机载悬挂物管理技术的发展分析研究

    史志富

    

    

    

    摘 要：????? 机载悬挂物管理系统是飞机综合航电系统的一个重要子系统， 对战机作战能力的发挥具有举足轻重的作用。 通过介绍机载悬挂物技术的发展过程， 分析机载悬挂物管理系统的功能和组成， 提出机载悬挂物管理系统的关键技术和发展需求， 为国内机载悬挂物管理技术的研究提供方向和思路。

    关键词：???? 机载悬挂物管理系统; 综合航电系统; 智能自主决策

    中图分类号：??? V271.4? 文献标识码：??? A? 文章编号：???? 1673-5048（2018）01-0081-06

    0 引? 言

    机载悬挂物管理系统（Store Management System， SMS）是现代飞机控制、 监视和发射（弹射、 投放）武器的航空电子系统， 用于监控飞机悬挂物（主要是各种武器、 吊舱、 布撒器、 副油箱等）的工作狀态， 管理悬挂物与飞机其他分系统的通信以及提供发射/投放控制信息[1]。 现代战机为满足多种作战任务的需求， 携带的各类悬挂物越来越多， 如何对悬挂物进行综合管理和控制， 提高悬挂物管理的智能化程度， 降低飞机员的操作负担， 已成为现代战机发挥其最优战斗效能的关键因素之一。 对机载悬挂物管理的研究在经历了从无到有、 从简单到复杂的发展历程后， 目前已基本步入数字式管理阶段， 正在朝自主智能式方向发展[2-3]。

    1 机载悬挂物管理系统的发展

    1.1 早期简单直接硬线控制式发展阶段

    国外在机载悬挂物管理研究方面起步较早。 由于在早期空战， 飞机主要是携带一些机枪、 航炮、 炸弹等简单的悬挂物， 并且主要采用外挂形式， 故称之为外挂管理系统。 早期的外挂管理主要是通过座舱的显示控制、 武器控制面板以及外挂接口装置来实现对悬挂武器的投放操作， 各系统之间通过简单的中继电路和专用线缆进行连接， 在系统结构形式上称为“直接硬线控制式”。 早期的这些设备只能实现单一武器的投放， 悬挂物接口单一、 灵活性和互换性较差， 还不能实现全面的管理和控制。

    1.2 逐步成熟和完善的快速发展阶段

    20世纪60年代， 机载武器的类型、 数量和能力进一步提升， 机载空战武器开始具备离轴发射能力。 为适应该作战需求， 模拟式悬挂物管理技术开始使用离散线进行联系， 通过延迟逻辑和专用导线进行管理。 60年代后期起， 国外就发展了用高密度的集成电子技术设计的管理系统。 1973年， 西方出现了采用微处理技术的管理系统， 但其组成部件间的联系还得用专用离散线。 70年代， 随着美国“数字式航空电子系统信息计划（DAIS计划）”的实施， 数字式悬挂物管理系统的概念开始提出， 其通过数字式多路传输总线进行系统连接，? 显示和控制进一步综合。 70年代到90年代， 随着飞机航电系统的发展， 为满足新型航电系统的要求， 悬挂物管理作为一个独立的系统， 其功能和性能也得到了快速发展， 其系统构型可分为集中式、 分布式和开放式三种[1]。 目前， 开放式系统构型由于能够满足现代战争的快速性和实时任务更替的需求， 能够实现武器的即插即用， 正得到广泛的研究和关注。

    1.3 未来自主智能式研究阶段

    现代空战具有快速多变、 全天候、 全方位、 多目标、 超视距等多种复杂任务， 对战机能力的要求越来越高， 要求飞机携带的武器数量、 种类越来越多， 飞机悬挂物与飞机其他航电系统之间的信息交互更加复杂。 为减轻飞行员的操作负担， 采用人工智能技术开展自主智能式外挂管理的需要日益紧迫。 而且， 随着编队作战、 网络中心战概念的日益成熟， 研究“超级外挂管理系统（Super Store Management System，SSMS）”， 将传统单机的SMS功能扩展到整个攻击编队和攻击部队任务载荷的控制和管理， 实现编队作战效能的最大化也成为未来的一个发展方向。

    2 机载悬挂物管理系统的功能与组成

    2.1 机载悬挂物管理系统的地位

    SMS是现代战机综合航电系统的重要组成部分。 20世纪70年代初， 美国空军实施“DAIS计划”时， 1760通用外挂管理是其四大标准之一， 核心是通过1553B多路数据传输总线对显示和控制进行综合， 用软件的控制算法部分取代飞行员对悬挂物的人为控制。 如以F-16C/D为代表的联合式航空电子系统中， 先进外挂管理系统是其重要的系统之一， 如图1所示。

    20世纪80年代中期， 随着微电子技术和计算机技术的发展， 美国空军莱特实验室提出了“宝石台”计划。 “宝石台”计划将飞机整个航电系统分为三个功能分区和五个接口， 其中外挂管理控制是其任务处理区的核心模块之一。 而到90年代以后， 美国空军会同麦道、 波音和洛克希德等公司在“宝石台”的基础上提出了“宝石柱”计划， 进一步提高了航空电子的综合化、 模块化和通用化水平。 F-35战斗机作为第四代航空电子系统的典型代表， 其航电系统结构中外挂管理系统仍是重要的核心系统之一，? 如图2所示。

    通过飞机综合航电系统的发展历程可以看出， 随着数字技术、 传感器技术、 软件技术、 人工智能技术的发展， 飞机航电系统的综合化、 模块化和通用化程度一直在提高， 但是外挂管理系统仍然保持作为一个独立的系统而存在， 随着新型传感器技术、 光纤通信技术、 开放式系统架构的发展， 其功能越来越全面， 性能也越来越高。

    2.2 机载悬挂物管理系统的功能

    机载悬挂物管理系统作为飞机综合航电系统的一个组成部分， 把机载悬挂物与任务处理系统进行连接，? 可以实时监控外挂物的状态， 响应飞行员对悬挂物的选择和控制指令， 执行武器的投放指令与武器发射参数的装订。 其具体功能包括：

    （1） 外挂武器的加载和显示;

    （2） 外挂武器的工作状态监控;

    （3） 武器发射方案的控制与显示;

    （4） 外挂物技术状态的检测控制与显示;

    （5） 机载武器的投放/发射方案控制及其余弹的显示;

    （6） 外挂物与飞机其他分系统之间的信息传输;

    （7） 外挂物的应急投放控制和机载武器的应急发射控制;

    （8） 相关武器的发射参数装订;

    （9） 为飞机其他分系统提供所需外挂物信号。

    2.3 机载悬挂物管理系统的组成

    机载悬挂物管理系统主要由悬挂物管理处理机（Store Management Processor， SMP）、 悬挂物控制板（Store Control Panel， SCP）、 悬挂物接口控制单元（Store Station Interface Unit， SSIU）以及数据传输网络等组成[4]， 其组成结构如图3所示。

    SMP是机载悬挂物管理系统的核心。 其通过悬挂物管理总线与飞机火控任务处理系统、 座舱显示系统相连接， 能够将外挂物的状态信息发送给座舱显示系统进行显示， 同时也接收来自火控任务处理机和座舱显示系统对外挂物的管理和调整信号， 并转换成悬挂物能够接收和处理的指令， 发送给悬挂物进行相应操作。

    SCP主要执行对外挂武器的操作， 其功能包括利用武器控制板上的电源开关通过SSIU向外挂武器供电; 负责SMP的工作状态选择、 控制、 设置和检测; 外挂武器的投放方案选择和应急投放开关选择以及悬挂物的工作控制开关等。

    SSIU作为SMP的一个远程终端设备， 位于悬挂物挂点附近， 负责完成各挂点悬挂物信息的采集， 通过数据总线与SMP相连接， 把SMP或机上其他系统指令经过模数/数模转换、 放大等处理形成对悬挂物的指令信号， 同时提供直流或交流电源对悬挂物进行供电。

    数据传输网络由一组或多组数字多路总线构成， 主要完成各分系统和设备之间的信息交互。

    2.4 未来新一代机载悬挂物管理的需求

    随着军事技术的发展， 未来战机正朝着高机动、 高声速、 高隐身和多任务方向发展; 对应的机载武器也朝着三多（多类型、 多方式攻击、 多目标攻击）、 三全（全天候、? 全空域、 全方位）、 三超（超音速发射、 超声速巡航、 超视距攻擊）以及信息化、 智能化等方面发展， 为适应新一代战机对武器和发射的管理和控制， 机载悬挂物管理系统技术的发展也要充分适应新的作战需求。

    2.4.1 机载悬挂物管理的信息化

    随着信息时代的到来， 战争形态正由机械化向信息化演变， 对应的战场环境、 作战平台、 作战系统和武器装备也均朝着信息化方向发展。 面对海量信息的处理， 悬挂物管理系统作为机载武器与其他系统之间的连接通道和信息传输通道， 也需要在信息传输和管理方面具备高带宽、 高速率和高响应， 能够保证信息化武器装备的快速加载、 显示、 检测和控制， 在其他系统需要外挂信息时能够做到及时和准确地传输。

    2.4.2 机载悬挂物管理的智能化

    未来飞机将具备作战任务的多样化特征， 如F-35能够满足各军种作战的需要， 美空军将之与F/A-22形成高低搭配， 即能取代F-16执行制空和战术武器投放任务， 还可取代A-10执行近距火力支援任务; 美海军将之与F/A-18E/F搭配一起执行制空和攻击的双重任务; 此外， 还可用作夜间、 低空突防的中型轰炸机。 作战任务的多样化要求飞机在不同任务切换时具备一定的智能性， 同时在作战实施过程中面对复杂多变的战场环境也要智能适应作战态势的变化。 作为飞机综合航电系统的一个重要子系统， 机载悬挂物管理系统要能够智能地适应悬挂物的选择和挂装， 要能够对机载悬挂物具备一定的识别能力， 对悬挂物的管理和控制具备一定的智能决策能力， 从而将飞行员从繁重的决策处理和机械操作中解放出来。

    2.4.3 机载悬挂物管理的通用化

    面对未来信息化战争的需求， 未来机载武器将实现对空对地兼顾， 远、 中、 近程融为一体。 为此， 管理系统需要在不改变硬件的条件下， 仅通过对任务计算机软件、 悬挂物管理软件及解码器接口的改动即可实现对悬挂物的更换。 但是作为对机载武器进行管理和控制核心的悬挂物管理系统目前还是一种封闭的系统架构， 与发射装置、 机载武器之间还是一种紧耦合的关系， 不利于系统的功能扩展。 新型武器的加装和改进需要对管理系统的软硬件进行较大的改动， 费时费力。 为此， 需要对开放式机载悬挂物管理系统架构进行研究并对武器的即插即用技术进行分析， 通过建立详细的机械、 电气接口标准并进行彻底的贯彻才能达到通用化的要求。

    2.4.4 机载悬挂物管理的协同化

    飞机编队协同作战与网络中心战的兴起对传统的机载悬挂物管理技术提出了革命性的挑战。 随着系统武器概念的提出， SMS的功能将扩展到整个攻击编队和攻击系统所有武器的控制和管理， 形成SSMS。 SSMS使得编队作战中的每一个作战单元都能清楚了解整个编队的武器状态和攻击任务， 从整个编队的角度对攻击任务和武器使用做出优化决策， 由此实现机载悬挂物管理系统的协同和编队武器的统一协调。

    3 未来机载悬挂物管理的关键技术

    3.1 开放式系统结构与武器的即插即用技术

    武器的即插即用（Plug and Play Weapon， PnPW）是在不改变飞机软/硬件的情况下， 能够将任何新型武器集成到任何飞机上[5]。 其本质是通过采用先进的设计思想和方法， 提高武器系统的可配置性、 可移植性、 互换性和互用性。 作为武器系统集成的一种全新思路， 武器的即插即用技术需要在飞机的显示控制技术、 火控计算、 悬挂物管理技术、 武器等多方面建立相应的标准化和通用化的接口体系。 其涉及的技术基础包括系统体系架构，? 相关标准体系， 系统开发、 集成和验证方法等。 对于武器的即插即用技术， 传统SMS的集中式或分布式体系结构作为一种封闭式架构难以实现PnPW的需求。 因为其SMS软件服从于硬件， 系统软、 硬件设计在飞机武器系统设计时已经确定， OFP软件与武器之间是一种紧耦合关系， 武器改变需要对SMS的软、 硬件进行大规模的改动或重新设计。 所以， 为满足PnPW的需求， SMS的系统架构逐步演化成通用开放式系统结构（Generic Open Architecture， GOA）[6]。 GOA是一种松耦合结构， 其中心思想是采用分层设计的概念， 系统的不同层次之间相互独立， 层次内部的修改和扩充既不影响同一系统的其他层次， 也不影响同一层次的其他系统。 基于开放系统互连参数模型技术， 将SMS的软、 硬件分为如图4所示的系统功能层、 武器访问层和物理介质层。 各层分别完成对应的功能， 具体可参考文献[1]和文献[6]。

    3.2 高速數据通信技术

    机载悬挂物管理系统内部控制信号主要通过外挂物管理多路传输总线进行传递， 与其他航电设备之间通过航电多路传输总线进行通信。 目前， 机载悬挂物管理系统的数据通讯多采用美国空军电子系统的标准总线MIL-STD-1553B总线（中国军用标准为GJB289A）。 MIL-STD-1553B总线系统由总线控制器（BC）、 远程终端（RT）和数据总线三部分组成[7]， 提供了线性局域网结构， 采用固有的双总线技术， 通过变压器耦合支持非智能远程终端和电气隔离， 是目前先进军用飞机主要的数据总线。 但是， 随着未来航电系统的发展、 外挂物的增加， 编队作战和网络中心战导致的数据流量的增加， 使得MIL-STD-1553B总线由于带宽和传输速率（1 Mb/s）的限制越来越难以满足作战需求。 为此， 高速数据总线技术成为航空电子系统的必然需求， 目前提出的高速数据总线包括线性令牌传输总线（LTPB）、 光纤分布式数据接口（FDDI）、 IEEE1394、 SCI、 光纤通道（FC）以及航空电子全双工交换式以太网（AFDX）等。 其中FC和AFDX由于能够满足未来航空电子高速数据总线高带宽和低延迟的要求， 可成为替换ARINC429， ARINC629和1553B的新一代航空数据总线。 FC的传输速率最高可达4 Gb/s， 并且支持主机与主机的网络连接[8];? AFDX则是一种利用以太网的高速传输率（10/100 M）的基础上， 通过虚拟链路通信的确定性网络， 具有速度快、 价格低、 能充分利用COTS技术和开放式系统等特点[9]。

    3.3 接口标准化技术

    接口标准化是实现武器系统通用化的基础。 美国已经建立了比较完善的标准体系， 其相关标准随工程实践不断完善， 如机械接口标准MIL-STD-8591《机载悬挂物和悬挂装置结合部位的通用设计准则》， 电气接口标准MIL-STD-1760《飞机/悬挂物电气连接系统》及其相关配套标准等。 国内主要是在参照美军标编制了GJB1C-2006《机载悬挂物和悬挂装置结合部位通用设计准则》和GJB1188A-1999《飞机/悬挂物电气连接系统接口要求》的基础上编制的。 由于标准对接口的要求不完善， 加之国内现役导弹武器、 发射装置等在设计时参照的原型不同， 使得在机械、 电气接口等方面各不相同， 在实践过程中还存在诸多问题[10]。 为了满足未来通用化武器系统的使用需求， 必须开发具备GJB1188A-1999的机载悬挂物管理系统， 同时还必须兼顾具备满足俄制武器接口的需求。

    3.4 悬挂物智能管理与自主决策技术

    随着未来空战模式的改变与飞机作战任务的多样性， 飞机携带的悬挂物和悬挂物管理系统要完成的功能将越来越多。 但是， 目前的悬挂物管理系统所采用的技术还需要飞行员诸多的干预操作， 难以满足未来集群协同空战的需求[11]。 近年来， 随着数字式航空机载电子设备的出现和人工智能技术的发展和成熟， 飞机悬挂物管理及武器投放/发射管理也朝着智能化方向发展[12-13]。 为此， 研究通过人工智能技术、 智能控制与决策技术、 专家系统、 语义网络技术等现代智能控制技术来改进悬挂物管理系统的体系结构、 控制算法模型[14]， 从而提高SMS的自动化、 智能化、 自主化程度， 增强其对悬挂物的管理和控制能力， 降低飞行员的操作负担已成为智能悬挂物管理的重要研究方向。

    4 结? 论

    SMS作为机载航电系统的一个重要子系统， 应该随着机载航电系统的发展而发展， 其关键技术应该更加注重SMS接口标准的制订和贯彻以及处理算法的智能化和自动化。 本文在详细分析和描述机载悬挂物管理系统发展和功能的基础上， 重点针对未来新一代作战飞机在日益复杂的空战环境下对SMS的需求， 论述了相关的关键技术。 本文的研究和分析可为国内对机载悬挂物管理技术的研究、 仿真以及应用提供借鉴。

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