蔡愛華,劉樹立

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

綜 述

精細化設(shè)計理念在軍用電子信息裝備中的思考與應(yīng)用
——細節(jié)決定成敗

蔡愛華,劉樹立

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

本文從民用信息產(chǎn)品追求精致、智能和人性化這些細節(jié)而得到快速發(fā)展的趨勢，聯(lián)想到當(dāng)前軍用電子信息裝備注重戰(zhàn)技指標實現(xiàn)，忽視過程中的細節(jié)而影響裝備實戰(zhàn)效果，結(jié)合作者多年在軍用電子信息系統(tǒng)裝備的經(jīng)驗和體會，談?wù)勗谘b備研制的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、試驗驗證、售后服務(wù)等幾個階段對關(guān)注細節(jié)的認識，供同行參考。

細節(jié)；需求分析；系統(tǒng)設(shè)計；試驗驗證

0 引 言

細節(jié)決定成敗在生活中隨處可見，一個商品的基本功能在價值上的體現(xiàn)往往只占價格的很低水平，比如低檔手機只賣一兩百元，高檔手機卻賣萬元以上，但打電話的基本功能是一樣的。還有另一種現(xiàn)象，商品的價格與其精致程度的比例是：精致程度95%的只賣一元，99%的可賣十元，99.9%的可賣一百元，99.99%的可賣一萬元。為什么很多人認同極致產(chǎn)品的價值，就是因為極致的產(chǎn)品在任何時候都表現(xiàn)出最優(yōu)秀的性能，能支持用戶實現(xiàn)所期望的目標。

現(xiàn)在是信息時代，信息時代的信息產(chǎn)品最典型的特征是精致、智能和人性化，精致、智能和人性化的核心是高度關(guān)注細節(jié)，同樣以手機產(chǎn)品為例，各個品牌的功能基本差距很小，大家選擇哪個品牌主要關(guān)注其產(chǎn)品精致程度以及更符合自己的使用習(xí)慣，功夫都體現(xiàn)在細微之處。

但作為特定需求的軍用電子信息裝備，軍方一直以戰(zhàn)技指標作為研制和考核的依據(jù)，工業(yè)部門一直以實現(xiàn)戰(zhàn)技指標作為完成任務(wù)的標志。受成本和研制周期的制約，在追求產(chǎn)品的精致、智能和人性化方面一直不受重視，但隨著信息化裝備在信息化作戰(zhàn)中重要性的不斷提升，精致、智能和人性化三大因素對作戰(zhàn)效能發(fā)揮的影響力形成了明顯的制約，甚至影響到戰(zhàn)爭的成敗。本文結(jié)合作者多年在軍用電子信息系統(tǒng)裝備的經(jīng)驗和體會，在產(chǎn)品研制的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、試驗驗證、售后服務(wù)等幾個階段談?wù)剬﹃P(guān)注細節(jié)的認識，作為一種設(shè)計思維方式供大家參考。

1 需求分析階段——關(guān)注隱含的需求

在需求分析階段，關(guān)注細節(jié)的重點是指標中隱含的需求。以預(yù)警機為例，機載雷達系統(tǒng)最典型的指標是作用距離，通常由用戶提出在給定的雜波模型、探測概率、RCS、速度范圍、數(shù)據(jù)率條件下的最大探測距離指標[1]。作為軍方提出最大作用距離這一指標，其實隱含了在最大作用距離范圍內(nèi)對目標具有更好的探測能力的需求。比如航跡連續(xù)穩(wěn)定、目標機動時航跡保持連續(xù)、航跡起始時間要短、航向測量的穩(wěn)定性要好等等；電子偵察系統(tǒng)典型的功能要求是對雷達輻射源信號進行搜索、截獲和分析，依據(jù)信號特征，對輻射源及其所屬的平臺(或武器系統(tǒng))進行分類和識別。這一功能要求同樣隱含建立雷達輻射源特征數(shù)據(jù)庫，依據(jù)雷達輻射源特征和平臺運動情況(自身測量雷達輻射源方位線的變化或機載雷達協(xié)同對空中運動目標/水面目標進行定位)、其它偵察來源(光電偵察/人工偵察)確定的平臺類別/型號進行匹配建立對應(yīng)關(guān)系，才能實現(xiàn)這一功能，也就是電子偵察系統(tǒng)隱含了需要通過反復(fù)多次偵察積累建立識別庫的功能需求；通信系統(tǒng)典型的指標是作用距離，作用距離隱含了與通信對象在給定距離內(nèi)的穩(wěn)定可靠通信能力，包含一定條件下的機動飛行和干擾環(huán)境，因此也隱含了必需具備多種通信手段互相備份的要求；導(dǎo)航系統(tǒng)最典型的指標是位置、航向和姿態(tài)信息，這些信息指標隱含了保證任務(wù)完成率所需的穩(wěn)定性要求，也就是某種導(dǎo)航手段失效時系統(tǒng)必需具備備份能力的需求。特別需要強調(diào)的是機載電子信息系統(tǒng)各項指標背后都隱含了這些指標需要在機上所有系統(tǒng)同時工作條件下能夠?qū)崿F(xiàn)的需求。如此等等，必需認真研究、深入分析用戶隱含的需求，才能設(shè)計出優(yōu)秀的裝備來。

2 系統(tǒng)設(shè)計——細心研究領(lǐng)會系統(tǒng)功能和性能指標的真實用義

在電子信息產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達的今天，要為用戶設(shè)計出精致、智能和人性化軍用電子信息裝備，首先要成為一個優(yōu)秀的工程師。而優(yōu)秀的工程師與武學(xué)大師的成長過程比較相似，學(xué)武是從一招一式開始的，起初是不能理解所學(xué)一招一式的真實用義，只有通過學(xué)習(xí)——練習(xí)——領(lǐng)會——再學(xué)習(xí)——深刻領(lǐng)會——融會貫通，才能理解最初的一招一式的真實用義。工程技術(shù)人員從學(xué)習(xí)基本的設(shè)計方法開始，起初也不能理解基本的設(shè)計方法的真實意義，只是知道用某種方法可以解決一定的問題，通過設(shè)計、制造、試驗，才能達到基本理解設(shè)計內(nèi)涵的階段，成為一個初級工程師，只有通過再學(xué)習(xí)——從事復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計——反復(fù)進行設(shè)計、制造、試驗——深刻領(lǐng)會系統(tǒng)功能和性能指標的真實用義——站在更高的角度對系統(tǒng)設(shè)計進行審視和完善設(shè)計，才能成為優(yōu)秀的工程師。

領(lǐng)會系統(tǒng)功能和性能指標的真實用義就是在設(shè)計中應(yīng)該高度關(guān)注容易被忽視而又特別重要細節(jié)，同樣以預(yù)警機為例，機載預(yù)警雷達系統(tǒng)在給定重量、功耗、安裝尺寸的限制條件下，雷達的作用距離基本可以確定，但由于機載預(yù)警雷達的活動范圍大、作用距離遠、監(jiān)視的目標種類多，對目標的探測、跟蹤、處理很復(fù)雜，比如如何處理高速運動目標的航跡起始，如何處理在強雜波環(huán)境中的航跡連續(xù)性問題，如何處理海面低速目標的航跡穩(wěn)定跟蹤問題等等，這些“快、準、穩(wěn)”的問題處理起來非常復(fù)雜，處理的效果又很難定量衡量，解決的程度又直接影響到作戰(zhàn)效能，因此這些細節(jié)的重要性不言而喻。

對于高速運動目標的航跡起始，這是預(yù)警雷達設(shè)計中是容易被忽視的一個特定需求，通常為了降低航跡虛警率，預(yù)警雷達采用3點建立航跡方式，這對于常規(guī)速度的目標的探測威力基本沒有影響。如果雷達在方位上采用機械掃描工作方式，從第一個點跡發(fā)現(xiàn)到建立航跡，至少需要20 s以上，對于3倍音速的導(dǎo)彈，目標已經(jīng)飛行20 km以上了，如果雷達對該種導(dǎo)彈目標的最大探測距離是200 km，實際探測能力則要下降10%，反之如果要滿足200 km的最大探測距離，則雷達功率需要增加近50%。因此在最初設(shè)計時必須充分考慮對高速目標的預(yù)警需求，設(shè)計多普勒測速不模糊范圍必需包含可能的最大目標速度，同時設(shè)計高速目標點跡多普勒告警和天線回掃探測功能實現(xiàn)對高速目標的快速航跡起始和跟蹤，在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)對高速目標的探測與跟蹤，大幅提升雷達對高速目標的探測能力。

對于地面雷達，在沒有干擾和目標機動的情況下，在雷達威力范圍內(nèi)實現(xiàn)對空中目標連續(xù)穩(wěn)定跟蹤探測比較容易。但對于機載預(yù)警雷達來講，情況要復(fù)雜很多，載機預(yù)警雷達在雷達威力范圍內(nèi)要實現(xiàn)對空中目標連續(xù)穩(wěn)定跟蹤探測，有很多問題必需解決，這些問題涉及雷達頻段、波束掃描方式、主波束寬度、副瓣電平、重復(fù)頻率、地/海面反射系數(shù)、發(fā)射功率等等。對于機載預(yù)警雷達要解決所有距離、方位、高度、速度范圍的空中目標連續(xù)穩(wěn)定跟蹤探測難度非常度大，幾乎不可能，但對一些予以高度關(guān)注的特定目標，雷達必須具備連續(xù)穩(wěn)定跟蹤探測能力，以支持指揮引導(dǎo)和協(xié)同打擊。

實現(xiàn)這一能力可從以下幾個方面考慮：①選擇機相掃結(jié)合的天線掃描方式，實現(xiàn)360°方位覆蓋內(nèi)主波束寬度最優(yōu)化；②采用數(shù)字陣列天線技術(shù)降低落在目標速度區(qū)域內(nèi)副瓣雜波強度(對天線在某個方向上的副瓣電平進行限制)[2]；③在目標航跡出現(xiàn)丟點時，采用不同重頻信號進行補充探測，解決距離速度二維盲區(qū)影響；④選擇合適的預(yù)警機飛行航線，降低機身對雷達副瓣的影響；⑤在目標機動時，采用高數(shù)據(jù)率和高、低重頻交替工作方式提高探測概率；⑥控制預(yù)警機轉(zhuǎn)彎橫滾角，降低載機橫滾對雷達方位、俯仰測量精度的影響。

對于海面目標低速目標穩(wěn)定跟蹤問題一直是機載預(yù)警雷達需要深入研究的問題，這里面包含兩個大的方面，一是在目標密集時點跡與航跡的錯誤關(guān)聯(lián)；二是低速目標穩(wěn)定跟蹤的優(yōu)化處理。比如可以從以下幾個方面考慮：①利用雷達距離分辨率高的優(yōu)勢，在極坐標下進行點跡航跡關(guān)聯(lián)處理，降低關(guān)聯(lián)錯誤；②在方位上采取小步進連續(xù)測量的工作方式，提高雷達方位分辨率；③同時進行不同數(shù)值點跡(比如3、6、12點)的多點凝聚處理，解決航跡、航向穩(wěn)定檢測和目標機動時航跡變化滯后問題。

對于電子偵察系統(tǒng)，同樣的功能在不同的用途上設(shè)計也是不一樣的，比如對雷達輻射源信號進行搜索、截獲和分析，依據(jù)信號特征，對輻射源及其所屬的平臺(或武器系統(tǒng))進行分類和識別這一功能，在預(yù)警機上用于輔助探測和識別與在偵察機上用于偵察監(jiān)視是有很大區(qū)別的。在預(yù)警機上重點是與雷達協(xié)同完成目標探測和識別、完成對雷達威力以外(比如隱身目標，雷達作用距離很近)的目標的引導(dǎo)探測、完成威脅信息的偵察告警，因此在預(yù)警機上建立雷達輻射源特征數(shù)據(jù)庫重點是針對移動平臺特別是隱身移動平臺；在偵察機上主要用于電磁態(tài)勢信息的偵察收集，形成電磁態(tài)勢變化的動態(tài)情報，其次是與其它渠道收集的信息進行匹配處理，形成雷達輻射源信號與平臺的匹配數(shù)據(jù)庫，支撐對輻射源信號平臺的快速探測和識別(比如預(yù)警機平臺)，因此在偵察機上建立雷達輻射源特征數(shù)據(jù)庫需要包含各種平臺。同樣對偵察處理信號密度這一指標，在預(yù)警機和偵察機上其含義也不相同了。

對于通信系統(tǒng)最基本的需求是與通信對象在給定距離內(nèi)的穩(wěn)定可靠通信能力，影響穩(wěn)定可靠通信的主要因素是機動飛行和干擾環(huán)境，就目前典型的通信裝備設(shè)計來看，單一通信手段在機動飛行和干擾環(huán)境是肯定不能滿足穩(wěn)定可靠通信需求的，其主要原因是天線設(shè)計通常不能同時滿足全向通信和抗干擾的需求。因此設(shè)計相控陣通信天線或利用機上相控陣雷達天線進行通信，實現(xiàn)大容量可靠通信和提升抗干擾能力，將成為未來機載通信的主要方向。

當(dāng)前典型的機載導(dǎo)航系統(tǒng)由大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、多模接收機、塔康機載設(shè)備、無線電羅盤、雷達高度表、衛(wèi)星導(dǎo)航、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航等組成，各導(dǎo)航設(shè)備獨自工作并將信息通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行組合提供給機上使用。各導(dǎo)航設(shè)備提供的導(dǎo)航信息具有一定備份作用，其中在精度上起主要作用的是衛(wèi)星導(dǎo)航和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航，位置和速度信息精度主要依靠衛(wèi)星導(dǎo)航，姿態(tài)精度主要依靠慣性導(dǎo)航。當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航故障時，位置和速度信息精度將大幅下降，一般不能滿足載機和機上任務(wù)系統(tǒng)正常工作的需求，如果通過將雷達探測已知固定目標對載機進行相對定位和有些數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的相對導(dǎo)航功能等引入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位修正，將大幅提升衛(wèi)星導(dǎo)航故障時載機和機上任務(wù)系統(tǒng)的性能指標，基本可以滿足應(yīng)急工作需要。

在關(guān)注功能性能實現(xiàn)細節(jié)的同時，關(guān)注設(shè)計思路的細節(jié)同樣十分重要。比如在空空對抗演練中，某先進的機載火控雷達與早期的火控雷達相比，其作用距離大一倍但對機動目標的跟蹤效果反倒不如早期的火控雷達，分析原因是性能先進的機載火控雷達增大了天線孔徑，降低了波束寬度，提高了作用距離。但由于波束寬度變窄，影響了對近距離機動目標的跟蹤效果，如果設(shè)計時充分考慮這一細節(jié)，根據(jù)目標距離來控制波束寬度，就可以很好解決近距離機動目標的跟蹤效果問題。

又比如在多個應(yīng)用軟件同時運行的計算機上，經(jīng)常出現(xiàn)一個應(yīng)用程序在信息輸入量瞬時增大時，CPU占用達到100%，導(dǎo)致其它應(yīng)用程序運行出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，通常設(shè)計師采取提升計算機性能或降低整體處理信息量的辦法，這樣通常會提高硬件成本或降低系統(tǒng)性能。如果通過設(shè)計預(yù)處理程序，對信息瞬時輸入量進行適當(dāng)控制，就可以在原有的CPU性能上解決處理卡滯現(xiàn)象。

又比如通信系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)在地面檢查時設(shè)備、天線、饋線均檢測正常，但飛機起飛后通信卻不正常的現(xiàn)象(嚴重時曾經(jīng)出現(xiàn)過4路同樣的通信設(shè)備同時出現(xiàn)類似問題的情況)，再到地面檢查卻查不出明顯原因。分析其主要原因是饋線接插件在震動環(huán)境下連接穩(wěn)定性存在缺陷(與國外相比)和通信設(shè)備不具備對天饋線的實時在線檢測功能。

對于未來研制的電子信息裝備，在設(shè)計系統(tǒng)功能性能的同時，設(shè)計全覆蓋自診斷監(jiān)測功能[3]是關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計細節(jié)的一個重要方面，通過設(shè)計全覆蓋自診斷監(jiān)測功能既提升系統(tǒng)的使用效果和降低維修難度，又便于提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自身缺陷和完善系統(tǒng)設(shè)計。如果在系統(tǒng)設(shè)計時對這些細節(jié)予以充分考慮解決，則類似問題就不會出現(xiàn)。

3 試驗驗證——關(guān)注試驗條件對作戰(zhàn)使用的影響

裝備的試驗驗證不僅要關(guān)注典型條件下的功能性能指標，作為設(shè)計師更要關(guān)注邊界以及邊界之外條件下裝備的功能性能指標情況。比如對機載有源相控陣雷達天線的測試，現(xiàn)在通常在微波暗室中進行，其主副瓣形狀和電平數(shù)據(jù)是計算出來的，這種測試方法在陣面法線的一定角度范圍之內(nèi)具有較高準確性，但與實際使用存在一定差異：①測試信號處在單元天線的大信號區(qū)，與實際雷達天線單元接收目標回波處于弱信號區(qū)在通道的幅相特性上是存在差異的；②測試狀態(tài)的天線處于近場理想工作狀態(tài)，實際天線處于受載機機身影響狀態(tài)；③測試天線工作在單天線狀態(tài)，實際相控陣天線為了實現(xiàn)全方位覆蓋，需要多天線組合，天線間的相互影響沒有包含在內(nèi)。因此應(yīng)考慮采取遠場測試天線實際方向圖獲得更準確的雷達天線性能數(shù)據(jù)，用以改進雷達的整體探測性能。

又比如對機載雷達作用距離的測試，經(jīng)常采用目標機在作用距離指標之外一定距離到作用距離指標之內(nèi)一定距離相向或相背飛行測試的方式，這種方式是測量雷達最大作用距離的經(jīng)典模式，但由于PD體制的機載雷達最大作用距離是與目標速度和雜波背景密切相關(guān)的，因此需要通過試驗獲取不同的雜波背景下目標以不同角度進入和退出的最大作用距離數(shù)據(jù)，才能全面準確評價機載雷達的最大作用距離能力。

4 售后服務(wù)——關(guān)注裝備使用中的異常情況

裝備的售后服務(wù)不僅僅是進行維護/維修，最重要的是通過收集裝備使用過程中出現(xiàn)的各種問題和故障情況，對裝備進行改進和完善。對于偶發(fā)的故障，通常進行必要的維修加以解決，但對于重復(fù)發(fā)生的故障，則一定要認真追究其原因，進行設(shè)計改進徹底解決問題，這一處理的基本方法大家都明白。作為優(yōu)秀的設(shè)計師，更要在一些現(xiàn)象中盡早發(fā)現(xiàn)裝備的薄弱環(huán)節(jié)，進行改進完善，提升裝備質(zhì)量，確保裝備在關(guān)鍵時刻能夠好用頂用管用。比如某型機出現(xiàn)意外損傷時，對多個機載電子裝備進行檢查，發(fā)現(xiàn)某種裝備損壞率明顯高于其它裝備，從表象上看這種損壞符合常規(guī)損壞條件，但仔細分析其質(zhì)量上應(yīng)該存在一定的抗強震動能力不足的問題，應(yīng)認真查找其抗強震動薄弱環(huán)節(jié)，采取改進措施提升該裝備的耐用性。又比如經(jīng)常出現(xiàn)的導(dǎo)航基準誤差變大引起探測誤差變大的情況，這在單平臺探測時經(jīng)常被忽視，但在多平臺探測系統(tǒng)中就會出現(xiàn)情報融合出錯。因此在探測系統(tǒng)中需要具備誤差自檢測功能，才能在導(dǎo)航基準誤差變大時及時發(fā)現(xiàn)問題并及時采取修正措施，保證系統(tǒng)在體系中的正確使用。

5 結(jié) 語

本文敘述的各種關(guān)注細節(jié)的設(shè)計理念，可能表述不一定準確甚至存在錯誤，但核心思想是希望在信息時代從事軍用電子信息裝備的設(shè)計人員，能夠樹立一切為打贏信息化戰(zhàn)爭為目標的思想，充分借鑒民用電子設(shè)備在市場競爭中自我完善的設(shè)計理念，在自己設(shè)計研制的裝備上精益求精，真正實現(xiàn)裝備的好用頂用管用。

[1] 賁德,韋傳安,林幼權(quán).機載雷達技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社.

[2] 王永良,丁前軍,李榮鋒. 自適應(yīng)陣列處理[M].清華大學(xué)出版社.

[3] 蔡愛華,范強. 下一代機載任務(wù)電子系統(tǒng)總體設(shè)計思考[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2016(2).

[4] 張祖稷,金林,束咸榮. 雷達天線技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社.

[5] 劉飛騰,曹晨.機載預(yù)警雷達試飛方法的研究[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2014(1).

The Thought and Application of Precise Design Concept in Military Electronics Information Equipment——Details determine success or failure

CAI Ai-hua，LIU Shu-li

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041)

From the tendency that civilian information product gained rapid development because of pursuit in the details, e.g. delicacy, intellectual and humanization, the paper associate that the designer of military electronics information equipment pay attention to achieving its tactical and technical index, but ignore the details of developing process, thus impacting the actual effect of equipment. According to many years of experience and realize, from several stages of equipment development such as requirement analysis, system design, experimental verification and after-sales service, the author elaborate the cognition of attention to details, for the colleague reference.

detail; requirement analysis; system design; experimental verification.

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.001

2017-06-05

2017-07-26

蔡愛華(1962—)，男，江蘇人，研究員級高工，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為大型電子信息系統(tǒng)設(shè)計與集成、傳感器系統(tǒng)設(shè)計、信號與信息處理；

E-mail：liushuli95@163.com

劉樹立(1976—)，男，湖南人，高級工程師，主要研究方向為大型電子信息系統(tǒng)設(shè)計與集成、信號與信息處理、通信協(xié)議。

TP277

A

1673-5692(2017)04-333-04