yè)的子工作組進行配合。這樣的技術子工作組不僅要分別涉及空氣動力學、電氣系統(tǒng)、機械設計等不同的專業(yè)領域，同時還應具備一定的其他集成領域的分析能力。

3 機載武器系統(tǒng)集成面臨的挑戰(zhàn)

自機載武器投入實戰(zhàn)以來，就面臨著如何與載機有效集成的問題?，F(xiàn)有大多數機載武器系統(tǒng)集成程度較低，飛機與武器之間接口的通用性和互換性較差，導致飛機起飛準備時間長、準備流程繁瑣、起飛重量增加、飛行可靠性降低等問題，使新型武器在短時間內難以形成戰(zhàn)斗力。

隨著技術的發(fā)展，在信息化作戰(zhàn)條件下，機載武器地位和作用更加重要，機載武器系統(tǒng)集成也面臨許多新的挑戰(zhàn)，主要是:

(1)作戰(zhàn)環(huán)境復雜化。在信息化作戰(zhàn)條件下，載機面臨的作戰(zhàn)環(huán)境復雜多變。海洋、陸地、空中飛行狀態(tài)迥異，地形、氣流、電磁干擾等多重自然、人工環(huán)境因素同時影響著武器和載機性能。

(2)作戰(zhàn)任務多樣化。未來戰(zhàn)場，海、陸、空、天一體化的聯(lián)合作戰(zhàn)將成為主要對抗形式，戰(zhàn)機需具備多任務、全天候作戰(zhàn)能力，承擔對空、對地、對艦等多重作戰(zhàn)任務。任務多樣化導致武器多樣化，集成系統(tǒng)也需進行相應的改進和更新。

(3)作戰(zhàn)節(jié)奏快速化。未來作戰(zhàn)條件下，敵對雙方力量構成復雜多樣，戰(zhàn)術復雜多變，空間跨度巨大，態(tài)勢瞬息萬變。以多機、多機型、多機種、多軍兵種協(xié)同為主要形式的體系對抗大大加快了戰(zhàn)爭節(jié)奏，縮短了任務轉換間隔，要求載機必須具備快速裝填和更換武器的能力，并提高與其他載機系統(tǒng)的武器通用性。

(4)作戰(zhàn)飛機無人化。與有人機相比，無人機可承擔的作戰(zhàn)任務更加多樣化，需攜帶的任務載荷種類多且功能多樣。無人機種類多樣、重量尺寸相差大、快速集成需求等問題對機載武器系統(tǒng)集成提出了新的要求。

綜上所述，在新的作戰(zhàn)背景下，現(xiàn)階段有人作戰(zhàn)飛機通常配備數量極其有限的飛行員(通常為單座或雙座)，依靠一兩名飛行員同時完成操控飛機和發(fā)射武器的任務，必須使機載武器系統(tǒng)高度集成，逐步達到可以即時顯示所有武器狀態(tài)，“一鍵準備好”這樣的武器自動化水平。同時，無人機越來越多地投入戰(zhàn)場，對機載武器集成系統(tǒng)提出來新的要求。因此，針對新的作戰(zhàn)環(huán)境對現(xiàn)有機載武器集成系統(tǒng)進行改進和重新設計是一個亟待解決的問題。

4 需要突破的核心技術問題

針對機載武器系統(tǒng)集成面臨的作戰(zhàn)環(huán)境復雜化、作戰(zhàn)任務多樣化、作戰(zhàn)節(jié)奏快速化、作戰(zhàn)飛機無人化等問題，應發(fā)展相應的核心技術以提高集成系統(tǒng)的標準化、開放性和通用性。

4.1 即插即用(Plug and Play)武器集成

即插即用武器集成是指通過建立開放式的系統(tǒng)構型和軟件框架，制定通用化、標準化的系統(tǒng)互連接口，提高武器接口之間的互用性及通用性。其構想是:新武器的研制只需開發(fā)一套包含該武器特點的驅動程序，飛機加掛該武器除裝訂這套驅動程序以外，不需要對飛機任何部分進行修改。

顯然，即插即用只是對未來武器集成水平的一種構想，目前尚無法完全實現(xiàn)。達到這一目標還需許多重大的技術突破?？紤]到現(xiàn)有SMS 集成水平，即插即用武器集成研究應分步實施:

(1)實現(xiàn)已有機載武器系統(tǒng)的通用化集成。采用統(tǒng)一的開放式體系結構和電氣接口標準，按照功能分層的方法設計SMS 體系結構，使系統(tǒng)應用與軟件驅動、數據傳輸等功能分離。

(2)實現(xiàn)新武器的即插即用武器集成。設計新武器及SMS 時，貫徹即插即用武器集成的接口標準、文件傳輸標準、系統(tǒng)體系結構與集成標準。

(3)實現(xiàn)武器集成的網絡化應用。在新一代戰(zhàn)斗機、UAS(無人機系統(tǒng))、制導武器之間的武器制導數據鏈、機間數據鏈、戰(zhàn)場廣域數據鏈中貫徹MIL－STD－3014 等文件傳輸標準，消除任務數據內容對傳輸的耦合關系，使之能夠在軍事數據鏈路和飛機外掛總線中進行傳輸。

4.2 開放式結構懸掛物管理系統(tǒng)

飛機的作戰(zhàn)需要使得開放式體系結構SMS 成為發(fā)展的必然趨勢。開放式結構SMS 架構見圖3，分為3個嵌套的環(huán)境。最寬的環(huán)境覆蓋了功能接口的所有方面，為真實系統(tǒng)環(huán)境(RSE);涉及飛機和懸掛物之間應用進程數據的通信環(huán)境為開放系統(tǒng)互連環(huán)境(OSIE);網絡環(huán)境(NE)為終端系統(tǒng)之間傳輸數據和協(xié)議控制信息服務。

圖3 開放式結構懸掛物管理系統(tǒng)架構

目前，針對開放式結構懸掛物管理系統(tǒng)已經制定了部分標準，如通用開放體系結構框架(AS 4893)，飛機/懸掛物接口通用框架(AIR 5532)，飛機/懸掛物通用接口控制文件格式(AS 5609)等。但是，關于如何設計開放式結構懸掛物管理系統(tǒng)卻沒有公認有效的解決方法?，F(xiàn)階段及今后的研究可能朝向模型驅動體系架構(MDA)方向發(fā)展。

4.3 無人機載武器系統(tǒng)集成

由于作戰(zhàn)任務和方式的特殊性，無人機武器系統(tǒng)集成與常規(guī)系統(tǒng)集成相比有著顯著的不同。首先，取消了座艙顯示和座艙控制組件。其次，懸掛物管理不依賴于飛行員的指令，而是直接受地面或自主控制指令的支配。再次，載機不再將懸掛物狀態(tài)信息報告給飛行員，而需反饋給地面控制系統(tǒng)。無人機的一般系統(tǒng)架構如圖4 所示。

圖4 無人機系統(tǒng)架構

針對無人機系統(tǒng)架構的特殊性，其武器集成系統(tǒng)應在以下幾個方面做出改進:

(1)武器接口的互用性與通用性。出于無人機對快速打擊能力的要求，其地面保障需做到時間短、過程簡單、失誤率低，因此，必須進一步提高武器接口的互用性與通用性，簡化保障流程。

(2)重量和體積要求。一般來說，相比有人作戰(zhàn)飛機，無人機的尺寸更小、負載能力更弱，對集成系統(tǒng)的重量和體積要求更為嚴格。

(3)通信與控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。無人機飛行及作戰(zhàn)對地面系統(tǒng)的控制依賴性強，通信強度大大提高，通信控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作對作戰(zhàn)起著至關重要的作用。因此，其系統(tǒng)集成還需著力提高通信與控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 基于開放式體系結構的即插即用武器集成

針對現(xiàn)階段懸掛物管理系統(tǒng)和武器系統(tǒng)集成面臨的一些問題，現(xiàn)考慮從以下方面實現(xiàn)武器系統(tǒng)的即插即用懸掛物管理。

5.1 開放式的懸掛物管理系統(tǒng)設計實現(xiàn)

在進行系統(tǒng)設計時，應采用通用的體系結構和軟/硬接口標準，建立開放式的懸掛物管理系統(tǒng)。即應采用分層設計的概念，通過建立所需的接口標準，使硬件接口標準實現(xiàn)武器和平臺物理接口之間的一致性，使軟件接口滿足通用武器的要求，盡可能地實現(xiàn)系統(tǒng)功能與軟件應用和數據傳輸等功能的分離，有效保證系統(tǒng)的靈活性、通用性和互操作性。懸掛物管理系統(tǒng)開放式體系結構的實現(xiàn)如圖5 所示。

圖5 懸掛物管理系統(tǒng)開放式體系結構

其中，系統(tǒng)功能層和飛機航電系統(tǒng)連接，可以實現(xiàn)懸掛物管理功能;武器訪問層具有武器的具體性能參數和功能實現(xiàn)，負責完成對具體武器的訪問，向上為系統(tǒng)功能層提供武器的控制接口，向下調用物理介質層的硬件接口;物理介質層具備包含懸掛物管理系統(tǒng)和飛機/武器之間的所有硬件接口，實現(xiàn)電氣信號的發(fā)送和接收。

5.2 基于MDA 的武器即插即用集成

即插即用集成要求無需更改系統(tǒng)的軟/硬件，只需動態(tài)變化的平臺相關模型(PSM)以及其他任務參數就可以實現(xiàn)武器的集成。下面應用模型驅動的體系結構方法(MDA)實現(xiàn)平臺獨立模型(PIM)向平臺相關模型(PSM)的轉化。飛機系統(tǒng)軟件研發(fā)生命周期的簡化視圖見圖6。

在模型驅動架構進程中，從PIM 通過PSM 到PSI 的轉換是為飛行系統(tǒng)體系結構定義的。新的服務組件一旦已經定義，就被賦予了新的功能，此時新的功能就會添加到PIM 中，并通過具有相應轉化說明的映射和轉換工具迅速轉化為源代碼。這種即插即用的模型轉化比更新系統(tǒng)要求規(guī)范，比手動改變每個飛機實施的源代碼更為有效。

圖6 “即插即用”PIM 到PSM 轉化

完整的模型驅動架構方法，不同專家構建系統(tǒng)實施的不同部分如圖7 所示。

圖7 PIM 到PSI 的轉化

一旦模型和映射都已經存在，引入的新功能(例如，引進新型武器或改進武器)將植入到PIM中。進而其他所有的轉換都可以通過現(xiàn)有的映射自動生成，無需改變其他的功能。因此，即插即用的武器集成方法實現(xiàn)了平臺相關模型的動態(tài)綁定和生成，使任務參數和武器的配置數據能夠實時加載到模型中，也就使得任務規(guī)劃的實時制定成為可能。MDA 的引入可以實現(xiàn)更高程度的互用性，為武器系統(tǒng)的即插即用集成提供了一種更為可行有效的方法。

6 結 束 語

機載武器系統(tǒng)集成可以大大提高飛行員操作飛機和武器的靈活性和通用性，對新形勢下飛機作戰(zhàn)具有重要意義。機載武器系統(tǒng)集成是一個復雜的系統(tǒng)工程問題，涉及的問題層次多、范圍廣、技術復雜，必須按照合理的工程流程完成實現(xiàn)。

現(xiàn)階段武器系統(tǒng)集成的程度仍較低，武器接口的通用性和互用性較差。隨著新形勢下作戰(zhàn)條件的改變，機載武器系統(tǒng)集成面臨許多新的問題，必須對原有集成系統(tǒng)做出相應改進，尋求核心技術突破，以滿足作戰(zhàn)需求。通用化開放式懸掛物管理系統(tǒng)架構應成為機載武器系統(tǒng)集成研究和發(fā)展的重點。

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