战斗机智能火力与指挥控制系统的发展和关键技术

第13卷第4期电光与控制Vol.13 l.4

2006年8月ELECTRONICSOPTICS&CONTROLAug.2006

文章编号:1671-637Ú(2006)04-0001-05

战斗机智能火力与指挥控制系统的发展和关键技术

张 安1, 陈 伟2, 李相民3

(1.西北工业大学电子信息学院,西安 710072; 2.成都飞机工业集团公司,成都 610092;3.海军航空工程学院,山东烟台 264001)

摘 要: 讨论了战斗机航空火力与指挥控制系统的发展趋势,论述了武器系统信息化网络化对航空火力与指挥控制系统的影响,分析了战斗机智能航空火力与指挥控制系统关键技术,在此基础上提出了战斗机智能航空火力与指挥控制系统研究与发展的几点思考。关 键 词: 智能火力与指挥控制系统; 武器火控系统; 航空综合火控系统中图分类号: V271.4 文献标识码: A

Ondevelopmentandcriticaltechnologiesofintelligentfireandcommandcontrolsystemformodernfighters

ZHANGAn1, ChenWei2, LIXiang-min2

(1.NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an710072,China;2.ChangduAircraftDesignandResearchInstiture,chengdu610092,China;3.NavalAeronauticEngineeringAcademy,Yantai264001,China)

Abstract: Thispaperpresentsthehistoryanddevelopmentofintelligentfireandcommandcontrolsystemonboardmodernfighters.Themodernwarfareisacombatofinformationwithfocuschangingfrom/platform0to/network0.Theinfluenceofthistrendonairbornefireandcommandcontrolsystemisintroducedbriefly.Thecriticaltechnolo-giesforintelligentfireandcommandcontrolsystemonboardmodernfightersareanalyzed.Onwhichbasis,weputforwardourideasonresearchanddevelopmentofairborneintelligentfireandcommandcontrolsystem.

KeyWords: intelligentfireandcommandcontrolsystem; weaponfirecontrol; integratedairbornefirecontrolsystem

F-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)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。

0 引言

进入21世纪之际,回顾20世纪飞机航空武器火控系统的发展历程,展望21世纪航空武器火控系统的发展对未来航空武器火控系统的发展有着十分

重要的意义。在航空武器火控系统技术发展的漫长过程中,随着航空武器火控系统综合程度的不断提高,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

收稿日期:2006-01-13

基金项目:航空基础科学基金资助课题(05D53021)

作者简介:张 安(1962-),男,陕西岐山人,教授,博导,主要

从事航空武器火力控制、复杂系统建模、仿真与评估、智能化指挥与控制工程研究。

1 航空武器火力与指挥控制系统的

发展回顾

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)各种目标的探测、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

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后,作战飞机的发展方向趋于多用途型或一机多型。飞机及武器的性能也进一步提高。为了提高目标的击毁率和本机的生存力,对航空火力与指挥控制系统提出了更高的要求。随着技术的发展,航空火力与指挥控制系统将逐步发展成综合化程度更高的具有自动化与智能化的航空电子综合系统。它以综合火控系统为主体,围绕执行作战任务各个阶段的需求,综合了作战飞机通讯、指挥、控制的C3I,飞行控制系统,电子战系统,非航空电子管理与控制等系统。其特点是:能自动构成最佳攻击剖面;可实施全方位、全天候条件下的多目标攻击;航空航天一体化预警系统,可及时侦破敌方的战术意图,电子战系统能对敌方威胁进行综合分析,并选择最佳的电子战方式。

航空火力与指挥控制系统和技术在上世纪得到了飞速发展,它的发展经历了4个发展阶段,第一阶段:20世纪60年代以前的瞄准具阶段;第二阶段:20世纪60年代末~70年代的平视显示/武器瞄准系统阶段;第三阶段:20世纪70年代~80年代综合航空火力控制系统阶段;第四阶段:综合化、自动化与智能化的航空电子火控系统。

进入20世纪70年代,飞机武器火控系统发展进入综合航空电子时代,飞机的综合航空电子系统也经历了四代发展阶段。第一代称为分立式航空电子系统,每一功能模块都有独立的专用传感器、处理器和显示器,连接是点对点的。即雷达、通信、导航,各自具有专用的传感器、处理器和显示器,并通过点对点的连线连接。第二代称为联合式航空电子系统,广泛应用于现役飞机,资源共享只在信息链的后端控制与显示部分;使用几个数据处理器完成低带宽的数据传输交换功能,如导航、武器投放、外挂管理、显示、控制等,各单元之间通过1553B总线交联。这种结构是大多数现役军用飞机所使用的结构。第三代航空电子系统称为综合式航空电子系统,/宝石柱0和F-22航空电子系统是其典型范例。第四代航空电子系统称为先进的综合航空电子系统,/宝石台0和联合攻击机(JSF)的航空电子系统是其典型范例。主要的特点是在第三代的基础上采用了整个航空电子系统的统一航空电子网络并推进了传感器系统综合。

由此可见,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,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0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。

2 信息化和网络化对航空武器火力与指挥控制系的统影响

/随着进入21世纪,战争正从以-平台.为中心的-各自为战.演变为以-网络.为中心的-体系对抗.。0/信息就是战斗力0正在成为各国军方、工业界和学术界的共识。信息化是航空火力与指挥控制系统新军事变革的重要内容。机电式的计算装置、陀螺仪等精密仪器设计制造技术的发展形成了第一代的机电式瞄准具火控系统;晶体管技术、机载数字计算机和惯性导航技术的发展形成了第二代的平显/武器瞄准火控系统;电子技术(数字技术)、信息工程、计算机技术和控制技术的发展形成了第三、四代的综合化航空火控系统;信息化和网络化技术正在孕育着新一代的高智能化和自动化的火力与指挥控制系统。

航空火力与指挥控制系统信息化的主要承载体是各字战术信息网络和各类武器和传感器平台的武器火控系统。军用飞机是一类重要的武器和传感器平台,除了自身需要遂行给定的任务之外,同时还是整个作战对抗体系的重要信息来源。为了适应未来的作战需求,除了已有的各种能力之外,航空火力与指挥控制系统必须具有使飞机可以成为多个网络的节点的能力,必须具有承担信息对抗使命的能力,必须具有更为增强的辅助决策和攻击能力。航空火力与指挥控制系统的作战效能由3个大的因素来决定:战场态势知晓能力、平台性能和武器的打击性能。航空火力与指挥控制系统信息化的核心是战场态势的知晓能力的增强和指挥决策和火力控制的智能化和自动化。

信息化战争的特点:1)高超的感知能力是信息化战争的前提;2)快捷的网络通讯是信息化战争的基础;3)精确的武器投放是信息化战争的关键。信息化战争所涉及的一系列崭新课题的技术基础已迫在眉睫。有人/无人飞行器的密切协同与空地一体化指挥、决策将引发空战模式的重大变化;对空中/地面固定与活动目标的远程精确打击能力将显著提高空军在未来战争中的重要地位;航空火力与指挥

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精确导引和自主飞行控制及火力攻击能力是适应/信息化作战0和/体系对抗0的新需求;信息化和网络化复杂环境下空天地一体化指挥、控制、攻击技术及武器系统信息对抗智能火力指挥控制技术是/体系对抗0的必然要求。

铺路工作。随着科学技术的发展和高科技在航空领域的应用,作战飞机的武器装备越来越先进,作战方式也越来越多,所涉及的范围也越来越广,改变了过去单机信息获取,靠无线通话指挥作战的模式。现代的火力控制系统从指挥、控制、通信、信息数据传输、目标指示、电子对抗、预警系统、卫星侦察到软、硬件杀伤武器的控制以及友机之间的火力控制和转移都将有机地结合成一体,实现空战环境下的总体优化的综合控制的一体化空战战场。随着新世纪的到来,为了适应这种新形势、新环境,在航空火力控制系统发展中,必须很好攻克如下难关,才能使我国空军作战飞机的作战能力适应新的要求。

现代战斗机智能航空火力与指挥控制系统以F/A-22、F-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。它们具有以下共同特点: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,现代战斗机智能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-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。系统由以下单元组成:¹综合射3 智能航空火力与指挥控制系统领域

及关键技术

最近的几次局部战争证明,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。为满足空中力量在21世纪战场上的作战需求,进入新世纪的航空火力与指挥控制系统将会获得迅速发展。传统的机载武器系统不断完善,新一代空/面(空)导弹继续向近距和超视距两极、以及发射后不管、多目标攻击方向发展,包括空地导弹和制导炸弹在内的防区外精确制导空地攻击武器继续向高效能、通用化、模式化、智能化方向发展。非传统的新概念航空机炮、新概念航空炸弹、新概念航空导弹等将迅速发展,机载激光炮将首次装备专用作战飞机,作为机载武器系统的新成员即将登台亮相。上述传统/非传统的新一代航空火力与指挥控制系统,由于广泛应用各项高新技术,因而在战术技术性能上将发生质的飞跃,极大地提高作战效能。

由于完成各种不同任务的航空火力与指挥控制系统航空电子设备的数量急剧增加,占用了飞机大量的容积、重量和功耗,也带来了严重的电磁兼容、可靠性和可维护问题。飞机变得越来越昂贵,出勤率越来越低。如何提高航空火力与指挥控制系统的综合作战效能已成为一个十分紧迫的问题。1970年代初美国空军莱特实验室的数字式航空电子综合系统(DAIS)计划,明确提出了航空电子综合的概念。通过综合提高系统效能是航空电子技术的一大突破,由此出现了目前正在服役的第三代战斗机(F-16、F-18和法国的幻影2000等)的综合电子系统。1980年代中期,还是该实验室提出了/宝石柱0(PAVEPILLAR)计划,它已成为美国在本世纪初服役的军用飞机F-22航空电子系统的基础。1990年代初莱特实验室又综合了当前微电子技术的最新发展成就,提出了/宝石台0(PAVEPACE)计划。它实

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行管理单元;½核心处理单元;¾驾驶员人机接口单元;¿战术数据链单元。

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制/显示系统)))/大画面0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0,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。

图1 智能火力与指挥控制系统结构图

3.2 系统任务功能

一直以来,各国战斗机的发展需求都以空对空作战为主,尤其是美国的F/A-22(空中优势战斗机),其/先敌发现,先敌发射,先敌摧毁0的超视距多目标攻击能力也主要是体现在空对空作战能力。但上世纪末的几次局部战争表明,空对地攻击已经成为现代战争的主要作战手段之一,它不仅是决定战争胜负的关键性力量,并成为局部战争的主角。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。因此美国又推出了其最新一代联合打击战斗机F-35,其火控系统不仅综合了处理部分,而且还综合了传感器部分,它利用/宝石台0计划的成果,采用开放式(统的最有用特征以及/即插即用0的软件模块,解决了最大的经济可承受性问题。F-35具有更强的通用性,它能在全球任何基地和航母上起降,与F/A-22形成高/低档搭配,完成战术武器投放、近距空中支援、纵深打击等对地攻击任务。F-35不仅具有卓越的隐身与垂直起降能力,为了保证强大的对地攻击能力,其火控系统中也大量采用了当今最先进的技术,如第四代主动式电子扫描阵列雷达、光电分布式红外系统、高效电子战系统、联合直接攻击弹药等。

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

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放后的精确制导等领域中去。因此,现代战斗机智能航空火力与指挥控制系统的系统功能包括:¹飞行轨迹/任务规划;º战术数据链/CNI;»编队协同/辅助决策;¼多传感器信息融合;½空空/空面精确打击,多目标攻击;¾综合电子干扰与对抗;¿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CI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。因此,无论是信息处理的难度还是控制的复杂程度以及实时决策的有效性,都对火力与指挥控制系统提出了更加苛刻的要求,为了解决这些问题,世界各国都在寻求新的技术。

美国早在1980年代初就开始了/驾驶员助手0(PA)的研究,该项目采用专家系统、智能信息融合等先进的AI技术,其部分成果已于1990年代末应用于F/A-22和阿帕奇直升机上,应用结果显示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。1990年代后期,英国又提出了虚拟驾驶舱优化计划(VCOP),该计划包括5项关键技术:彩色头盔显示器、三维音频、战术态势了解、语音识别和认知决策辅助。我国在/九五0和/十五0期间,国内有关单位和院校对智能化系统技术进行了一定程度的研究,取得了一定的进展。实践证明,与计算机技术紧密相连的人工智能技术是解决现有火控难题的有效途径,但还需要更深入的研究,因此,智能化将是现代战斗机火力与指挥控制系统的发展方向。其关键技术包括:

1)飞机航空电子综合火控系统一体化综合技术;

2)综合化、模块化、标准化和智能化的航空电子系统设计;

3)先进的机载探测传感器技术;4)智能火力与指挥控制系统技术。

#编队协同智能化火力指挥控制系统总体设计技术;

3

#信息化和网络化的航空武器火力和指挥控制技术;

#空天地一体化综合武器/电子战攻击系统火力指挥控制技术;

#超常规机动全高度、全方位空对空/空对地攻击火控系统技术;

#机群联合攻击远程空空/空面精确打击多目标火力指挥控制系统技术;

#编队协同/智能辅助决策与多传感器信息融合技术;

#战术数据链通讯/CNI和飞行轨迹/任务实时重规划技术。

4 结束语

航空火力与指挥控制系统和技术在上世纪得到了飞速的发展,未来的航空火力与指挥控制系统将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,以提高命中目标概率和作战效能为目标。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,(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]//火力与指挥控制年会论文,2003.

[4] 夏英明.航空百年的火力控制[J].电光与控制,2003,10

(1):3-8;2003,10(2):1-8.

[5] GARDNERJB,HENDRICKSONKJ.Integratingthedigital

battlefieldwithautonomiclogistics:cognitiveimplications[R].AIAA2005-1321.

[6] F/-22Raptor[R].CRSReportforCongress,2004.[7] F-35JointStrikeFighter(JSF)Program:Background,Sta-tus,andIssues[R].CRSReportforCongress,2004.